天然气具有储量丰富、燃烧清洁等特点，在日益严格的排放法规以及能源短缺的背景下，成为最现实的发动机代用燃料之一。由于天然气发动机相对柴油机而言，存在动力性略差，热负荷大以及某些工况NOx排放较高等不足。本文采用实验与模拟相结合的手段研究混合气浓度和点火提前角对天然气发动机性能的影响，通过标定燃烧控制参数、合理控制机内燃烧过程，从根源上提高天然气发动机综合性能。　　首先，依据参数试验的原则，进行了台架试验，详细研究了变混合气浓度与变点火提前角对天然气发动机工作性能的影响，同时为数值模拟提供边界条件和标定数据。然后，本文从基本热力学原理出发建立天然气发动机工作过程一维仿真模型，并对最大扭矩点和额定工况进行了标定和模拟计算，详细分析变混合气浓度变点火提前角对天然气发动机的动力性、热负荷以及经济性影响。随后，本文选取合适的数值计算方法和三维计算动网格，建立天然气发动机燃烧过程三维模拟仿真模型，从缸内燃烧过程和污染物生成规律两方面分析了多工况下混合气浓度及点火提前角对天然气发动机的综合影响。最后，基于模型的标定理论，利用中心复合设计法结合响应面近似建模原理，在有限数值计算样本点的基础上建立了以混合气浓度和点火提前角为输入控制变量，衡量发动机全面性能的多个核心指标为输出响应的近似数学模型，并在此基础上对混合气浓度和点火提前角进行多工况多参数多目标优化。验证结果表明，在使用优化控制参数后，天然气发动机保持了原有动力性的同时，经济性、排放性和热负荷都有一定的改善。