针对某些发动机在进气中冷后加入足量的EGR较为困难，瞬态工况下排放性能恶化，以及节气阀等执行部件优化控制等问题，本文从全工况条件下精确控制EGR流量优化空燃比从而达到降低排放目的的角度出发，分别在一台三菱GDI发动机和CY6D180高压共轨重型柴油机上进行了大量的模拟和试验研究。依照本文空燃比控制系统设计的思想及流程，构建了所需的实机台架及模拟平台。试验台架包括GDI节气阀时滞控制效果测试系统和在柴油机上建立的EGR系统、实时参数采集系统、瞬态工况控制测量系统以及EGR阀全开度范围的独立控制。模拟台架是由发动机动力学模型enDYNA软件，dSPACE和xPC-Target实时硬件以及节气阀和EGR阀组成的发动机硬件在环实时控制仿真试验系统。在GDI发动机台架上进行了节气阀时滞性分析，该时滞包括发动机稳态下的燃油喷射到力矩输出时间延迟，也包括瞬态下节气阀控制进气量这一时刻到这部分进气量实际进入缸内的时间延迟，还包括节气阀执行控制量动作的延迟。上述时滞参数都是不确定的并且时不变的，但分别有恒定的上界。最后，利用enDYNA软件建立的精确发动机模型，来验证之前建模的正确性及控制方法的有效性，经验证本文所设计的时滞依赖的控制器控制效果良好。针对重型柴油机部分工况下排气压力小于中冷后进气压力，即足量EGR回流困难，研究利用enDYNA软件建立了精确的CY6D180柴油机模型，平均建模误差在10%以内。并在此基础上设计了一种节气阀配合EGR阀的EGRITH两阀联合稳态空燃比控制器，经离线、硬件在环两步仿真调试验证了控制效果，理想进气量跟踪曲线的最大超调量控制在5%以下。针对重型柴油机瞬态工况下碳烟排放性能恶化的问题，研究首先以直流电机驱动EGR阀关阶跃响应特性和基础样机瞬态工况下的发动机性能及排放特性为参考，研究了基于稳态排放优化原则引入EGR后的发动机瞬态特性，得出结论：EGR率的瞬态排放响应明显区别于稳态，采用稳态优化EGR率作为瞬态过程的控制目标，会导致EGR率在瞬变过程中出现严重的超调、空燃比急降，引发的油气混合比例及效果恶化，最终会导致碳烟排放急剧上升。依据上述台架试验分析成果，提出了一种引入EGR后优化发动机瞬变性能及排放的策略，即通过关开EGR阀和节气阀对重型柴油机瞬态空燃比进行闭环控制。并且，与三档定时长关开EGR阀和节气阀的瞬态控制方法排放效果进行了比较，结果表明：本文设计的瞬态空燃比控制方法在保证烟度排放值在3.5%限度内的情况下，NOx排放的恶化程度也不超过稳态工况点的10%。基于稳态空燃比控制算法以及瞬态空燃比控制策略，研究了控制器稳瞬态切换的问题，提出了全工况空燃比的精确控制算法。并且，在实机台架环境下做了全工况空燃比控制排放效果的测试，与稳态EGR优化后的EGR阀节气阀开度MAP控制方法进行的比较结果表明：消光烟度最大值控制在2.5%以下，同时NOx排放值仅比两阀优化MAP控制方法平均高出10%左右。