全球化石燃料短缺和温室效应的加剧,对碳排放提出了新的要求。面对不断降低的碳排放指标,占有较大碳排放比重的车辆发动机减排将是亟待解决的问题。发动机小型强化技术能够有效提升热效率,从而降低碳排放。随着强化程度的提高出现的爆震与超级爆震现象成为制约发动机热效率的进一步提升的突出瓶颈。本文针对与爆震密切相关的自燃及燃烧模式转变现象,通过数值模拟及实验研究,从自燃、压力波与火焰相互作用的角度,揭示压力波对自燃的影响以及自燃引发的燃烧模式转变机理。研究结果可为抑制爆震并提升热效率提供有效的理论基础和技术手段。首先,通过Fluent模拟了二维封闭空间中近似内燃机工况下的压力波与火焰相互作用以及压力波诱导下的末端自燃。发现压力波通过改变未燃气体的流速使火焰加速或减速,压力波穿过火焰面时得到加强;压力波在燃烧室内的传播和反射能够促进末端气体自燃,末端气体的不同温度梯度分布引发的自燃会导致不同强度的压力波动。此外,基于敏感性分析探究了末端气体自燃时的化学动力学过程,发现压力波的入射与反射作用使得基元反应的竞争和促进关系发生改变,导致不同点火延迟。其次,通过一维数值模拟开展不同初始条件对氢气/空气在封闭空间中的自燃和火焰传播模式转变的研究。在不同初始条件下,出现了亚声速爆燃、爆轰及超声速爆燃等燃烧模式。为了分析不同燃烧模式与未燃气体自燃的关系,引入了自燃进程的概念,通过监测自燃进程的变化来判断燃烧模式转变时末端及火焰前锋处的自燃状况,发现压力波能够显著提升末端及火焰前锋处混合气的温度和压力,促进自燃;末端和火焰前锋处的自燃均能引发燃烧模式的转变,其最终形式由自燃进程的大小及其梯度共同决定。第三,进一步研究了由混合气温度梯度引起的自燃火焰及其产生的压力波对燃烧模式转变的影响。模拟了火焰在存在温度梯度的混合气中的传播,首先观察到超声速爆燃与爆轰之间的相互转变,通过自燃火焰速度与C-J速度关系的研究,发现自燃驱动下的火焰传播速度与C-J速度的关系以及未燃气体的点火延迟决定了超声速爆燃与爆轰之间的转变方向。进而,研究了爆轰向亚声速爆燃的转变,通过监测爆轰波的结构特征在传播过程中的变化,发现激波后气体的活性不足是导致爆轰波退化的原因之一;通过统计不同当量比及初始压力下爆轰波的退化位置所展现出的规律,说明爆轰波向亚声速爆燃转变是未燃混合气能量密度及反应活性等因素共同作用的结果。最后,为探究和验证燃料自燃特性及其对燃烧模式转变的影响,设计开发了具备开展自燃及爆震燃烧实验条件的快速压缩机实验平台。通过开展氢气/空气混合气压燃实验并进行分析,验证了快速压缩机具有足够短的压缩时间、较好的压缩过程重复性,并且能够实现高温高压的上止点状态。在此基础上,探究了能量密度与火焰速度对燃烧时压力振荡幅值的影响,通过开展不同初始压力及当量比下的氢气/空气混合气实验,发现较快的火焰速度能够产生压力振荡,但由于能量密度较低,压力振荡幅值较低。为进一步研究高能量密度对压力振荡的影响,采用丙烷/空气混合气开展实验,结果显示,虽然丙烷火焰速度较低,其较高的能量密度及火焰的压缩使末端气体自燃时能够产生较强压力波。通过采用环槽活塞以加速丙烷火焰,发现加速后的火焰可产生更强的压力振荡。由此推断,火焰的加速提升了末端气体的能量密度及自燃倾向,导致自燃后导致更强的压力波甚至爆轰波的出现。对不同初始压力下的丙烷/空气混合气的燃烧过程进行了光学测试。随着初始压力的升高,分别出现了正常燃烧、轻微爆震、弱爆震及超级爆震的现象。将拍摄的图像与压力曲线数据结合分析,发现随着能量密度的提升,自燃倾向越大,自燃形成的压力波强度也越高。自燃火焰的超声速传播导致压力波在火焰面前方的汇聚,最终导致DDT,形成的C-J爆轰波,形成高压力峰值的超级爆震现象。