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（火用）损失机理以及影响（火用）/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（火用）损失不可避免,而HCCI燃烧中（火用）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（火用）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（火用）损失机理进行了研究。研究表明,两种燃料（火用）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H2O2 loop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（火用）损失源和（火用）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（火用）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（火用）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（火用）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（火用）损失的燃烧。燃烧（火用）损失的降低,还需结合高效的（火用）/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（火用）/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（火用）/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（火用）/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（火用）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（火用）损失及提高（火用）/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。