结合了传统压燃式柴油机和火花点燃式汽油机的优点，可以实现与柴油机相当的高热效率和汽油机的无碳烟排放，同时氮氧化物排放也极低，被认为是最有潜力的高效清洁内燃机替代燃烧技术。

传统内燃机燃烧以压燃式柴油机和点燃式汽油机为代表，柴油机燃烧是通过活塞压缩自燃着火，高压喷射的燃油与空气混合速率控制的扩散燃烧，其扩散燃烧特征导致高的碳烟和氮氧化物排放；汽油机燃烧是通过火花塞点火点燃预混合混合气，火焰传播速度控制的湍流预混合燃烧，由于爆震的限制使用低压缩比以及采用节气门的泵气损失，其热效率较柴油机低10%～30%。HCCI燃烧系统由于燃烧前形成均质混合气，混合气化学准备时间长，燃烧化学动力学对燃烧过程起决定性作用，如图是其燃烧过程示意图，燃油与空气预混合均质混合气被活塞压缩多点同时自燃着火燃烧，没有明显的火焰传播过程，燃烧持续期极短。

HCCI燃烧过程示意图

由于HCCI燃烧过程主要受化学反应动力学所控制，因此其着火时刻和燃烧反应速度控制困难；其次，HCCI只能在较窄的工况范围内运行，混合气过稀或高辛烷值燃料在小负荷和怠速工况容易“失火”，而在大负荷工况则容易出现“爆震燃烧”燃烧（尤其是高十六烷值燃料），因此其运行工况范围需要向大负荷和小负荷工况扩展；此外，废气再循环（EGR）是HCCI燃烧过程最重要的燃烧控制手段之一，高辛烷值燃料需要通过残余废气提高混合气的温度使其能够压燃着火，而高十六烷值燃料则需要采用外部冷却废气稀释降低燃烧反应速度，废气的稀释还可以降低燃烧火焰温度，从而抑制氮氧化物生成。最后，HCCI的未燃碳氢和CO等不完全燃烧产物排放高，排气温度低，增加了后处理器氧化碳氢和CO的难度。

HCCI燃烧过程表现为典型的两阶段放热：低温放热和高温放热。在低温放热与高温放热之间出现负温度系数（NTC）区，在NTC区内化学反应速率随缸内温度增加而减小。柴油机HCCI与传统柴油机燃烧放热规律、缸内平均温度和压力的比较，其呈现出明显的双阶段放热特性，并且柴油机HCCI缸内平均温度明显低于传统柴油机燃烧，因此，把这种燃烧方式称为低温燃烧（Low temperature combustion; LTC）。

尽管化学动力学对HCCI燃烧起关键作用，但是混合过程对HCCI燃烧仍有重要的影响，混合时出现的微观的燃料分布和温度的不均匀性都对着火和燃烧过程有显著的影响。M.斯伯格等人发现，实际发动机中都自然存在热分层，使燃烧速率变慢。J.德克等人研究进一步证明，HCCI的燃烧不是均匀的，即使是在缸外预混好的混合气，也是带有很强的扰动结构，在压缩冲程的传热和湍流运动产生了热分层，这些热分层导致了HCCI燃烧的不均匀性。HCCI燃烧的发生是由温度较高、较适宜着火的点向较冷的区域逐渐发展的，而这个发展过程，可以有效降低压力升高率。通过控制充量浓度、成分和温度的不均匀性，可以实现对着火燃烧过程的有效控制。D.E.福斯特等人研究也证明，燃料分层能拓宽HCCI燃烧的稀燃极限，使燃烧更加稳定；分层也可以抑制高负荷过快的燃烧速率，降低最大压力升高率，HCCI向大负荷工况扩展。因而，在HCCI燃烧过程控制中，适当的混合气浓度分布比“简单的”均质混合气更为重要，HCCI燃烧系统的基本特征是：预混合混合气、压缩自燃、化学动力学取主要作用的低温燃烧过程。因此，人们把HCCI燃烧系统称为“均质压燃、低温燃烧”燃烧过程。

