面对越来越严格的节能减排法规,提升车辆内燃机的热效率是亟待解决的问题。小型强化技术（Downsizing）是提升内燃机热效率的有效途径之一,然而随着强化程度的提升,SI发动机发生末端自燃等不正常燃烧现象的趋势明显增加。末端自燃能够导致SI发动机爆震,使得发动机热效率下降,甚至损坏发动机,限制了强化程度的进一步提升。本文以SI发动机中末端自燃为研究对象,基于光学发动机平台结合三维数值模拟,深入研究了主火焰传播对末端自燃及爆震的影响机理,揭示了自燃特性及能量密度与爆震强度的内在关系。基于此,提出了末端异步点火的爆震抑制策略,以及侧置晚喷实现可控自燃提升热效率的手段。本文的主要研究内容和结论如下:首先,搭建了光学发动机实验平台。通过可拆卸活塞结构设计实现了压缩比调节,满足强化发动机的高压缩比条件;通过加装可变涡流阀结构,实现了缸内不同的流场强度来改变主火焰传播速度;使用粒子图像测速法（PIV）技术对缸内流场进行测量,基于化学发光法对缸内主火焰传播及自燃过程进行直接拍摄;结合可视化实验台架的特点,基于双燃料喷射系统,确定了进气道喷射甲烷结合缸内直喷正庚烷的方式开展自燃及爆震的可视化研究。然后,开展了主火焰传播对于自燃及爆震的影响研究。轻微爆震工况下,不同循环间存在明显的循环变动,对多个连续循环的主火焰速度和末端自燃时刻关系进行统计分析,发现主火焰速度加快提升了自燃倾向,自燃大多出现在主火焰速度较快的循环。通过调节可变涡流阀来增强缸内涡流即湍流强度,研究了不同缸内流场作用下主火焰速度和末端自燃的相互关系,发现增强缸内湍流强度极大的提升主火焰传播速度,末端自燃位置也随着涡流方向变化,且爆震强度随着主火焰传播速度增大而增强。通过三维数值模拟拓展光学试验工况,研究了火焰传播速度和爆震强度的关系,发现爆震强度随着主火焰速度的提升呈现先增后减的趋势,并且当主火焰速度增加到一定值时,末端自燃可以被抑制从而无爆震产生。上述研究表明,提升主火焰速度对于爆震强度的影响可以分为两阶段:在主火焰传播速度较低的初始阶段时,其对末端混合气作用以压缩加热为主,提升了末端自燃倾向,导致爆震增强;随着主火焰速度进一步提升,其对末端混合气的作用以消耗为主,降低了未燃混合气质量分数即能量密度,爆震被抑制。随后,开展了自燃特性及混合气能量密度与爆震强度的关系研究。轻微爆震工况下,分析了多个连续循环的末端混合气自燃时刻和爆震强度的关系,发现自燃时刻与爆震强度没有明显的相关性,且自燃不一定导致爆震。基于三维数值模拟平台,通过改变末端湍流强度,研究了不同自燃火焰速度对爆震强度的影响,结果表明:在相同的能量密度条件下,爆震强度随着自燃火焰传播速度的提升而增加,强度大小取决于自燃火焰传播速度所决定的峰值放热率。进一步以正庚烷引燃甲烷混合气为对象,研究了多点引燃模式下能量密度对爆震强度的影响,其中不同能量密度通过改变过量空气系数实现。发现引燃模式的多点自燃和火花点火模式的末端自燃火焰速度相当,且均高于SI主火焰速度,而爆震强度随着能量密度的提升而增加。上述研究表明,爆震是由自燃火焰的快速热释放所导致,其强度取决于快速热释放的峰值,该峰值不仅与自燃火焰传播速度密切相关,还受末端混合气能量密度的影响。最后,基于以上试验结果,结合理论分析,提出了基于有效能量密度和化学反应活性调控来抑制爆震提升热效率的技术途径。一是以降低末端混合气能量密度为指导,在热力学发动机末端加装火花塞,研究了多点点火策略对发动机自燃及爆震的影响。实验发现同步双点火可以提升燃烧等容度和热效率,但是会促进末端自燃和爆震的发生。进一步基于三维数值模拟平台,研究了末端点火位置和异步点火即不同点火时刻对发动机自燃及爆震的影响,发现自燃位置随着点火策略的改变而改变,适当点火时刻下的末端异步点火可以提前消耗未燃混合气,降低末端能量密度从而抑制爆震,该抑制效果与末端点火位置和自燃位置的接近程度正相关。二是以降低末端混合气化学反应活性为指导,针对主火焰传播偏向排气侧的特点,设计了缸内侧置喷射策略,将高活性燃料喷射到排气侧即主火焰传播初始区域从而远离火焰末端,研究其对末端自燃及爆震的影响。随着喷射时刻的推迟,主火焰燃烧速率提升,而末端混合气自燃火焰传播速度显著降低,爆震强度大幅下降,甚至不发生爆震。结果表明侧置晚喷使得高活性燃料较少扩散到燃烧室末端,降低了末端混合气的化学反应活性,实现了可控自燃并抑制爆震。