以石油资源为主要动力源的汽车不断加速着不可再生资源的消耗速度,同时也对自然环境带来了巨大挑战,环境污染和能源短缺问题推动了更加严格的法规的颁布,在愈发严格的法规面前,天然气作为一种清洁低碳的替代燃料在内燃机领域前景广阔。但天然气燃料始终受燃烧速度慢的物理特性限制,因此缸内气流的合理组织对天然气发动机至关重要。本文基于一台点燃式当量燃烧天然气发动机搭建数值计算平台,探究涡流和滚流对缸内流动和燃烧的影响;以获得弱涡流、强滚流为目标,首先对燃烧室缸盖起脊,即成为穹顶式燃烧室,然后对进气道结构进行优化,最后针对滚流气道调整气门轴线和进气道中心线夹角,从而整体提高天然气发动机湍流强度,加快燃料燃烧速率,最终实现热效率提升。首先分析了涡流和滚流对缸内流动和燃烧的影响,研究发现,低初始滚流比和涡流比对缸内流动和燃烧影响较小,初始涡流比以SR=2为界,初始滚流比以TR=1.75为界,继续增加初始值可以获得更高的湍动能,缸压峰值增大,峰值所在相位前移,而同等强度下,高滚流比对湍动能提升效果更加明显。在压缩冲程阶段,与涡流相比,高滚流组织对应的高湍动能衰减速度更快。相同涡流比不同滚流比、相同滚流比不同涡流比下,初始滚流比、涡流比对流动和燃烧的影响与单独作用时一致。在原机的基础上设计了起角高度α=10°和15°两组穹顶式燃烧室,研究分析了穹顶式燃烧室不同起角高度对缸内流动和燃烧的影响。研究发现,与原机相比,穹顶式燃烧室缸内滚流比整体有所提升,湍动能同步增大。与低起角穹顶式燃烧室相比,高起角穹顶式燃烧室模型获得的高滚流比提升了点火时刻湍动能,促进火焰传播,缸压峰值增大,峰值相位前移,燃烧持续期缩短,而低起角穹顶式燃烧室缸内滚流组织在压缩冲程后期逐渐被压缩挤碎,难以大幅度提升湍动能,因此燃烧性能相较于原机没有明显提升。在穹顶式燃烧室的基础上对原机气道进行优化获得双切气道和滚流气道,研究了穹顶式燃烧室不同起角高度与进气道协同优化对缸内流动和燃烧的影响。研究发现,在穹顶式燃烧室相同起角高度下,双切气道相较于滚流气道在进气冲程阶段拥有更高的滚流比,但在压缩冲程中滚流比大幅减小,逐渐低于滚流气道,因此在点火时刻湍动能水平整体较低,燃烧速度较慢。高起角穹顶式燃烧室+滚流气道拥有最大的缸压和放热率峰值,燃烧持续期最短。在高起角穹顶式燃烧室+滚流气道的基础上研究了气门轴线和进气道中心线夹角α对滚流强度对缸内流动和燃烧的影响。研究发现,随着α角的增大,混合气和缸壁的夹角减小,更有利于在进气阶段混合气从进气门侧射流到排气门侧,同时减少了混合气从气门下侧进入气缸的比例,从而形成强滚流组织,提高点火时刻缸内湍流强度,促进燃烧;继续增大夹角,缸内燃烧效果大幅提升,与α=0°相比,α=40°缸压峰值提升了7MPa,峰值相位提前10°CA,燃烧持续期缩短了15.3°CA,指示热效率提升了2.1%。