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天然气发动机在实际应用过程中存在着功率下降严重、热负荷高、热效率低等一系列问题，阻碍了天然气发动机大范围的推广应用。采用传统的Otto循环，发动机在部分负荷时存在泵气损失大、燃油消耗率高等诸多弊端。针对上述问题，本文对天然气发动机分别在外特性工况和部分负荷工况下进行了仿真优化。因此本文完成的内容也主要包含两大方面：第一方面是在外特性工况下研究了天然气发动机上应用米勒循环时，发动机几何压缩比、米勒正时和涡轮增压系统对天然气发动机性能的影响规律，完成了天然气发动机应用米勒循环后几何压缩比的选择、涡轮增压系统的调整和米勒正时的匹配。通过研究发动机爆震趋势随几何压缩比的变化，以原机全转速下最大爆震指数为限，将米勒循环天然气发动机的几何压缩比提高到13.5。并对涡轮增压系统进行了适用于米勒循环天然气发动机的优化，采用减小涡轮喷嘴环出口通流面积来调整联合运行曲线。根据米勒正时对发动机性能的影响规律，在1000转/分以下低速区选用EIVC=20°CA的进气门关闭角度（IVC=561°CA）来优化扭矩,1000转/分以上采用LIVC=32°CA的进气门关闭角度（IVC=613°CA）以降低爆震指数。综合优化后，发动机中、低转速下扭矩增加5%以上，全转速下发动机排温降低20K；减小了发动机热负荷，解决了随着发动机性能的不断提高和强化时引起的爆燃问题。第二方面在怠速和20%负荷工况下研究了利用米勒循环改变气门关闭角度实现负荷控制，以取消或减少对节气门的依赖。对比研究了不同米勒循环负荷控制方式（VVT、VVL和VVTL）和节气门负荷控制方式对发动机性能的影响，完成了降低部分负荷泵气损失改善经济性的优化目标。研究表明单纯依靠延迟进气门关闭角度，并不能实现所有运行工况下的无节气门负荷控制。怠速工况下大节气门负荷控制方式中，较高的进气压力和较小的进气损失的优势，并不能弥补活塞上行推出混合气时产生的泵气损失。因此怠速工况下发动机比气耗VVT方式将比原机高23%，容积效率也低于原机。在20%负荷工况下的不同负荷控制方式中，VVL负荷控制方式中气体流过气门阀座处时形成大的节流损失导致其泵气损失甚至高于原机，相应的比气耗增加了5%。而VVT和VVLT两种负荷控制方式对发动机的改善程度相当，大大减少了发动机的泵气损失。最终采用的大节气门开度的米勒循环VVLT负荷控制同时优化气门重叠角的优化方案，使发动机减少泵气损失50%以上，气耗比原机减少20g/Kw.h，天然气发动机经济性提高2.6%。