1979年，S.尾西（Onishi）等人为降低二冲程汽油机排放和燃油消耗率，发现汽油机在部分工况下通过缸内大量的残余废气，不用点燃也可平稳运转，并称为活化热氛围（ATAC）燃烧过程，这被认为是最早提出的具有均质压燃特征的燃烧概念。同年，M.野口（Noguchi）等人对这种燃烧模式进行光谱研究表明在着火前检测到较高碳氢燃料低温反应中间产物，如CH₂O、HO₂和O；着火后才检测到较多高温反应中间自由基CH、H和OH。1981年，中国的胡国栋在中国大功率柴油机第一届年会上正式提出了柴油机预混合燃烧思想。指出：为了提高内燃机的经济性，解决柴油机微粒排放和氮氧化物排放的矛盾，汽油机要像柴油机那样实行直喷式燃烧，柴油机要像汽油机那样实行预混合燃烧。1983年，福斯特等人在四冲程发动机上研究汽油预混合压燃这一燃烧现象，发现这一燃烧过程其自燃着火受低温化学反应控制（<1000K），缸内混合气的能量释放则是由CO氧化占主导的高温化学反应（>1000K）控制。1984年，A.K.奥本海姆（Oppenheim）提出了HCCI概念，通过改变缸内残余废气和EGR率控制温度（及稀释）可以满足未燃混合气压燃着火的条件，发现燃料和自燃着火特性是控制自燃着火过程的关键因素。1989年，R.H.思林（Thring）发现均质压燃运转工况范围局限于部分负荷，自燃着火时刻很难控制，并发现HCCI燃烧没有火焰传播，均质混合气燃烧过程呈现多点同时着火的特征。

20世纪90年代中后期，国际上对HCCI的燃烧理论和燃烧控制开展了大量的研究。2001年，美国开展HCCI燃烧理论和技术研究。2001年，中国的苏万华院士提出了新一代内燃机燃烧理论“燃料理化特性与燃烧边界条件协同控制”学术思想，获得了国家重点基础研究发展规划（973）项目资助。

21世纪以来，新一代燃烧系统研究十分活跃，根据燃料的特性，可以使用不同的方式实现均质压燃、低温燃烧，由此命名了不同的新一代燃烧系统，如预混合气压燃（Premixed charge compression ignition; PCCI），高密度低温燃烧（High-density low temperature combustion; HD-LTC），汽油辅助压燃（Compression assistant ignition; CAI），部分预混合燃烧（Partial premixed combustion; PPC），活性控制的燃烧（Reactivity controlled compression ignition; RCCI）等。这些燃烧方式的燃烧过程的关键是：①燃烧之前燃油与空气充分混合的稀混合气；②采用废气再循环惰性气体降低燃烧温度；③需要根据运行工况提高或降低燃烧放热速度；④相对于传统内燃机燃烧，化学反应动力学取重要作用，化学动力学过程控制是燃烧过程控制的重要手段。

柴油具有高黏度、低挥发性、低自燃温度的特性，改善燃油与空气的混合和抑制过快的燃烧反应速度是柴油机新一代燃烧系统的关键。

柴油机HCCI的优点是燃油与空气充分混合形成稀混合气，避免了高浓度的碳烟生成区，HCCI燃烧的缸内温度明显比传统柴油机缸内温度低，避免了高温氮氧化物生成区。柴油机可以通过多种方式实现HCCI，喷油策略控制是柴油机实现不同HCCI燃烧方式的关键，如早喷预混合方式和晚喷快速混合燃烧方式，晚喷为了控制燃烧反应速率，需要更高的EGR率稀释混合气。早喷方式的柴油机HCCI称为PCCI，日产公司MK（Modulated Kinetics）燃烧系统是早期柴油机HCCI采用晚喷方式的典型代表。MK是在上止点后喷油，通过废气再循环，延长滞燃期并降低燃烧温度，使喷入燃烧室的燃料获得更多的混合时间，并采用高涡流比提高混合速率，在中低负荷下实现了可控的HCCI，但MK燃烧系统很难向大负荷工况扩展。

