车用替代燃料中，天然气以其清洁、廉价、抗爆性好等优点，目前正广泛地应用于车用发动机当中。但天然气在常温下呈气态，导致燃料本身在进气过程中占据一部分体积，使得发动机充气效率下降，且天然气的混合气热值相对于汽油混合气偏低，所以天然气发动机动力性能相对于汽油机有所下降。因此需要根据天然气的燃料特性优化发动机的进气系统，提升其动力性能。　
本文将某企业一台2.4L的增压汽油机改装为天然气发动机，在保持原机结构参数不变的情况下，通过外特性试验发现天然气发动机扭矩整体下降，尤其是在低速时下降更为明显。为此，将主要利用一维仿真的方法对天然气发动机的低速性能进行优化。首先基于一维性能仿真软件GT-Power搭建该天然气发动机模型，然后利用试验数据对该模型进行标定，使得模型误差保持在3%以内。在模型标定的过程中，由于一维仿真不考虑三维空间结构，无法对缸内流场进行准确地预测，而一维模型中所采用的可预测燃烧模型对发动机性能准确预测的前提是缸内流场的准确描述，所以只能通过调整五个燃烧模型参数强制性地使得缸压和发动机性能与实验数据相吻合，模型的标定较为困难。为此提出了一维/三维联合仿真的方法，利用三维计算流体动力学（CFD）软件STAR-CD对缸内冷态流动进行计算，并将缸内流场计算结果代入到一维模型中，结合可预测燃烧模型预测发动机的性能，解决了模型标定困难的问题。之后利用该模型对多种同步和非同步进气正时结合四种增压器匹配方案进行了计算，得到发动机低速性能提升的优化方案。最后厂家根据优化方案设计天然气发动机后进行了外特性台架试验。
模拟结果表明：利用一维/三维联合仿真的方法能够在燃烧模型参数保持默认的情况下较为准确地预测缸内燃烧放热和传热过程。通过和实验数据的对比，缸压曲线吻合较好，外特性下发动机性能的误差满足实际工程要求。由于该方法不用调整燃烧模型参数，可在缺少燃烧实验数据的情况下对发动机性能进行准确地预测，因此能更好地指导发动机的后续优化。优化结果表明：天然气发动机匹配比原汽油机小的增压器可以明显提高低速时的增压比，增加进气流量。这主要是因为小流量增压器能够提高涡轮低速时的膨胀比，进而提高增压器功率，提升增压比。采用非同步进气方案后，发动机的进气流量在低速时有较大的提升而在高速时并未下降。原因是在非同步进气方案中，一个进气门进气持续角和进气迟闭角较小减少了低速时进气末期的回流，而另一个进气门进气持续角和进气迟闭角较大保证了高速时进气充分，低速流量最大增加了46%。此外，非同步进气对于缸内的流动有所改善，通过缸内三维CFD模拟可以得到，非同步进气对于滚流和湍动能的影响不大，而对涡流有较大的提升，有利于促进混合气的均匀性。
天然气发动机外特性试验验证了本文优化方案的可行性，燃烧试验数据表明：非同步进气方案在低速时的缸压和放热率峰值较原机方案有很大的增加，同时整体燃烧持续期略有缩短，燃烧有所改善。优化后天然气发动机的低速动力性能得到了显著提升，同时高速动力性能并未下降，其中低速扭矩最大提高了55.6%，超过了原汽油机；低速时经济性也有所改善，燃气消耗率最大下降了8.1%。