爆震是伴随着内燃机诞生以来就一直存在的一种非正常燃烧现象。当爆震演变到烈性时,常常造成活塞等关键部件的损坏。针对传统爆震进行的研究表明,爆震的发生往往是由‘端气’自燃引起,为了避免爆震带来的破坏性后果,科技工作者们用诸如提高辛烷值,推迟点火时刻,废气再循环等方法抑制爆震的发生,取得了很好的效果。但是随着对节能减排要求的逐渐严苛,内燃机逐渐被强化,缸内热力学状态变得越来越严峻,燃烧在大负荷工况下变得越来越难控制,从而出现了具有破坏作用的烈性爆震。特别是发动机小型化对内燃机的压缩比和增压压力不断增加,使得缸内热状态随之升高,出现了一种新型的被称之为“超级爆震”的异常燃烧现象。一旦该种爆震伴随爆轰生成,极易转为有破坏力的烈性爆震。除此之外,新的燃料及燃烧技术的引入同样可能会导致烈性爆震的发生。而普通爆震一旦转化成烈性的,即可在短时间内摧毁燃烧室零部件,使得发动机无法持续工作下去。因此,可以说,烈性爆震是进一步节能减排的拦路虎,需要科技工作者们进一步探索和防治。然而,尽管人们发现的爆震现象已经久历年,但是烈性爆震如何将活塞等材料破坏以及发生的机理却一直缺少明确的认识。本研究的目的正是为了探索烈性爆震发生及其破坏内燃机零部件的机理,并尝试找到相应的方法去避免烈性爆震的发生并避免爆震波对零部件的破坏,为进一步节能减排消除障碍。根据大量对被烈性爆震损坏的活塞材料分析,发现烈性爆震对活塞的破坏存在力与热的联合作用。基于上述分析结果,本研究提出一个假说,即燃烧室零部件的破坏是由内燃机气缸内的燃气在一定条件下形成爆轰波并产生了汇聚现象的结果。为了验证以上假说,通过实验与数值模拟相结合的方式开展了本项研究。用实验的手段去发现现象,用模拟的手段去解释其背后的机理。为了解封闭空间中压力波的行为,本研究实验上自行设计制造了一套爆轰容弹系统,其封闭内腔模拟内燃机典型的锥顶型燃烧室,用以重现烈性爆震工况下内燃机燃烧室内的爆轰形成及其余波的振荡汇聚情况。作为本研究目标之一,即探明烈性爆震对零部件的破坏作用,本工作在燃烧室中心位置插入高能火花塞,该火花塞可直接点燃一个爆轰波,从而观测爆轰波及其余波在燃烧室内振荡,反射,汇聚的行为特征,借此再现爆震波对燃烧室零部件的破坏过程。作为本工作的另一研究目标,即探究缸内爆轰波形成的诱因,该高能火花塞亦可点燃一个爆燃波,从而观测爆燃的前导激波在缸内振荡及诱发末端混合气强烈自燃的行为特征,再现末端混合气自燃导致的爆轰现象也即烈性爆震的形成过程。两项工作均需获取缸内不同位置及时刻的压力分布,因而在容弹内的四个不同位置处分别安装四个压力传感器,这四个位置分别是活塞中心位置,活塞一半位置,活塞边缘位置,以及传统缸压传感器采集缸压的缸盖位置。通过同步采集这四个压力传感器所测压力信息,记录不同时刻缸内压力分布情况,从而得出压力波在燃烧室内的行为特征,为判断烈性爆震发生与否,爆轰波形成过程,以及燃烧室零部件不同位置受冲击情况提供依据。更进一步地,根据不同需求,设计不同的燃烧室形状并改装在容弹上,从而探讨不同形状对上述结果的影响。为了阐明实验现象背后的爆轰波形成机理及其破坏机理,本研究以实验为依据搭建了一套基于欧拉方程的二维轴对称数值模型。该模型采用AUSM的矢通量格式,三阶的MUSCL空间离散格式,自适应网格以及用于模拟爆轰波的简化化学反应机理来模拟爆轰波的传播以及余波的振荡。通过网格独立性验证,实验对比验证以及爆轰理论验证,该模拟被证明可以正确地阐释烈性爆震下的波动行为及汇聚特征,从而解释实验现象,阐明机理,为抑制爆轰形成,避免爆轰破坏奠定基础。另一方面,本研究为烈性爆震下,缸内的振荡压力场引入并开发了一套基于“法相正交分解”的数学处理方法。通过将大量的数值模拟结果进行“法相正交分解”,可高效得到缸内的主压力分布,识别汇聚模态及汇聚点。研究发现,在烈性爆震工况下,爆轰所导致的缸内压力分布极为不均。受燃烧室形状的影响,会产生缸内余波汇聚现象,使得汇聚点处压力振荡幅值高出其他位置好几倍。波的汇聚会对汇聚点产生超过材料强度的强烈冲击,从而使得汇聚点处的零部件被破坏失效。实验结果表明,锥顶型燃烧室的汇聚往往发生在活塞中心位置和边缘位置,这与内燃机活塞被烈性爆震破坏失效的位置一致。另一方面,研究表明,在烈性爆震发生之前的爆燃前导激波所致的末端压力波汇聚会导致末端混合气出现强烈自燃现象,从而诱发爆轰波,产生烈性爆震。也就是说,压力波汇聚不仅会导致零部件的破坏还会诱发爆轰波,促使烈性爆震的形成。上述实验研究和计算的结果充分证明了,活塞等材料在爆震中被破坏是受爆轰波作用假说的正确性。研究发现,通过改变燃烧室形状,可以有效地避免汇聚现象发生,从而避免烈性爆震的形成以及爆震波对零部件的破坏。具体而言,一是通过适当增大活塞边缘余隙,可以有效避免燃烧室末端的汇聚结构,从而消除末端压力波的汇聚;二是通过在活塞中心挖泄压坑,也可有效衰减缸内压力波的强度,从而缓解汇聚现象。容弹实验证明了,通过优化燃烧室设计和以上改动,可以有效避免烈性爆震的发生及其对零部件的破坏。本研究结果对高强化抗烈性爆震内燃机的燃烧室设计提供重要和具体的指导。