为了满足欧Ⅵ排放法规，稀燃天然气发动机需要安装选择性催化还原(SCR)后处理器，这增加了发动机成本；当量燃烧天然气发动机仅需采用废气再循环(EGR)和三效催化转换器(TWC)就可满足法规要求。但当量燃烧天然气发动机热效率较低，爆震是抑制其热效率提高的重要原因之一。因此，本研究通过三维仿真手段，以拓展爆震边界为核心目标，研究了进气道、燃烧室、米勒循环和EGR等参数对当量燃烧天然气发动机燃烧和爆震的影响，探索进一步提高天然气发动机热效率的潜力和技术措施，这对开发高热效率当量燃烧天然气发动机燃烧系统具有重要的理论意义和较高的实用价值。
　　首先，研究了不同气道和燃烧室方案对天然气发动机缸内流动、燃烧和爆震的影响。结果表明，采用双切向气道+S5气道和切向+螺旋气道+K15燃烧室的方案可增强缸内和火花塞附近的湍动能和气流运动，提高火焰传播速度，缩短燃烧持续期，燃烧相位较靠近上止点，提高抗爆性和平均指示压力(IMEP)，但是火焰面发展的不对称抑制了该方案抗爆性和IMEP的进一步提高；双螺旋气道+S12燃烧室的火焰面发展较为对称，抗爆性较好，点火时刻较为提前，提高了其IMEP，但是该方案湍动能和气流运动较弱，抑制该方案IMEP的进一步提高。双切向气道+S5气道和双螺旋气道+S12气道的IMEP相当，均高于原气道+S12燃烧室，切向+螺旋+K15燃烧方案的IMEP最高，因此选取切向+螺旋气道+K15燃烧室进行下一步研究。
　　随后在切向+螺旋气道+K15燃烧室的基础上研究了米勒循环对天然气发动机爆震和燃烧的影响。结果表明，米勒循环可以提高发动机的抗爆性，但综合考虑进气增压和有效压缩比，进气门晚关角度不是越大越好，M20时发动机抗爆性最好，IMEP最高。在此基础上进一步研究了EGR对天然气发动机燃烧的影响。结果表明，EGR可明显降低缸内温度，提高抗爆性，但EGR率过大，恶化燃烧；在30%EGR时发动机抗爆性较好，IMEP最高。
　　综上，采用切向+螺旋气道+K15燃烧室，结合进气门晚关(20℃A)和EGR率(30%)，在爆震边界内优化燃烧系统相比原燃烧系统IMEP可提高5.21%，即指示热效率提高5.21%。研究结果可为开发高效当量燃烧天然气发动机提供重要工程参考。