环境污染和能源短缺的压力加快了代用燃料汽车发动机的开发和应用进程。本文针对用于城市道路交通的单一燃料稀燃天然气发动机的燃烧过程进行了深入研究,通过对适应火花点火天然气发动机燃烧过程的燃烧系统设计、燃烧系统的试验研究、工作过程的优化研究、发动机控制策略的研究,开发出了满足国Ⅳ排放标准的火花点火天然气发动机的燃烧系统。本文深入研究了满足国Ⅳ排放标准稀燃天然气发动机的关键技术,利用数值模拟、设计计算和稳流试验等方法,对天然气发动机的燃烧室、进气道和凸轮轴进行了全新设计。利用Fire软件对设计的六种不同结构形状和尺寸的燃烧室进行了数值模拟研究,综合考察了不同结构参数对湍动能、燃烧放热率、燃烧压力、缸内燃烧温度、NOx排放、累计放热量的影响,得出“相同形状不同尺寸的燃烧室对燃烧过程的影响远小于不同形状燃烧室对燃烧过程的影响”的结论,初步优化出适应天然气发动机燃烧过程的燃烧室结构;利用经典的凸轮型线设计理论和现代计算手段以MATLAB软件为平台,建立了一套完整的凸轮型线设计程序,并利用该程序对凸轮型线进行了设计;在气道稳流试验台上进行了螺旋进气道结构参数对进气道流通特性影响的试验研究,探索出一套改变螺旋进气道流通特性行之有效的方法,并对这些方法的应用范围和应用条件进行了深入研究和分析。作者就组成天然气发动机燃烧系统的各部件结构对发动机综合性能的影响进行了较深入的试验研究,探索出了一套天然气发动机燃烧系统结构参数优化匹配的通用方法和程序。本文对满足国Ⅳ排放标准火花点火天然气发动机控制策略进行了深入研究。从整机控制策略出发,通过对开环和闭环控制模式相关控制目标和控制过程的研究,提出了对发动机全工况范围实行开环和闭环控制相结合的控制策略。为达到对空燃比的精确控制,研究设计了天然气发动机进气、燃气供给、点火的控制策略。作者首次提出了适用于稀薄燃烧增压中冷天然气发动机运转工况范围、稀燃限界、各缸不均匀性的具体概念;以试验的方法研究了不同的运转参数对于天然气发动机的运转工况范围、稀燃极限的影响;对满足动力性、经济性和排放指标的综合稀燃界限进行了深入的研究;创造性地提出了解决各缸不均匀性的方法;就发动机运行参数(过量空气系数和点火提前角)、内部废气再循环(EGR)、压缩比对稀燃天然气发动机工作过程的影响进行了全面的试验研究。从多层次、多角度深入地进行了稀燃天然气发动机的优化研究。