由于全球石油燃料的大量消耗和以及对环境的严重污染，天然气作为可替代的清洁能源日益受到关注，天然气汽车也因此在世界范围内得到迅速发展。由于天然气独特的物理化学性质以及低污染的燃烧排放，使得单一天燃料然气内燃机成为内燃机发展的重要方向。然而，天然气作为内燃机的燃料使用时也存在较多的问题；例如整个内燃机循环的热力学过程不够清晰，动力输出不足，燃烧相对缓慢等等。因此，针对单一燃料天然气内燃机的工作进程开展研究，对提高其工作性能具有重要的意义。本文建立了三维CFD模型对内燃机的四冲程的工作过程开展了深入研究，同时基于基本的守恒方程和边界条件，建立了零维数学模型来模拟内燃机的整个热力学循环过程。在三维和零维数学模型得到了实验数据验证的前提下，本文采用三维和零维模型开展进一步研究，详细分析了单一燃料天然气内燃机的热力学循环特性、燃烧特性，并提出了优化方案。首先，本文开展了天然气预混点燃的单一燃料天然气内燃机工作特性，发现缸内的燃烧受湍流流动的显著影响。基于三维CFD计算，明显看到湍流脉动使得火焰界面发生弯曲和褶皱，加大了火焰面与未燃混合气的接触面积，从而加快缸内的燃烧速度。但燃烧的核心区域会在气流的作用下产生偏离，导致缸内的温度分布并不均匀，局部温度较高。相对非预混燃烧，缸内预混点燃的燃烧速度主要受火焰的传播速度影响，化学反应只在火焰面内进行，因此天然气的燃烧过程相对较为缓慢，选用汽油机的点火提前角下，往往使得主燃期推迟，影响内燃机工作效率和功率输出。针对NO的计算结果表明，NO分布受缸内温度和湍流的影响明显,其生成速率在高温时明显增加，并在燃烧后期基本保持不变。同时，均质压燃（HCCI）技术作为一种新型的内燃机燃烧技术能实现稀薄状态下的高效和清洁燃烧。本文基于Chemkin建立了的天然气的化学反应机理模型，并耦合到CFD计算中，开展单一燃料天然气均质压燃的三维CFD模拟研究。相比天然气的预混点燃燃烧，均质压燃燃烧的燃烧速度基于天然气的化学反应动力学，受缸内湍流扰动的影响较小，可实现较高空燃比的稀薄燃烧，从而提高其燃烧效率。由于在稀薄燃烧下缸内的燃烧温度较低，可以进一步减小NO的生成，实现其清洁燃烧；但均质燃烧主要受化学反应动力学的控制，对其燃烧速度的控制较为困难。过快的燃烧速度也使得缸内的压力瞬时产生跃升，在空燃比较小的情况下，容易产生敲缸等问题。本文还比较了不同过量空气系数及进气温度对均质压燃燃烧的影响，发现随着过量空气系数的增大，缸内的着火温度推迟，缸内的最高温度下降明显，其NO的生成量进一步减小；在一定压缩比下，其压燃燃烧的结果受进气温度的依赖较大。另外，本文基于天然气预混燃烧的三维CFD数值模拟，建立了针对天然气在缸内燃烧放热的Weibe方程，并结合零维的内燃机四冲程热力学过程计算模型开展了研究，分析了天然气预混点火的单一燃料天然气内燃机热力学循环过程，比较了不同点火提前角，气缸压缩比以及过量空气系数等参数对单一燃料天然气内燃机工作性能的影响，优化了运行参数。