缸内直喷（GDI）技术是改善汽油机热效率的重要手段，已成为未来车用汽油机的主流。但目前GDI发动机仍存在压缩比受爆震限制难以提高、均质燃烧模式中小负荷泵气损失大、稀薄燃烧模式NOX排放难控制以及分层燃烧易产生碳烟等问题，限制了其燃烧排放性能的进一步改善。本论文主要通过数值模拟和台架试验对GDI发动机实现高效清洁燃烧的方法和机理进行研究。本论文提出了“分层当量比混合气燃烧模式”抑制GDI发动机高负荷爆震的思路。分层当量比混合气指的是缸内可燃混合气中的燃料和空气配比总体上为化学计量比，但浓稀分层，在发挥末端稀气抑制汽油机高负荷爆震的同时，还可利用三效催化剂高效净化CO、HC和NOX排放。研究表明，分层当量比混合气浓稀区比例和混合均匀程度会对抑制爆震的机理和效果产生重要影响；“分区均质”模式是理想的分层混合气组织形式，可以有效防止碳烟排放等问题；分层当量比混合气抑制爆震比传统推迟点火时刻和废气再循环等方法对燃烧等容度的降低较少，并且比加浓混合气方法有显著的经济性和排放优势。为了深入分析爆震发生机理，建立了一种包含30种组分、38步反应的汽油简化化学反应动力学模型，并与三维计算流体力学耦合解析了爆震过程，发现甲醛基和羟基可作为爆震发生和强度的标志。为了改善GDI发动机中小负荷热效率，提出了采用“废气滞留稀释燃烧模式”的思路。废气滞留稀释燃烧不仅具有与稀薄燃烧相似的“容积稀释”效应，并且还具有高温“密度稀释”以及改善燃烧的“活性稀释”效应。试验结果表明，GDI发动机部分负荷采用废气滞留稀释燃烧可明显降低泵气损失并提高燃烧效率，燃油经济性改善5%~16%。废气比例增大和温度升高可增强稀释效果，较高压缩比下废气滞留还会出现点燃触发压燃的复合燃烧模式。分区均质混合气可改善废气稀释燃烧稳定性、增大燃烧等容度以进一步提高热效率。废气滞留稀释燃烧与外部循环方式产生的废气稀释燃烧相比，可明显的提高废气比例的容忍度、改善稀释效果；而与稀薄燃烧方式相比，则由于温度效应可以更显著的减小泵气损失，并且对排放的控制更有效。基于以上思路，在一款GDI汽油机开发过程中进行了应用实践，实现了对发动机性能的改善，典型工况的燃油经济性比目前商品化的GDI发动机可提高13%以上。