内燃机作为现代汽车的主要动力装置在世界范围内得到了广泛的应用，在推动社会经济发展的同时也给能源与环境造成巨大的压力。随着世界各国排放法规与油耗标准的逐渐加严，柴油机以其热效率高、燃油消耗率低、CO2排放低等优势，受到消费者及内燃机生产商的青睐，其技术也朝着近零排放、超低油耗、高功率密度的更高目标发展。为了改善柴油机的综合性能，采用先进的二级增压技术，实现高增压甚至超高增压，增加进入气缸的新鲜充量，允许喷入更多的燃油提高发动机的升功率，由于增加了进气流量，改善了缸内燃烧状况，柴油机燃油消耗率及排气烟度均得到有效降低。二级增压系统高、低压级涡轮能量分配通过废气旁通阀进行调节，有利于实现全工况范围的优化。此外，通过采用二级增压技术增加进气充量，可在一定程度上增大缸内氧浓度，能够为引入EGR进一步降低NOx提供良好条件。本文针对某重型6缸直列柴油机，建立并进一步完善了EGR系统，试验对比研究了单级增压与二级增压燃烧及排放性能，并通过改变进气中引入的EGR量，研究EGR对二级增压柴油机性能、燃烧及排放的影响规律，确定了实现发动机高效低排放的最优EGR控制方案。研究结果表明，二级增压系统可以提高柴油机低速全负荷工况的动力性，同时有助于改善其中、低转速全负荷工况下的燃油经济性。随着转速的升高，二级增压柴油机比原机单级增压更快到达更高效的空燃比区域（25-30），从而在这区域获得较低的燃油消耗率。柴油机采用二级增压可以显著降低CO和微粒的比排放量，且HC排放量的下降幅度可达44%。由于二级增压能够大幅度提高柴油机的进气量和空燃比，采用EGR系统能够采用更高的EGR率，随EGR率增加，柴油机缸内爆发压力明显下降，放热率峰值与滞燃期基本不变。在排放方面，二级增压柴油机烟度值随EGR率的增加上升幅度较小，NOx排放下降的空间更大，在c50工况点，经优化后确定的EGR率为20%，NOx下降的幅度达到70%，Soot值上升幅度较小，HC排放基本不变，CO排放也在可接受范围内。在试验研究的基础上，本文应用GT-Power发动机仿真软件对加装高压EGR系统的二级增压重型柴油机作进一步的优化匹配研究工作。模拟计算结果显示，通过对废气旁通阀控制策略的优化，重新分配各工况下高、低压级涡轮排气能量，能够使柴油机在中、低转速外特性工况下的有效燃油消耗率进一步降低，转矩有所提高，有利于提升柴油机的综合性能；通过级间中冷器对低压级压气机出口空气进行冷却，可以改善高压级压气机的工作效率，从而提高柴油机的经济性和动力性，且高负荷工况下的二级增压柴油机经济性的改善效果比低负荷工况下更为显著。