增压直喷是实现汽油机节能减排的有效技术措施。然而汽油机增压后,在低速大负荷工况出现了一种新的非正常燃烧现象,被称为低速早燃。低速早燃能够形成不同强度爆震,包括无爆震、普通爆震和超级爆震。其中,超级爆震由于具有极高的缸内爆发压力和压力振荡强度,导致发动机性能下降的同时极易造成发动机结构损坏,如火花塞电极熔断、气门烧蚀和活塞击穿等。低速早燃具有偶发性和间歇性,无法通过推迟点火时刻有效抑制,已经成为增压直喷汽油机亟待解决的重要问题。已有研究表明,润滑油是诱发低速早燃的重要原因,但其量化分析和可视化研究仍相对较少,特别是早燃形成不同强度爆震的机理仍不清楚,且缺少有效的抑制手段。本文以增压直喷汽油机低速早燃现象作为研究对象,基于热力学发动机和光学发动机,采用试验与理论计算相结合的方法,深入研究了低速早燃形成及早燃导致不同强度爆震机理,基于此提出了二次喷射分层燃烧和乙醇汽油复合喷射的低速早燃抑制策略,在有效减少早燃频次、降低爆震强度的同时提升了发动机性能。首先,基于热力学发动机,提出了新的早燃频次计算方法,揭示了喷油策略对润滑油诱发低速早燃的影响规律并量化了润滑油和早燃关系。低速早燃频次常被等同于超级爆震频次,而已有研究表明低速早燃可导致不同强度爆震,无法仅通过缸内爆发压力准确识别早燃。针对该问题,本文采用着火时刻作为早燃判据,提出了基于样本异常值检测的早燃频次计算方法。对连续循环的着火时刻进行统计分析,早燃循环相对正常燃烧可被视为异常值,通过样本中位数和中位数标准偏差检测潜在异常值数量,从而计算早燃发生频次。该方法既可提高早燃频次计算的准确性,又能应用于不同试验工况,具有很好的通用性。基于该方法,本文量化了燃油喷射策略,包括燃油喷射方式、喷油器类型和喷油时刻对低速早燃频次及强度的影响规律。研究结果表明,缸内直喷的燃油冷却效应有利于降低早燃频次,相对气道喷射时早燃频次可降低20%以上,且对应的爆震强度有所减小;随着喷雾惯穿距增大或喷油时刻推迟,燃油碰壁加重并导致润滑油更容易窜入到燃烧室,早燃频次增加,但爆震强度没有明显变化。基于此进一步设计了润滑油缸内直喷系统,实现了可控的、可重复的早燃试验工况。通过改变润滑油窜入燃烧室的时刻、质量及稀释程度,研究了低速早燃的形成条件。试验结果表明,润滑油在燃烧室内自燃受其破碎、蒸发的物理过程和化学过程共同控制,当润滑油窜入燃烧室的时刻推迟到一定程度或润滑油质量降低及稀释到一定程度时,均无法形成早燃。然后,基于光学发动机,设计了润滑油诱发低速早燃可视化试验,揭示了早燃及其导致不同强度爆震的燃烧过程。通过向燃烧室高温区域喷射润滑油,观测到润滑油自燃概率可达75%以上,其中润滑油先于火花点火时刻自燃诱发低速早燃的概率约为20%。润滑油液滴自燃相对于火花点火形成的火焰发展更快,其对未燃混合气的加热和压缩使得末端混合气自燃倾向增强。早燃诱发爆震时,观测到近壁面处或火焰锋面前方发生了“热点”自燃,导致剩余未燃混合气被快速消耗,剧烈的热释放在缸内产生高频压力振荡。可视化结果表明早燃火焰传播诱发未燃混合气自燃是低速早燃导致爆震的必要条件。同时观测到高频压力振荡能够引发润滑油释放到燃烧室,由此推测早燃源被消耗是超级爆震具有“自清洁性”的原因。最后,结合理论计算,建立了爆震强度与未燃混合气能量密度和化学反应活性指示参数的量化关系,提出了调控爆震强度的技术途径,以此为指导开展了低速早燃抑制策略试验研究。基于试验数据和放热分析获取未燃混合气自燃时刻的压力和温度,计算了不同初始条件下自燃形成的燃烧模式。结果表明,超级爆震属于发展中的爆轰,而普通爆震和无爆震则属于亚声速爆燃模式;进一步采用未燃混合气能量密度和自燃化学反应活性区分不同强度爆震模式,发现减小末端未燃混合气能量密度、延长自燃时间,超级爆震有向普通爆震和无爆震转变的趋势。基于此,提出了采用二次喷射分层燃烧和引入高辛烷值乙醇燃料两种策略降低未燃混合气的能量密度和反应活性,两种策略均能减少80%以上早燃频次,消除早燃形成的爆震,同时提高发动机性能。