在上止点附近喷油实现均质压燃、低温燃烧是柴油机HCCI向大负荷工况拓展的有效途径，这一燃烧控制策略结合采用大比例EGR率和高增压压力来实现，也称之为柴油机的PPC。PPC是对HCCI燃烧理论的发展，即从完全预混低温燃烧过程变为大部分可控预混低温燃烧过程（即混合速率控制的扩散燃烧过程在多数工况下仍会出现）。通过改善燃油与空气的混合，采用大比例EGR延长混合时间和降低燃烧温度，从而有效避开混合气浓度-温度图中的碳烟和氮氧化物生成区域。

为了在更大负荷、甚至满负荷工况实现柴油机均质压燃、低温燃烧，需要“弥补”采用EGR后燃烧过程中氧浓度的不足，采用串联布置的两级涡轮增压实现发动机高增压比，增加进入的空气量是大负荷工况实现均质压燃、低温燃烧的技术途径。但是，高增压必然会带来压缩压力和燃烧爆发压力增加，受发动机机械负荷和可靠性限制，缸内最大爆发压力必须控制在一个合理范围，通过进气门晚关技术降低进气关闭时缸内的初始压力和温度，从而有效地降低了缸内最大爆发压力，也使柴油机实现了可变的热力循环过程。采用这一燃烧技术柴油机最高指示热效率可以达到53%，该新一代燃烧系统称为高密度低温燃烧（HD-LTC）。

因此，柴油机新一代燃烧系统可以通过喷油策略、先进增压系统、EGR和可变气门机构等控制在全负荷工况范围实现，其燃烧特征是动力学控制与混合控制耦合的燃烧过程。

汽油机燃料挥发性好，易形成均质混合气，其缺点是着火温度高，不易压燃，向中小负荷工况拓展是汽油燃料新一代燃烧系统技术的出发点。

早期汽油机新一代燃烧系统，混合气加热是小荷工况实现HCCI重要途径之一。美国福特公司OKP（Optimized Kinetic Process）燃烧系统在缸内直喷汽油机上采用冷却液和排气余热加热进气空气，并与可变气门定时改变压缩比和残余废气相结合的方法，实现汽油机HCCI燃烧，热效率提高了10%～30%，氮氧化物排放降低了98%～99%。

采用“进排气门联动控制”控制缸内残余废气率与废气分层也是拓宽汽油机HCCI工况范围的重要途径。如基于废气驱动的高效低温燃烧汽油机技术，该方案采用进排气门全可变机构，并结合外部EGR和涡轮增压技术进一步扩展HCCI的运行工况范围；在发动机全负荷工况采用以内部废气再循环实现可控自燃燃烧，辅以气门参数控制的火花点燃燃烧技术的复合燃烧技术，并以外部EGR为调整缸内废气状态的控制手段，实现了汽油机低温高效燃烧。该方案在小负荷和热机怠速工况实现汽油机可控自燃燃烧，NEDC驾驶循环的仿真节油效果为15.6%。

缸内直喷多次喷油与火花辅助点燃是也是汽油机HCCI燃烧控制的重要手段，国内外研究者提出了许多不同命名的汽油机HCCI燃烧系统。AVL公司提出的压缩和火花点燃（Compression and Spark Ignition; CSI）汽油机均质压燃燃烧系统，汽油缸内多次直接喷射，采用可变气门升程和可变气门定时控制残余废气，燃烧过程火花辅助点燃。火花点火辅助分层压燃（Assistant spark stratification compression ignition; ASSCI）燃烧系统则是通过缸内二次喷射实现分层压燃控制着火，通过火花辅助点火改善小负荷下着火稳定性，并进行点燃（SI）与HCCI燃烧模式切换控制。马自达公司开发的火花控制压燃技术(Spart controlled compression ignition; SPCCI)是已报道的唯一市场应用的汽油机新一代燃烧系统，它采用高压缩比、火花塞辅助点火、EGR、增压，燃用超稀薄混合气，全工况范围采用点燃与压燃的切换，相对于马自达Skyactiv-G发动机，其热效率提高20%～30%，扭矩提高10%～30%。

因此，可变气门机构、内部残余废气与EGR、缸内多次喷油、增压和火花辅助点燃是乘用车汽油机新一代燃烧系统主要控制手段，采用SI与HCCI混合燃烧模式是全工况范围的燃烧特征。

