伴随着能源危机加剧和环境污染恶化，节能与减排已成为当今时代的主题。柴油机因热效率高、可靠性好等优点已成为交通运输和电力设施的主要动力，然而，其NO_x和soot排放对环境和人类健康具有重要影响，并且它们之间存在trade-off关系。本文从研究核心边界条件对柴油机燃烧的影响规律的角度出发，通过优化这些核心边界条件使混合气燃烧时尽量避开NO_x和soot生成区域，从而改善柴油机NO_x和soot排放的trade-off。针对煤直接液化柴油低十六烷值、低硫含量、低芳香烃含量和低蒸馏温度的特点，采用煤直接液化柴油替代石化柴油，并优化喷油参数和EGR率进一步改善柴油机NO_x和soot排放的trade-off关系，从而实现高效清洁燃烧。本文以一台批产CA6DL2-33E3F柴油机为原型机，采用电控共轨燃油系统替代直列泵燃油系统，对进排气系统、燃烧系统、缸盖等也进行了改造，并安装了关键参数测试设备，从而建立了柴油机燃烧测试系统。建立了喷油规律测试试验台，并测量了冲击喷油嘴和传统喷油嘴的喷油规律，试验结果表明：提高喷油压力可以提高最大喷油速率，当循环油量相同时，提高喷油压力可以缩短喷油持续期；最大喷油速率随喷油脉宽增大先升高然后基本保持不变；与传统喷油嘴相比，冲击喷油嘴具有高的喷油速率、短的喷油持续期，这增加了在混合气着火前将循环油量全部喷入缸内的可能性。建立了喷雾特性测试试验台并利用Matlab软件编程开发了喷雾照片处理程序，测量了冲击喷油嘴和传统喷油嘴的喷雾宏观参数，试验结果表明：随背压增大，两种喷油嘴的喷雾贯穿距离都减小、喷雾锥角都增大、喷雾投影面积和喷雾体积都减小。随喷油压力增加，两种喷油嘴的喷雾贯穿距离、喷雾锥角、喷雾投影面积和喷雾体积都增大。与传统喷油嘴相比，冲击喷油嘴的喷雾贯穿距离短、喷雾锥角大、喷雾投影面积和喷雾体积小。在建立的燃烧测试系统上研究了燃烧系统参数对柴油机燃烧的影响。试验结果表明：为降低NO_x到较低排放水平，必须采用较高EGR率；低压缩比敞口燃烧室比缩口燃烧室更有利于改善缸内混合气的形成质量，从而改善柴油机NO_x和soot排放的trade-off，并且有利于改善HC、CO排放以及BSFC性能；传统喷油嘴更有利于改善柴油机燃烧中NO_x和soot排放的trade-off，这是因为冲击喷油嘴的贯穿距离短于传统喷油嘴，与敞口燃烧室不完全匹配，造成其缸内油气混合相对不均匀；提高喷油压力可改善油气混合过程和缩短喷油持续期，然而，在低负荷时过高喷油压力可能导致缸内局部区域混合气过稀，从而引起不完全燃烧，因此，低负荷时喷油压力不宜过高，高负荷时可以适当提高喷油压力；采用上止点附近的晚喷油策略控制混合气燃烧相位，使柴油机在相对高负荷时可以避免粗暴燃烧。结合低压缩比敞口燃烧室和大量冷却EGR，以及最佳的喷油参数，可以实现较理想的柴油机高效清洁燃烧。在优化喷油嘴—燃烧室结构参数、喷油参数和EGR率实现了较理想的高效清洁燃烧以后，针对煤直接液化柴油具有低十六烷值、低硫含量、低芳香烃含量和低蒸馏温度等特点，本文采用煤直接液化柴油替代石化柴油，在柴油机燃烧测试系统上进行了喷油参数和EGR率对柴油机燃烧的影响规律，并优化喷油参数和EGR率来进一步改善柴油机NO_x和soot排放的trade-off。试验结果表明，与石化柴油相比，煤直接液化柴油可使柴油机在低EGR率下实现预混合燃烧模式；煤直接液化柴油的NO_x排放随EGR率的变化率与石化柴油接近，但前者的碳烟排放随EGR率的变化率远小于石化柴油；煤直接液化柴油可进一步改善柴油机NO_x和soot排放的trade-off。与原机相比，新机各试验工况NO_x和soot排放同时降低，尤其在25%和35%负荷，NO_x和soot排放下降幅度都超过50%，并且BSFC没有显著升高。而且原机最大增压比达到2.6，满足国Ⅲ排放标准。这可见效果显著。本文采用AVL-Fire软件模拟柴油机燃烧过程，计算结果进一步验证了敞口燃烧室更有利于缸内油气混合，从而改善NO_x和soot排放的trade-off。