天然气发动机采用当量燃烧模式仅需加装三元催化器（TWC）即可有效降低排放,并保持较低的成本,成为其满足国VI排放的主流技术。但当量燃烧爆震倾向、传热损失和泵气损失较大,致使热效率较低。本文针对当量燃烧国VI天然气发动机开发需要,进行包括进气道和燃烧室在内的燃烧系统优化模拟和试验研究,探索改善当量燃烧天然气发动机燃烧过程、提高热效率的技术途径,从而为高效清洁天然气发动机燃烧技术开发提供指导。首先利用CONVERGE软件建立天然气发动机CFD模型,模拟研究不同进气道和燃烧室结构对天然气发动机缸内流动、燃烧和性能的影响。结果表明,缩口燃烧室缸内及火花塞位置的高湍动能区域均较大,平均指示压力（IMEP）较高,但火焰传播存在较大程度不对称,使得燃烧持续期延长;压缩比较小的缩口燃烧室缸内湍动能较强,但受压缩比的影响IMEP较小;随着缩口角度增大,缩口燃烧室的滚流比、湍动能和IMEP下降。缩口角度较小的燃烧室与双切向气道、切向&螺旋气道的匹配方案缸内及火花塞周围湍动能均较高,其中切向&螺旋气道匹配方案由于气流运动方向偏向排气门一侧且速度较高,使得进气门侧火焰面的发展受限,燃烧持续期延长,IMEP较低;双切向气道与S12-5缩口燃烧室的匹配方案IMEP最高。基于上述数值模拟研究结果,开展了优选燃烧室方案及EGR、点火时刻控制策略对当量燃烧天然气发动机性能和排放影响的试验研究。结果表明,随着EGR率增大、点火时刻提前,指示热效率（ITE）先增大后减小,因此在保证发动机不爆震、不失火的情况下,应适当增大EGR率、提前点火时刻以获得更好的燃烧相位,进而在获得高ITE的同时降低涡前排温。相比直口燃烧室,缩口燃烧室能在更大EGR率范围稳定燃烧,能实现的ITE更高且对应的EGR率更大。相比原缩口燃烧室,分别通过加深排气门让位坑、缩短凹坑深度来适当减小压缩比,其最佳点火时刻（MBT）、CA10和CA50提前,ITE得到提高且高ITE对应的EGR率减小;S11.5燃烧室效果更明显,其最高ITE及对应的比气耗分别为40.94%、195.20 g/（k W·h）。