提高热效率是当前内燃机行业面临的最大挑战。目前内燃机虽在部分工况下有效热效率有望达到50%以上,但制约热效率进一步提升的最主要因素仍然是“非约束燃烧”固有的不可逆性导致的燃料做功能力的损失。若要降低不可逆（火用）损失,需要对燃烧过程进行更深层次的控制,使其更“受约束”。可控化学反应路径燃烧可以实现燃烧放热速率控制,但目前对于可控化学反应燃烧过程（火用）损失机理的认识仍十分有限。为此,作者以经典平衡热力学和非平衡热力学为理论基础,以数值模拟结合理论分析为主要研究手段,结合发动机台架试验,对可控化学反应路径燃烧进行了深入的（火用）损失分析,提出了低温反应重整（LTR）/高温放热（HTR）分阶段燃烧新概念,并探索了其控制燃烧过程和改善热效率的潜力,为发展高热效率内燃机提供理论依据。首先,作者依据经典平衡热力学能量平衡和（火用）平衡原理建立了适用于内燃机不同燃烧模式的（火用）分析方法,结合发动机台架试验分析了HCCI、PPC和RCCI三种燃烧模式以及EGR和燃料类型对不可逆（火用）损失和热效率的影响。结果表明,不同燃烧模式对热效率和不可逆（火用）损失的影响主要是通过影响燃烧效率和传热损失来实现,燃烧效率提高会增加不可逆（火用）损失,而降低传热损失和采用缸内直喷策略能降低燃烧过程不可逆（火用）损失。燃烧模式对理想绝热完全燃烧情况下的不可逆（火用）损失影响不明显。制约内燃机新型燃烧模式热效率进一步提高的主要因素仍然是发动机工作过程产生的不可逆（火用）损失。在引入外部中冷后EGR的情况下,增加EGR率会降低三种燃烧模式的极限热效率,同时不可逆（火用）损失均降低。此外,燃料类型也可以显著影响不可逆（火用）损失。其次,为揭示内燃机不同燃烧火焰机制的不可逆（火用）损失产生源,作者采用非平衡热力学熵产分析方法研究了内燃机热力条件下一维预混火焰、自燃以及火焰机制转换过程中的熵产及（火用）损失机制。为了从化学反应路径层面分析能量转化规律,作者创新提出了基于熵产通量路径的复杂反应动力学分析方法。结果表明,提出的化学反应动力学分析方法可以识别不同条件下自燃和火焰传播模式的主要全局反应路径。当火焰机制由预混火焰传播转变为自燃时,总不可逆（火用）损失变化不大,但不可逆（火用）损失源发生了明显变化,由传热和传质产生的熵产减少,熵产逐渐转变为完全由化学反应引起,燃料的消耗路径也随之发生改变。化学反应过程中生成物与反应物的Gibbs生成焓差是化学反应的驱动力,通过改变初始条件可以改变反应产物/反应物吉布斯生成焓差值,进而改变反应进行的方向和偏离化学平衡的程度。采用LTR/HTR分阶段燃烧模式,即浓预混合气经低温重整反应得到小分子产物,随后以稀反应产物/空气混合气高温燃烧,可同时避开高不可逆（火用）损失以及NOx和Soot生成区域,有望成为新型高效清洁燃烧模式。重整改变了燃料活性以及分子结构,对此,作者首先提出了理想燃烧过程不可逆（火用）损失和奥托循环热效率的理论计算公式,然后分析了十种含有不同官能团类型的燃料以及H2和CO对理想燃烧过程不可逆（火用）损失和热效率的影响。结果表明,在不考虑燃烧时间尺度影响的情况下,不同燃料之间不可逆（火用）损失的差异主要是由燃料化学（火用）/低热值比（ε）和燃烧过程无量纲熵增（αS）的差异性引起,小分子碳氢燃料和含氧中间产物的不可逆（火用）损失低于大分子燃料,空气和EGR稀释对不可逆（火用）损失的影响主要由温度效应和稀释效应所致。在不考虑燃料挥发性、火焰传播速度和自燃特性的情况下,第一定律热效率对燃烧阶段产物比热比（γc）的依赖性最大,且随着γc的增大而增大。小分子碳氢燃料的第一定律和第二定律热效率均较高,少量的含氧中间产物和CO具有较低的第一、第二定律热效率,烷烃位于同时具有较高的第一、第二定律热效率的最理想区域。小分子醇类、醛类和酮类较小的不可逆（火用）损失往往并不能带来热效率的改善,而是增加了排气（火用）;在空气或EGR稀释条件下,不可逆（火用）损失的增大会导致排气（火用）的降低。因此,不可逆（火用）损失与理想热效率之间并非此消彼长的关系,在降低不可逆（火用）损失时需要提高燃料（火用）/功转化效率。最后,基于数值模拟和台架试验研究了LTR/HTR分阶段燃烧对发动机燃烧和（火用）/功转化效率的影响。结果表明,燃料低温重整可实现发动机燃烧过程灵活控制。从燃料（火用）/功转化角度来看,提高重整当量比和重整温度有利于产生小分子碳氢类产物,从而提高重整产物的做功潜力。燃料经历深度重整时,发动机缸内燃烧相位推迟,整体热效率提高。将燃料深度重整成小分子碳氢类产物,同时进一步提高压缩比,可降低不可逆（火用）损失,并提高热效率以及（火用）/功转化效率。因此可以推断,LTR/HTR分阶段燃烧相对于传统低温燃烧方式,具有实现燃烧过程灵活控制和进一步提高热效率的潜力。