随着大气环境污染问题日益严峻,石油能源危机问题日渐突出,世界各地都在寻找可替代石油的清洁能源。天然气作为替代石油的清洁燃料之一,具有资源丰富,成本低,排放清洁等优点,市场前景较为广阔,是车用代用燃料的首选。目前国内天然气发动机几乎都是由柴油机或者汽油机改装而来,其功率和经济性能大都较原机型差,可适当提高天然气发动机的压缩比来改善其动力性与经济性。本文对高压缩比天然气发动机试验研究表明:随着压缩比的增加,天然气发动机燃烧速率加快,气缸燃烧压力和温度升高,热效率明显提高,但压缩比的提高受到爆震等不正常燃烧的限制,因此要在提高压缩比的同时,对天然气发动机燃烧系统进行优化以降低其爆震倾向。本文利用三维仿真计算软件FIRE,建立天然气发动机燃烧系统的三维仿真模型,利用发动机台架试验的基本参数确定初始条件及边界条件,对压缩比14.6的天然气发动机进行模型标定。并对天然气发动机发生爆震的工况进行了模拟,引入了对爆震工况进行评价和预测的标量—爆震反应速率和爆震因子,用于判断燃烧室内发生爆震的概率和发生爆震的区域及强度。研究了三种形状燃烧室在爆震工况的燃烧过程,发现高压缩比天然气发动机用敞口燃烧室时挤气面积较小,挤流强度较弱,缸内湍动能较低,燃烧速度慢,降低了缸内最高爆发压力和压力升高率,推迟爆震出现时刻并降低爆震强度,同时天然气发动机的主要污染物氮氧化物排放有所下降。在敞口燃烧室的基础上研究点火时刻与过量空气系数对缸内燃烧排放性能的影响。通过对点火时刻的研究发现:随着点火时刻的前移,燃烧速度加快,燃烧温度和压力升高,爆震倾向增大。点火时刻过晚时,燃烧滞后,燃烧温度和压力升高太慢后燃损失大,合理的点火提前角可以帮助天然气发动机获得最佳的动力性、舒适性和排放性能;通过对过量空气系数的研究发现:该高压缩比天然气发动机在采用当量比和较浓混合气时,燃烧温度较高爆震倾向较大且未燃天然气增多。混合气过稀时,燃烧滞后,燃烧持续期延长,后燃损失较多,功率降低,合理的过量空气系数可以兼顾较好的动力性和排放特性。