天然气以其资源丰富和燃烧清洁的优势成为汽车替代能源的首选,但也存在着火温度高、火焰传播速度慢和发动机功率密度低等问题。结合这些问题,本文以试验研究和计算机模拟分析为手段对优化4SH-N天然气发动机工作过程的方法和控制排放的技术措施进行了深入研究,旨在改善发动机的动力性、经济性和排放性能。通过缸盖改进设计和优化压缩比,使发动机的额定功率从56.6kW增加到69.8kW,最低比气耗下降15.4%。为了充分、合理的利用进气系统内气体流动的动力效应实现增压,提高发动机的功率密度,通过一维和三维仿真工具对进气和配气系统进行了优化和性能评价,结果表明:优化后发动机额定功率提高了5.2kW,最低比气耗降低5.2%,进气最大不均匀性被控制在4%以下。在对发动机缸内流场演变和燃烧过程模拟分析的基础上,提出一种指导天然气发动机燃烧室结构优化的方法,并对新设计两种燃烧室内流动和燃烧过程进行了模拟,结果表明:两种燃烧室都能够明显改善发动机性能,其中2#挤气喷射燃烧室的初期火核稳定,挤流与滚流的有效耦合增加了缸内湍动能,相同曲轴转角下火焰前锋面被扩大,燃烧过程改善较明显;试验对比了采用原燃烧室和2#燃烧室时发动机性能,结果表明:采用2#挤气喷射燃烧室时发动机额定功率增加3.7kW,最低比气耗下降4.4%,HC和CO排放下降,NOx排放增加。为了有效控制发动机排放,研究了不同催化器成份对天然气发动机排放的影响,完成了电控多点喷射闭环燃料控制系统与催化后处理器的匹配和整机标定,瞬态循环测试结果表明:4SH-N天然气发动机能够达到国Ⅲ排放要求。为了挖掘4SH-N天然气发动机进一步提高燃料经济性和降低排放的潜力,对增压稀燃技术、EGR技术和H2-SCR技术进行了研究,试验结果表明:与采用纯空气稀释相比,稀混合气加EGR的方法在达到相同NOx排放控制目标值时能获得更高的热效率,因此提出了EGR和λ联合的NOx排放控制策略,确定了由EGR和λ表示的NOx排放控制区,该区域内在没有催化后处理器的条件下可以将NOx降低到1g/(kW?h)以下。当天然气发动机在高效稀混合气条件下运行时,采用H2-SCR技术可以使NOx的转化效率达到100%,并对影响NOx转化效率的各种因素进行了研究。本文对稀混合气加EGR和H2-SCR技术的研究为满足未来更严格排放法规要求提供了基础研究数据和技术储备。