随着小型强化程度的增加,汽油机在低速大负荷条件下出现常规爆震和超级爆震现象的可能性显著增加。由于爆震燃烧对发动机破坏性很强,因此爆震问题已成为限制小型强化汽油机热效率进一步大幅提升的主要技术瓶颈。从本质上来说,这些异常燃烧现象都是由封闭空间中热点(或冷点)自燃诱发的、伴随强烈压力振荡的剧烈燃烧过程。因此,本文结合实验测试和理论分析,研究了发动机工况范围内影响自燃及爆震的关键因素及其作用机理。研究结果有助于深入理解发动机爆震燃烧产生机理,为实际内燃机的燃烧优化和爆震调控提供有力的理论支撑和工程指导。首先,针对自主开发的新型可视化快速压缩机,设计开发了点火系统、高压喷油系统、混合气加热系统和同步测试系统,进行了针对冷态压缩、正常燃烧、爆震燃烧过程的重复性实验研究。实验结果表明:该可视化快速压缩机能够实现不同燃烧边界条件下的燃烧过程,并且具有良好的实验可重复性,完全能够满足开展自燃及爆震相关研究的实验要求。其次,基于自主开发的可视化快速压缩机实验平台,研究了不同初始热力学状态对正庚烷/空气和异辛烷/空气预混合气体自燃及爆震的影响规律;基于有效能量密度参数,量化了初始温度、压力和当量比不同影响参数对爆震强度的影响权重;分析了有效能量密度、自燃模式与爆震强度之间的相关性。研究结果表明:随着初始温度、压力的提高和当量比趋近于1,自燃时刻逐渐提前,爆震强度显著增强并出现了超级爆震;初始压力、当量比较初始温度对超级爆震影响更加显著,且正庚烷较异辛烷的爆震强度更强;超级爆震对应于“发展中的爆轰”燃烧模式,但原始自燃模式预测图中关于“发展中的爆轰”区需要根据实际燃料进行优化。最后,通过改变壁面温度实现了缸内温度梯度分层,通过高压共轨直喷系统实现了缸内浓度梯度分层,初步探索了不同温度梯度和浓度梯度对自燃及爆震的影响规律。研究结果表明:有效能量密度与温度梯度(壁面温度)对爆震强度的影响存在制约关系;热点自燃往往发生于近壁面边界层附近,较大的近壁温度梯度能够抑制强烈爆震的发生;燃油温度和背景气体的温度压力对浓度梯度形成影响较大,较大的浓度梯度能够在一定程度上起到抑制爆震的作用。