推广和应用天然气发动机是优化我国能源结构、缓解能源危机、实现汽车节能减排的一条重要途径,也是治理雾霾立竿见影的一项重要举措。目前对于天然气发动机性能的研究,没有很好地结合天然气的燃料特性和发动机工作特性进行耦合研究,没有从根本上解决天然气发动机因压缩比较低和燃烧较慢而热效率不高的问题,没有解决天然气发动机压缩比升高与爆震趋势、NOx排放增加的矛盾,天然气发动机的性能和节能减排潜力还远未达到其应有的水平。为了解决上述难题,本研究提出一套天然气发动机的新型燃烧技术方案并辅之以一系列的试验和仿真优化研究,探索新型燃烧技术方案的节能潜力。本文基于课题组提出的发动机控制和运行参数检测方法,以一台量产重型卡车液化天然气发动机为研究样机,通过进行“燃料设计（提纯天然气、加氢）”与“发动机设计/运行参数（压缩比、点火提前角等）”协同优化,探索压缩比、点火提前角等参数与发动机燃烧过程、性能和排放之间的内在关联;基于热力学的基本原理建立液态甲烷发动机缸内热平衡模型,揭示热功转换过程以及缸内热平衡的影响机理;基于试验数据以及总结的发动机设计、运行和控制参数之间的量化关系,建立液态甲烷发动机的一维性能仿真模型,有针对性地对液态甲烷发动机的工作过程和性能开展模拟仿真分析与优化;并通过耦合化学反应动力学机理,建立了液态甲烷发动机掺氢燃烧的三维CFD仿真模型,对缸内燃烧和热力学过程开展详细模拟,进一步探索液态甲烷发动机燃烧和排放性能的影响机理以及改善途径。论文的研究结果表明:（1）压缩比对液态甲烷发动机的瞬时放热率峰值和10-90%燃烧持续期的影响很小,对滞燃期有明显影响。随着压缩比的提高,滞燃期缩短,燃烧正时提前,燃烧相位也随之提前。随着压缩比的提高,液态甲烷发动机的扭矩可提高9.5%,BSFC最多可减少10.9%。当压缩比增加过大时,液态甲烷发动机的BSFC只会略有下降,BSFC的降低是有效膨胀比提高和燃烧相位提前共同作用的结果。（2）在低速、低负荷条件下,压缩比对液态甲烷发动机NOx排放的影响不明显。随着转速和负荷的增加,液态甲烷发动机的NOx排放急剧增加。只需在较小范围内推迟点火提前角,就能保证原LNG发动机的NOx排放水平,同时对BSFC影响不大。当发动机燃用液态甲烷时,爆震趋势会降低,可用的压缩比可以得到扩展,在其它参数不变的情况下,液态甲烷发动机的压缩比可提高到14.6左右。（3）选择最佳SOC（或点火正时）并根据EER的变化调整HRR对于改善液态甲烷发动机高压循环效率具有重要意义,可以通过选择合适的运行工况来提高液态甲烷发动机的燃烧稳定性和降低传热损失。相比负荷,发动机转速对液态甲烷发动机的高压循环效率影响更大。对于低速工况,通过优化热力学过程可以进一步提高液态甲烷发动机的有效热效率;而对于高速工况,减少摩擦损失和泵气损失更为有效。（4）相比进气正时,排气正时对液态甲烷发动机的缸内热平衡以及动力性和经济性的影响都更为明显。可以在一定范围内适当提前排气正时以提高液态甲烷发动机的热效率,达到同时提升动力性和改善经济性的目的。适当调整燃烧相位对液态甲烷发动机的动力性和经济性影响都不大,因此可以通过适当调整点火正时的方法来优化排放指标。（5）加氢对缸内燃烧速度具有较明显的促进作用,主要通过影响燃烧相位（50%燃烧位置点）、10-90%燃烧持续期来影响缸内循环效率。当掺氢能量分数介于8%-12%时,指示热效率达到最大值,且此时爆震的倾向较小。加氢对缸内工质气体比热比和传热损失的影响比较小,合理优化燃烧相位和掺氢能量分数是进一步改善液态甲烷加氢发动机缸内指示热效率的有效途径。以上的研究结果表明,可以通过本文提出的“提纯天然气─提高压缩比─加氢”的技术方案,进一步改善天然气发动机的动力性和经济性。通过本文的研究,可以为液态甲烷发动机高效清洁燃烧系统的设计开发提供技术指导与数据支撑,从而提升天然气发动机节能减排的潜力。