分层EGR技术可灵活控制缸内氧气浓度的空间分布,通过合理控制缸内氧浓度及其分布形式,能够在不引起微粒排放增加的前提下降低NOx排放。同时,大量研究表明,使用含氧燃料可以大幅降低柴油机碳烟排放。因此,本文利用不同分子结构的含氧燃料与缸内氧浓度分布形式相结合,试验研究含氧燃料(燃料氧)与缸内氧浓度分层(环境氧)复合作用机制对压燃式发动机稳态及瞬态工况下燃烧和排放物生成的影响规律,揭示缸内活化分层对燃烧及颗粒物生成的影响规律和作用机制,探索压燃式发动机实现高效清洁燃烧的途径。本文以四气门高压共轨柴油机为试验原机,通过对进气系统进行改造,优化进气条件,开发了分层EGR控制系统,建立了发动机分层活化可控压燃燃烧及排放特性测试平台,从而实现缸内氧浓度分布形式和燃烧的主动控制和调节。利用CFD仿真分析得到了缸内排放物原始生成场和目标废气引入方式。在此基础上,试验探究了不同氧浓度分布形式对柴油机燃烧与排放物的影响规律。结果表明,与均质引入废气方式相比,采用螺旋气道加导管的废气引入方式在缸内形成的氧浓度分布形式使得缸内最高燃烧温度有所降低,且在一定的缸内氧浓度范围下能够实现保证热效率的同时降低NOx和微粒排放,其中,在缸内氧浓度为19.55%时消光烟度最大降低约10%,NOx排放最大降低约15%。利用含氧燃料与氧浓度分层相结合,深入研究了含氧燃料与氧浓度分层共同作用对燃烧及排放物生成的影响规律。研究发现,氧浓度分层有利于抑制燃用正丁醇/柴油含氧混合燃料导致的缸内燃烧温度升高及NOx增加的趋势。在氧浓度分层与含氧燃料共同作用下,适宜的缸内氧浓度可以缓解柴油机NOx和碳烟的“trade-off”关系,实现两种排放物的同时降低。其中,在氧浓度分层和含氧燃料的共同作用下,缸内氧浓度在19.55%-20.77%时,B15燃料在大负荷下的消光烟度相对柴油降低60%以上,NOx排放降低10%以上。同时,氧浓度分层也有利于抑制燃用正丁醇含氧燃料引起的核态微粒和总微粒数量的增加趋势,并进一步降低积聚态微粒数量。最终在含氧燃料与氧浓度分层协同作用下,实现微粒总质量和积聚态微粒数量的同时降低。其中,大负荷下的微粒总数降低20%以上,积聚态微粒降低60%以上。对于含氧量相同而氧键合形式不同的含氧混合燃料,其对缸内燃烧及排放的影响程度存在一定差异。与B15燃料相比,D05燃料对碳烟排放的降低效果更明显,其能获得更低的碳烟和NOx排放。含氧燃料和氧浓度分层共同作用下,与柴油和B15燃料相比,大负荷下燃用D05燃料可以在较大的缸内氧浓度范围下实现微粒质量和数量排放以及NOx排放的同时降低,且其对积聚态颗粒排放的改善作用超过80%。试验研究了含氧燃料与缸内氧浓度分层协同控制对瞬态工况燃烧及排放的影响规律。结果表明,在不同加载速率的恒转速增转矩瞬变过程中,氧浓度分层有利于改善瞬态燃烧过程,缓解瞬态工况下碳烟排放大幅增加的问题。燃用含氧燃料可以有效改善瞬态工况下燃烧恶化问题,使得瞬态加载后期积聚态微粒峰值明显降低,且随着加载速率的增大效果更明显。氧浓度分层在降低瞬变过程中积聚态微粒数量排放的同时,也有利于抑制柴油加入含氧燃料后核态微粒排放的升高。最终在含氧燃料与氧浓度分层协同控制下,实现瞬变过程中微粒总质量和微粒数量排放的同时降低。在5S加载过程中,含氧燃料与氧浓度分层共同作用下使得D05燃料的消光烟度峰值相对柴油降低45%,积聚态微粒峰值降低70%,NOx排放和核态微粒数目基本不变。