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高效、清洁内燃机技术开发是当前内燃机研究的核心。进气管蒸汽喷射（Intake Manifold Steam Injection,IMSI）是通过内燃机排气将水加热至蒸汽状态,并在内燃机进气管喷入,通过改变缸内燃烧过程以降低内燃机排放污染物。针对IMSI造成发动机动力、经济性下降的不足,论文提出了缸内蒸汽喷射（In-Cylinder Steam Injection,ICSI）方法,以综合提高内燃机的动力、经济以及排放性。论文主要研究工作包括:1、建立了IMSI燃气发动机台架试验系统,研究了IMSI与燃气发动机功率、有效燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption,BSFC）以及不同排放污染物之间的关系,发现IMSI导致充量系数的下降以及后燃,从而造成燃气发动机动力、经济性的下降。2、提出了IMSI方法,并根据喷射阶段,将ICSI分为压缩冲程蒸汽喷射（Compression Stroke In-Cylinder Steam Injection,CSICSI）与做功冲程蒸汽喷射（Power Stroke In-Cylinder Steam Injection,PSICSI）。基于热力学理论,研究了ICSI对燃气发动机工作循环的影响以及水与排气换热的过程,提出了基于内燃机缸内蒸汽喷射的混合工质联合循环。通过燃气发动机热力学模型对联合循环特性开展了研究,包括ICSI喷射量、喷射温度以及喷射时刻的限值及其对发动机动力、经济性影响的基本规律,发现ICSI喷射量和喷射时刻对发动机功率、BSFC具有重要的影响,但是ICSI喷射量受到换热器夹点处最小温差、蒸发器出口处排气温度以及缸内燃烧情况的限制,而ICSI喷射时刻则受到缸内压力的限制;ICSI喷射温度对发动机功率、BSFC的影响极小,但是ICSI喷射温度受到喷射压力的限制。3、除导致热力循环变化外,对于CSICSI,蒸汽对燃气燃烧特性的影响是导致发动机动力、经济以及排放性变化的另一重要原因。基于燃气（包括CH4和C3H8）燃烧详细化学动力学机理建立燃气层流预混火焰模型的基础上,开展了蒸汽对燃气层流火焰传播速度以及燃气燃烧污染物生成影响的研究。针对燃料层流火焰传播速度模型未考虑蒸汽对其稀释项的非线性影响,难以准确预测蒸汽稀释下的燃气层流火焰传播速度的问题,基于试验数据,通过对模型中的温度、压力指数进行修正并引进稀释项指数,建立了适用于蒸汽稀释下的燃气层流火焰传播速度模型。4、基于燃气发动机准维燃烧与排放模型及流体动力学模型,研究了CSICSI以及CSICSI耦合点火提前角对发动机缸内燃烧过程及其性能的影响,发现由于燃气层流火焰传播速度的下降,CSICSI造成主燃期的延长,而点火提前角可以有效调整CSICSI下发动机缸内燃烧相位。根据点火提前角、CSICSI、PSICSI对燃气发动机性能影响的不同特点,提出了点火提前角耦合双阶段ICSI策略,以充分发挥ICSI对发动机节能减排的潜力,仿真结果发现在发动机外特性下,燃气发动机转矩最大提高9.3%,BSFC最大减少8.7%,NO、CO和HC分别最大减少85.3%、57.3%和92.6%。5、基于IMSI燃气发动机台架试验系统,采用等效CSICSI试验方法对CSICSI以及CSICSI耦合点火提前角对燃气发动机节能减排的有效性进行了试验验证。试验结果表明:试验工况下,等效CSICSI下发动机功率最大提高3.7%,BSFC最大减少3.9%,NO最大减少90.3%,CO低于0.02%,HC低于60ppm;等效CSICSI耦合点火提前角下发动机功率最大提高10.9%,BSFC最大减少4.0%,NO最大减少82.0%,CO低于0.01%,HC低于35ppm。