当今世界内燃机行业发展的主旋律是节能与环保。为了实现这一目标,内燃机研究人员研发出了很多非常有价值的技术,其中柴油机的富氧燃烧技术(OEC,Oxygen Enriched Combustion)受到了国内外内燃机研究人员的关注。本文采用试验研究和数值计算相结合的方法,对柴油机富氧燃烧机理和燃烧路径进行了分析研究,为柴油机实现清洁燃烧提供了一定的理论指导。对4100QBZL-2柴油机的进排气系统、燃油供给系统进行改造,实现了不同含氧浓度进气、EGR和水乳化柴油的在线供给。在该柴油机上分别进行了不同浓度富氧燃烧、富氧燃烧协同不同比例EGR和水乳化油的试验研究。同时,运用三维CFD耦合正庚烷氧化反应动力学机理的方法对相应工况下柴油机缸内燃烧进行数值计算。结果表明:富氧燃烧能够提高柴油机的动力性,降低碳烟、CO和HC排放,但会使NOx的排放恶化。采用富氧燃烧协同EGR和水乳化油技术可以降低NOx排放,存在最佳的协同比例使得在保证动力性不被显著影响的前提下,实现柴油机碳烟和NOx的同时降低。从缸内燃烧反应的化学反应动力学机理出发,利用CHEMKIN软件和柴油机三维CFD燃烧模型耦合正庚烷化学反应动力学模型的方法对柴油机富氧燃烧时缸内燃烧的低温、中温和高温反应机理中重要的反应过程进行了分析研究。结果表明:富氧燃烧能够促进正庚烷氧化反应过程中的低温、中温和高温反应的相关机理,正是这些微观机理上的变化导致了燃烧和排放特性上的宏观变化。构建了包含PAH和NOx生成反应机理的正庚烷氧化反应详细模型,应用该模型对富氧燃烧柴油机的燃烧路径进行研究。结果表明:本文所构建的正庚烷氧化反应详细模型具有较高的有效性。柴油机排放物PAH、Soot和NOx受燃烧温度和混合气的氧燃比影响很大。富氧燃烧协同EGR和水乳化油是一项很有发展前景的技术,经过优化可以实现柴油机碳烟和NOx的超低排放。提出了两种富氧燃烧路径控制策略和相应的实施技术措施,为解决富氧燃烧柴油机NOx排放恶化的难题提供了一定的理论指导。