缸内直喷(GDI)结合增压已成为汽油机的主要节能途径,但在低速大负荷工况下会出现偶发性超级爆震。超级爆震能在短时间内损坏发动机,是发动机进一步提高功率密度和降低油耗的最大阻碍。国内外研究表明,超级爆震由早燃引起,但对超级爆震的两个基本问题,即导致超级爆震的早燃成因以及早燃演变为超级爆震的机理仍未认识得十分透彻。本文围绕这两个基本问题,从确认早燃成因、解析爆震现象、探索爆震机理三个方面展开了研究。在早燃成因研究方面,设计建立了超级爆震模拟试验单缸汽油机台架,研究了将微量机油和炽热颗粒引入燃烧室对早燃及超级爆震的影响,并与使用火花塞提前点火模拟的早燃及爆震特性进行了对比。研究结果表明,机油和炽热颗粒均可引起早燃并能导致超级爆震;机油需在压缩上止点前进入燃烧室,炽热颗粒需具有足够的粒径才能引起早燃;由不同方式引发的早燃和超级爆震具有相似的特征。在爆震现象解析方面,对现有的快速压缩机(RCM)进行了可视化改造,使用高速摄影方法拍摄了RCM内异辛烷-空气混合气的燃烧及爆震过程,分析了RCM内不同末端混合气燃烧模式与发动机内的爆震形式之间的对应关系,揭示了超级爆震的爆轰(Detonation)燃烧本质。研究结果表明,爆轰发生的可能性随能量密度增加而升高;爆轰既可以通过末端自燃直接起爆,也可以通过末端自燃引起的爆燃向爆轰转变(DDT)或激波在壁面反射等两种方式间接起爆;爆轰波对材料的破坏作用源自于爆轰波的近壁起爆,但在近壁处发生的起爆与燃料的负温度系数(NTC)性质无关。此外,还提出了一种基于爆震图像亮度变化进行亮度频谱分析,并根据亮度频谱重建爆震后压力波各振荡模式振型的方法。在爆震机理研究方面,设计建立了可视化一维定容燃烧弹,使用氢气-氧气代替异辛烷-空气研究了低压条件下混合气的燃烧模式和起爆过程。研究结果表明,起爆过程可通过湍流火焰刷内热点爆炸或激波在壁面反射方式完成;爆轰倾向随混合气能量密度增加而升高,与在RCM内观察到的现象一致。此外,还使用数值计算解析了具有不同温度梯度的热点所引发的燃烧过程。结果表明,随热点内温度梯度增加,燃烧模式从超音速爆燃逐渐向爆轰转变;激波的压缩作用对燃烧模式的形成与转化具有重要影响。