自燃是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象,对火焰传播和燃烧模式转变等起着非常重要的作用。现代汽油机在小型强化趋势下对缸内平均有效制动压力的要求不断提高,这使得汽油机发生异常燃烧现象的可能性显著增加,如爆震和超级爆震。从本质上讲,这些异常燃烧现象都是由热点(或冷点)自燃引发的、混合气发生剧烈燃烧、并伴随局部压力突变和压力波(或冲击波)传播的复杂燃烧过程。尽管国内外围绕汽油机爆震燃烧和混合气自燃等内容开展了广泛研究,但是从混合气发生自燃到最终形成爆震之间的燃烧过程和强压力波的产生机理仍然不明确,这是限制研究者清楚理解爆震燃烧机理和解决爆震现象的关键科学问题。因此,本文从基本燃烧理论出发,针对发动机工作条件下的燃料自燃特性及其对燃烧过程的影响进行了深入的研究。研究结果将有助于理解发动机异常燃烧现象的形成机理,为实际燃烧动力装置的优化和调控提供重要的理论支撑和工程指导。首先,从汽油机爆震的基本燃烧现象出发,初步探究了自燃和爆震燃烧的影响关系。基于三维数值模拟建立了汽油机爆震燃烧仿真平台,分析了爆震时缸内高频压力振荡的产生机理以及末端气体自燃和爆震燃烧的影响关系,研究了关键参数冷废气再循环(EGR)、进气增压和压缩比及三者协同作用对汽油机爆震燃烧特性的影响。研究结果表明:本文所建立的三维数值仿真平台能够准确模拟汽油机爆震燃烧过程,包括瞬时缸内压力、压力振荡及其频率分布特性;与其他压力产生源项比较,末端气体自燃化学反应对压力振荡的贡献最大;通过缸内压力振荡的起点和幅值等特性能够准确获得末端气体自燃和发动机爆震燃烧之间的影响关系;提高进气增压和压缩比能够显著改善发动机动力性,但会造成缸内高频压力振荡,从而产生强烈爆震;由于EGR的热力学作用和稀释作用能够很好地控制燃烧过程,通过引入适量的冷EGR参与燃烧能够在不显著影响发动机动力性的前提下有效降低发动机爆震强度。其次,从燃料的自燃特性出发,讨论了低温自燃和高温自燃的化学反应机理,分析了燃料性质、流场参数及其不均匀性对不同燃料自燃特性的影响,结合燃烧化学理论提出了快速准确求解两阶段自燃滞燃期的方法,对原始Livengood-Wu积分假设进行了理论分析、并基于HCCI发动机的低温和高温自燃发生时刻对两阶段Livengood-Wu方法的适用性进行了验证。研究结果表明:大分子碳氢燃料受负温度系数(NTC)的影响表现出明显的两阶段自燃过程;标准参考燃料的辛烷值与低温化学反应特性存在更为密切的关系,单纯辛烷值指标不能准确衡量燃料的自燃滞燃期;H2和NOx作为添加气体对低温自燃和高温自燃的影响呈现相反关系;低温自燃特性与流场初始参数之间存在密切关系,根据这些特点并结合燃烧化学理论提出了快速求解两阶段自燃滞燃期的arrhenius型经验公式;流场中混合气的温度、压力和当量比的不均匀性都会对自燃火焰传播特性产生重要影响,但是不同参数的不均匀性对自燃火焰传播的影响关系不同;理论分析表明livengood-wu积分方法并不严格局限于零阶化学反应过程,并且在一定的工况范围内,无论自燃发生在压缩冲程还是膨胀冲程,本文所提出的两阶段livengood-wu积分方法都能准确地预测到hcci发动机低温和高温自燃的发生时刻。第三,基于一台可视化定容燃烧弹和可控加热装置开展了末端气体自燃对初始自燃火焰传播特性及燃烧过程影响的试验研究。研究结果表明:所设计的可控加热装置能够稳定地控制混合气加热过程,从而实现了不同条件下可燃混合气可控自燃的目的;与火花点燃的初始火焰前锋相比,自燃火焰前锋受到周围混合气初始自燃反应的影响,其初始火焰传播速度高达上百米每秒;与正常燃烧过程相比,末端气体自燃能够大幅度提高缸内压力升高率和最大爆发压力,缩短燃烧持续期,从而强化了整个燃烧过程;但剧烈的末端气体自燃化学反应会激发局部压力突变,产生压力波或者冲击波,造成缸内压力振荡现象,而且初始压力越高,压力振荡越剧烈。第四,基于一维数值模拟深入研究了燃料的单、两阶段自燃以及添加气体对稳态火焰结构、火焰传播速度和燃烧模式的影响,对比分析了有限封闭燃烧空间中单、多热点自燃对瞬态燃烧过程的影响,深入探索了火焰传播、自燃和压力波相互作用对爆震燃烧过程中自燃的产生机理、发展模式和爆震强度等的重要作用。研究结果表明:初始自燃反应对火焰前锋传播速度和燃烧模式具有重要影响,随着初始自燃反应程度的增加,流场的输运特性对火焰传播的控制作用逐渐被燃料的化学反应所取代,使得火焰传播速度显著增加,燃烧模式从缓燃向瞬间自燃(spontaneousignition)转变;火焰传播也会受到ntc的影响而表现出冷火焰和高温火焰两阶段火焰前锋特性,并且在初始自燃反应和ntc特性的影响下,火焰前锋传播速度会出现加速现象;h2能够显著抑制低温自燃而促进高温自燃,并在一定范围内有效抑制燃烧模式的转变;单热点和多热点自燃在本质上没有区别,但在多热点自燃条件下存在多个火焰前锋和压力波的相互传播,这使得整个燃烧过程极不稳定,在流场多处产生较强的局部压力突变;发动机爆震是一个涉及火焰传播、自燃和压力波相互作用的复杂燃烧过程,随着初始温度的增加,火焰传播速度明显提高,自燃发生位置逐渐从末端壁面附近向主火焰前锋处转移,这是由于燃烧过程产生压力波扰动所导致的热力学不均匀性促使末端混合气发生自燃,而压力波和火焰结构的相互作用也会促使火焰预热区内局部混合气发生自燃,随后自燃火焰前锋和压力波相互作用使得燃烧模式从缓燃状态向爆轰(Detonation)模式转变;自燃和火焰传播过程都会受到NTC化学反应的影响而表现出二阶段燃烧特性,随着初始温度在NTC区域增加,自燃位置从火焰前锋处逐渐向末端壁面附近转移,伴随着明显的燃烧模式和爆震强度的变化;处于NCT区域内的自燃能够产生以超声速传播的爆轰波,而即使处于相同燃烧模式下的自燃可能造成的爆震强度有所不同;另外,热爆炸模式相对于爆轰模式下的爆震强度要小。