提高内燃机热效率，对于降低CO2排放和缓解能源危机意义重大。燃烧过程优化是提高内燃机热效率的重要环节。均质充量压燃(HCCI)可满足清洁燃烧的需求，进一步提高其热效率成为关注的问题。本文以提高汽油HCCI内燃机热效率为目标，采用数值模拟为主、试验研究为辅的手段，基于热力学第二定律研究了燃烧过程?损失机理以及影响?/功转换的关键因素；为优化燃烧而设计了模型发动机，对实现高热效率及超高热效率的途径进行了广泛探索与深入研究。
　　活塞式内燃机燃烧过程的?损失不可避免，而HCCI燃烧中?损失主要来源于化学反应，因此，本文首先构建了非平衡态燃烧过程化学动力学?损失数学模型，对汽油及其可再生替代燃料正丁醇燃烧过程?损失机理进行了研究。研究表明，两种燃料?损失源从宏观上都可划分为三个阶段：第一阶段为燃料转变为小分子的阶段；第二阶段为小分子经H2O2loop循环转变为CO的阶段；第三阶段为CO、H、O等高温氧化为CO2和H2O的阶段。燃料化学特性不同，会使第一阶段中?损失源和?损失率特征不同；但燃烧边界的热力学参数对不同燃料燃烧过程?损失的影响规律是相同的。通过燃烧边界热力学参数(温度、压力、当量比、氧浓度)的协同控制，提高燃烧速率和燃烧温度，可有效降低燃烧?损失；且需同时控制最高燃烧温度，抑制化学离解损失，才可获得低总?损失的燃烧。将上述结论与发动机技术相结合，得出采用HCCI稀燃燃烧，并结合进气增压、废气再循环(EGR)、高压缩比等技术，可以获得低总?损失的燃烧。
　　燃烧?损失的降低，还需结合高效的?/功转换过程，才能最终实现热效率的提高，因此，本文对汽油HCCI稀燃燃烧缸内?/功转换过程进行了研究。数值模拟结合试验研究表明，燃烧相位和燃烧速率的优化，以及混合气比热比的提高，是提升缸内?/功转换效率的关键因素；经过优化，汽油HCCI稀燃燃烧可获得高效的?/功转换过程，热力学第二定律指示热效率可超过50%。此外，本文提出了一种汽油重整分子均质压燃(RM-HCCI)燃烧概念：将汽油在缸外通过高温无氧重整为小分子燃料(碳数≤4)，再将其引入缸内实现HCCI燃烧。研究表明，汽油燃料经过重整后可降低缸内燃烧?损失；并且可延迟混合气着火，进而减轻在中高负荷时对EGR的依赖，有助于提高混合气比热比；汽油RM-HCCI具备进一步提高热效率和拓展汽油HCCI稀燃最高负荷的潜力。
　　基于可降低燃烧?损失及提高?/功转换的技术手段，并根据汽油HCCI稀燃燃烧的特点，本文设计了采用分开式循环和可变压缩比的模型发动机，通过数值模拟研究了进一步提高热效率的途径。模型发动机通过缸外低压循环(可变两级或多级涡轮增压中冷系统)及缸内高压循环(可变压缩比、EGR、Φ协同控制)实现分段压缩和膨胀。该设计可充分回收排气能量，提供汽油HCCI稀燃所需的高充量密度；并且通过可变增压系统及缸内可变压缩比，实现高低压循环的双可变调节，最大程度地实现对缸内热力学参数的灵活调控，从而实现对燃烧相位和燃烧速率灵活精准的调节。基于模型发动机，本文创新地提出负荷(Load )-Φ-EGR-有效压缩比(εe)协同控制策略，根据其英文首字母或希腊字母简称为LFEE策略。LFEE策略不仅是简单的协同控制，还包含优化热效率的策略，可有效避免粗暴燃烧，并能实现燃烧相位、燃烧速率、燃烧温度的同时优化；在此基础上，还能进一步优化Φ和EGR率以提高比热比，从而实现热效率的最优化。采用LFEE策略，可实现最高平均有效压力16bar以上，最高有效热效率达50%。本文还探索了实现超高热效率的途径。研究表明，提高内燃机负荷和最高燃烧压力，可提高热效率，在平均指示压力8~15bar范围，热效率提高的效果尤为显著；为大幅提高内燃机热效率，还需采取隔热措施。基于LFEE策略，并采用高强度的绝热内燃机，其有效热效率具备突破60%的潜力，同时可满足清洁燃烧的要求。