与日俱增的能源需求和日益严峻的环境污染问题使节能减排成为现代内燃机产业可持续发展战略下的重大挑战。含氧燃料作为极具发展潜力的清洁代用燃料因其良好的物理化学性质受到相关学者的关注与研究。由于压燃式发动机采用扩散燃烧方式,缸内不可避免地会形成高温富氧区和高温缺氧区,为实现柴油机高效清洁燃烧的控制目标,NO_x与soot排放此消彼长的矛盾关系成为柴油机亟待解决的问题之一。本研究将含氧燃料自携氧的燃料特性与分层EGR区域梯度分布的特点相结合,从燃料氧与环境氧协同作用的角度合理分配缸内工质组分的时空分布,旨在提高燃料的燃烧效率,改善柴油机NO_x与soot排放的“trade-off”关系。在保证缸内循环总热值相同的情况下,正丁醇/柴油采用掺混喷射方式与双喷射方式均对发动机的燃烧及排放具有显著影响。在燃烧方面,两种正丁醇喷射方式均能够增加预混合燃烧量,压力升高率峰值和放热率峰值升高。随着正丁醇比例的增加,掺混喷射方式的滞燃期逐渐延长,放热重心和燃烧相位相对靠后,指示热效率有所降低;双喷射方式的滞燃期受正丁醇比例影响较小,放热重心随预混合燃烧量的增加逐渐提前,指示热效率逐渐升高。在排放方面,两种正丁醇喷射方式均有利于提高缸内混合气的均匀程度,随着正丁醇比例的增加,两种正丁醇喷射方式的NO_x排放均有升高,soot排放明显降低,HC排放有所恶化,CO排放得到改善。双喷射方式的soot与CO排放优于掺混喷射方式,但NO_x和HC排放相对较差。此外,EGR技术可以有效解决正丁醇在两种喷射方式下压力升高率峰值较高与NO_x排放恶化的问题。对比两种正丁醇喷射方式,双喷射方式的燃烧特性受EGR影响较小,其在EGR作用下的燃烧与排放综合效果优于掺混喷射方式。两种正丁醇喷射方式的原始排放物演变历程较为相似,燃烧初期soot主要集中于活塞凹坑与缸壁附近,燃烧中后期逐渐向气缸中心扩散,NO_x主要分布在soot外围适宜的当量比与高温区域,CO生成区域与混合气浓区大致相同,未燃HC主要出现在燃烧后期活塞与缸盖间的狭缝区域。相比于正丁醇掺混喷射方式,双喷射方式的污染物生成时刻较早,NO_x质量浓区面积较大,soot和CO的后期氧化相对较快。螺旋气道加板与切向气道加板EGR引入方式可以在缸内形成“中心浓周侧稀”和“周侧浓中心稀”的废气浓度分布。对比研究了正丁醇在均质EGR与两种分层EGR策略下的燃烧及排放特性,结果表明:正丁醇在均质EGR与分层EGR策略下的燃烧特性差异较小,两种喷射方式在螺旋分层EGR策略下的滞燃期略有延长,其中双喷射方式的指示热效率略有升高,掺混喷射方式因燃烧相位延后,指示热效率稍有降低。在排放方面,与均质EGR情况相比,两种正丁醇喷射方式在螺旋分层EGR策略下的soot排放均明显降低,NO_x排放有所升高,不完全燃烧产物HC和CO排放降低,正丁醇与螺旋分层EGR协同作用可以改善柴油机NO_x与soot排放的“trade-off”关系。切向分层EGR策略的排放规律与螺旋分层EGR策略相反,其对NO_x与soot排放的矛盾关系没有改善作用。边界条件对正丁醇含氧燃料耦合分层EGR的排放特性具有较大影响。较晚的燃油喷射时刻与较大的进气压力会减小正丁醇在均质EGR与螺旋分层EGR策略下的排放差异,削弱其对NO_x与soot排放“trade-off”关系的改善作用。