能源危机和日益严格的排放法规对内燃机的经济性和排放性能提出了更高的要求。天然气发动机因其燃料储量丰富、排放良好得到迅速发展,但存在天然气与空气的混合气层流火焰传播速度较慢的致命弱点,因此,研究如何在压缩后期形成有利于快速燃烧的混合气分布显得尤为重要。喷气时刻影响天然气进入发动机缸内的时间顺序,进而影响混合气形成;喷嘴作为燃料供给系统最关键的零件之一,其喷口型式对发动机进气均匀性有影响。本文针对由船用2135G柴油机改造的天然气发动机,进行了喷气时刻和喷嘴结构对发动机进气和燃烧特性规律影响的数值模拟研究。首先提出了 3种新的燃气喷嘴结构方案,并利用三维制图软件CATIA建立了节气门-进气歧管-喷嘴-进气道-气阀-燃烧室的几何模型;利用计算流体力学软件AVLFIRE对几何模型进行了网格划分,确定了初始条件及边界条件,选取了合理的湍流模型、着火模型、燃烧模型、排放模型和计算方法,并验证了模型的有效性。然后对不同喷气时刻的天然气发动机进气、压缩和燃烧过程进行了模拟,详细分析了其对混合气形成和火焰传播过程的影响规律。结果表明:合理推迟喷气时刻,使缸内混合气在点火时刻形成火花塞附近较浓,远离火花塞区域较稀的分层分布,有利于混合气快速燃烧,改善发动机性能。对于针对机型,在25%负荷工况下,上止点后30° CA喷气时刻形成的混合气燃烧速度较快;在全负荷工况下,上止点后45° CA喷气时刻形成的混合气燃烧速度较快。最后对不同喷嘴结构的天然气发动机进气、压缩和燃烧过程进行了模拟,详细分析了其对进气均匀性和燃烧特性的影响规律。结果表明:喷嘴结构对发动机进气均匀性有明显影响,喷嘴喷射天然气的方向与空气来流方向垂直,能够增强燃气射流和空气的碰撞、掺混,使混合气在进入发动机缸内之前混合良好。对于针对机型,不同喷嘴结构在点火时刻的缸内混合气分布无明显区别。但是2#多孔30°斜角喷嘴在燃烧过程中一直保持较高湍动能,使混合气快速燃烧,为最优喷嘴结构。本文揭示了在稀燃条件下喷气时刻和喷嘴结构对天然气发动机进气均匀性和燃烧特性规律的影响,为优化喷气正时和喷嘴结构提供了基础研究数据。