相对于传统的柴油机与汽油机燃烧，燃料的理化特性对HCCI燃烧过程有更大的影响，燃料理化特性设计也是扩展HCCI运行工况范围有重要方法。研究表明，降低汽油燃料的辛烷值和柴油燃料的十六烷值更有利于扩展HCCI的工况范围，辛烷值为60左右的燃料其HCCI运行的工况范围最大。研究者也发现，提高燃料的挥发性、降低燃料的十六烷值更有利于降低碳烟和氮氧化物排放，并提高发动机的热效率。瑞典Lund大学发现，柴油机在上止点前附近喷入汽油燃料，通过EGR控制实现低温燃烧，其碳烟和NOx排放远比柴油燃料低温燃烧时低，低温燃烧区域最大负荷范围比柴油燃料更高，热效率提高8.3%～16.6%。他们将这一燃烧方式定义为部分预混合燃烧（PPC）。

PPC是一种动力学控制与混合控制相结合的燃烧模式，不仅与HCCI类似在喷油结束时刻与燃烧开始时刻之间燃油与空气的混合有充足的时间，并发生低温氧化反应，而且与传统柴油燃烧相同，喷油时刻可以控制燃烧时刻。PPC通过采用高EGR率以延长滞燃期可使喷油时刻明显晚于HCCI、PCCI，但早于传统柴油的喷油时刻。

实际上，为了使汽油PPC在全负荷工况运行并实现高效清洁燃烧，需要对汽油燃料的特性进行优化，如与柴油混合组成宽馏分燃料、高辛烷值汽油掺入部分高活性燃料、汽油中掺入部分含氧燃料等。PPC燃烧被认为是低活性燃料（或混合燃料）实现高效清洁燃烧的重要技术途径，PPC概念已应用其他低活性燃料，如石脑油，低活性生物质燃料等。

HCCI运行的理想燃料应该是在小负荷工况燃用高十六烷值燃料，大负荷工况燃用高辛烷值燃料，动态控制HCCI发动机不同工况下所需的燃料特性，可有效控制着火时刻和燃烧反应速度，拓宽运行工况范围并提高热效率。实现这一控制策略的方式则是采用双燃料喷射，即喷入高辛烷值与高十六烷值两种燃料，不同工况调整两种燃料比例实现实时燃料设计。它可以应用多种燃料，如气道喷射二甲醚和甲醇双燃料方式，可在较宽广的转速和负荷范围内实现HCCI，拓宽了HCCI运转工况范围。

美国研究学者提出采用汽油、柴油双燃料方式，其中汽油燃料采用气道喷射，柴油采用缸内直喷，通过控制汽油/柴油比例、柴油喷油策略、外部EGR和进气门关闭时刻，实现对燃烧过程控制，从而实现高效清洁燃烧，他们将这种燃烧命名为活性控制的燃烧（RCCI）。结果表明，RCCI最大平均有效压力可以达到1.3兆帕，其原始碳烟和氮氧化物排放可以满足欧VI法规的要求，热效率最高达到了53%。对RCCI燃料特性的优化同样可以进一步拓宽工况范围，最新的报道，将缸内直喷燃料采用聚甲氧基二甲醚（PODE），结合进气门晚关策略，实现当量燃烧的RCCI燃烧模式，其最大平均指示压力达到2.3兆帕。

双燃料新一代燃烧系统还可以根据运行工况进行燃烧模式设计，进一步提高负荷工况范围的热效率，如在小负荷工况PCCI的热效率比RCCI高，HC和CO排放低，由此，汽油/柴油双燃料在小负荷工况纯柴油PCCI燃烧、中高负荷双燃料RCCI、大负荷柴油引燃预混合汽油的准均质压燃或低温燃烧模式。采用燃料模式设计全工况范围油耗降低5%情况下，氮氧化物和微粒排放可以满足欧VI要求。

内燃机新一代燃烧系统的研究仍十分活跃，21世纪以来不断提出了新的燃烧概念，如热力学活性控制的燃烧、低温催化重整燃烧、燃烧化学反应路径调控燃烧、移缸燃烧等。