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碳烟颗粒排放是缸内直喷（GDI）汽油机排放控制的重点和难点,研究降低GDI汽油机碳烟颗粒排放的控制策略,发展详细和通用的汽油替代燃料燃烧生成多环芳香烃（PAHs）的化学反应动力学机理以及碳烟颗粒生成机理和模型具有重要的理论意义和现实意义。本文采用试验研究、化学反应动力学机理与计算流体动力学（CFD）耦合的数值模拟相结合的方法,对GDI汽油机碳烟颗粒及PAHs排放的生成机理进行了实验和数值模拟研究。本文首先自主设计了一个适用于GDI汽油机尾气PAHs和碳烟颗粒收集的取样装置,在一台增压GDI汽油机上进行了PAHs和碳烟颗粒排放的试验研究。采用气相色谱质谱联用技术（GC-MS）对GDI汽油机尾气中的PAHs进行了检测分析,采用场发射透射电子显微镜（TEM）对碳烟颗粒的微观形态和基本碳粒子的微观结构进行了观测。实验结果表明:GDI汽油机尾气中存在气相和颗粒相两种类型的PAHs,气相PAHs主要包含A2A3的小环PAHs,颗粒相PAHs主要包含A5A6的大环PAHs,A4同时存在于气相和颗粒相PAHs中,A2萘的浓度是最高的,与颗粒相PAHs相比高出23个数量级。PAHs的变化规律和碳烟颗粒的变化基本一致;通过分析颗粒相PAHs和基本碳粒子的微观结构,确定大环PAHs（A4）是形成GDI汽油机尾气中碳烟颗粒的关键诱导物质。提高喷油压力、引进EGR和适当推迟点火时刻,可以显著降低GDI汽油机尾气中的PAHs和碳烟颗粒的排放,是降低GDI汽油机碳烟颗粒排放的有效措施之一。本文构建了甲苯参比汽油替代燃料生成PAHs的TRF-PAHs半详细化学反应动力学机理（包含219种物质和1229个反应）,并利用滞燃期、层流火焰速度、预混和对流扩散火焰中关键物质组分浓度等多种试验数据对其进行了广泛验证。验证结果表明,TRF-PAHs半详细化学反应机理可以很好的预测单组份燃料(正庚烷n-C7H16、异辛烷i-C8H18、苯C6H6和甲苯C6H5CH3)、甲苯参比汽油替代燃料TRF以及汽油在不同发动机缸内条件下的着火滞燃期和层流火焰速度,可以很好的预测正庚烷、异辛烷和苯预混火焰中燃料的消耗以及CO和CO2终产物、关键物质组分（C2H2、C2H4和C3H6）和PAHs的摩尔分数变化历程,还可以很好的预测碳烟生成火焰（SF）和碳烟生成/氧化火焰（SFO）两种类型对流扩散火焰中添加甲苯引起的生成PAHs的“协同效应”,同时明确了影响滞燃期、层流火焰速度、苯环形成和消耗以及引起PAHs“协同效应”的主要反应路径。随后本文在TRF-PAHs半详细机理的基础上发展了一个可以耦合CFD计算的TRF-PAHs简化化学反应动力学机理（简称P.AN机理,包含85种物质和232个反应）。P.AN机理通过了激波管、层流火焰速度以及正庚烷、异辛烷燃烧火焰中关键物质组分（C2H2、C2H4和C3H6）和PAHs实验数据的验证,还通过了GDI汽油机CFD耦合P.AN机理的缸内燃烧以及PAHs排放的模拟计算验证,计算的缸内压力、PAHs浓度与试验结果在数据和趋势上吻合很好。最后使用CFD计算程序CONVERGE耦合TRF-PAHs简化机理,采用详细碳烟模型对碳烟颗粒的形成过程进行多维数值模拟,碳烟颗粒模型包含碳烟颗粒初始成核、PAHs凝结、碳烟表面生长、氧化和碳烟颗粒团聚等过程。该碳烟颗粒模型能很好的预测GDI汽油机尾气中的碳烟排放,利用该碳烟颗粒模型对碳烟及其相关中间产物的生成过程进行了预测。计算结果表明:颗粒数密度的分布区域与前驱物A4及表面生长物质C2H2的分布基本一致,C2H2引起的碳烟表面生长过程以及前驱物A4引起的成核反应共同决定着碳烟颗粒质量的增长和分布。