本文以低飞行马赫数下煤油超燃冲压发动机的火花塞直接点火为研究对象,采用试验研究与数值仿真相结合的方法,分析了低飞行马赫数下煤油燃烧的三种典型燃烧模式,研究了上游喷注的喷注压力、喷注距离、喷孔尺寸和燃烧室构型对直接点火的影响规律和机理,提出了组合喷注点火方案,并研究了该点火方案对点火和火焰发展过程的改善效果,最后在全尺寸燃烧室中开展了煤油直接点火的试验验证。火花塞点火后,发动机内煤油燃烧可能呈现出三种典型的燃烧模式:局部火焰、下游凹腔火焰和全局火焰。通过分析三种燃烧模式的形态特征、形成过程和稳定性,发现直接点火最终的自稳定燃烧模式与火焰发展传播过程有关。局部火焰是最弱的燃烧模式。局部火焰的形成和稳定都与凹腔内局部当量比有关。下游凹腔火焰是局部火焰的尾焰被卷入下游凹腔后发展形成的。同时,局部火焰的尾焰可以增强下游凹腔火焰。全局火焰是最强的燃烧模式。全局火焰的形成有三种方式:局部火焰直接扩大、下游凹腔火焰回传和下游火焰回传。这三种方式都与局部火焰的强度有关。局部火焰的强度是全局火焰形成的关键因素。全局火焰依靠点火凹腔内的火焰得以稳定。凹腔内火焰的熄灭,会导致主流火焰的吹熄。煤油燃烧呈现不同燃烧模式的主要原因是上游喷注条件。通过试验对比,研究了上游喷注的喷注压力、喷注距离、喷孔尺寸和燃烧室构型对直接点火的影响规律和机理。研究表明,凹腔内局部当量比随着喷注压力先增大后减小;喷注距离的增大,会导致近壁面液雾增多,增大凹腔内局部当量比;喷注尺寸的增大会提高射流穿透度,降低凹腔内局部当量比。燃烧室壁面扩张会降低射流穿透度,增大凹腔内局部当量比。凹腔内局部当量比的大小,会影响局部火焰的点火形成和火焰稳定。凹腔内局部当量比过低时,点火后没有初始火核产生;凹腔内局部当量比过高时,初始火核可以形成,但无法发展为稳定的局部火焰,导致火花塞连续点火期间凹腔内反复着火和熄火。点火时序是影响直接点火最终燃烧模式的重要因素。针对上游单组喷注时局部火焰形成不可靠、全局火焰形成困难的问题,提出了组合喷注点火方案。试验结果表明,组合喷注通过调节主、副喷嘴的喷注压力,使凹腔内局部当量比处于适宜点火和火焰稳定的范围内,改善了局部火焰点火形成的可靠性。但组合喷注对全局火焰形成的改善效果存在差异。燃烧室构型为串联双凹腔或平直侧单凹腔时,尾焰容易在下游形成局部热壅塞,通过火焰回传发展为全局火焰。组合喷注点火方案可以有效促进下游火焰的形成和回传,改善全局火焰的形成。燃烧室构型为扩张侧单凹腔时,尾焰难以在下游形成热壅塞。全局火焰的形成只能依靠局部火焰直接扩大。此时,组合喷注方案对全局火焰的形成改善有限。在全尺寸燃烧室中进行了煤油直接点火的试验验证,同时研究了凹腔长度和来流飞行马赫数对直接点火的影响。结果表明,凹腔长度对局部火焰的发展扩大过程有重要的影响。飞行马赫数4.5工况下,短凹腔容易形成局部火焰,但局部火焰强度较弱,无法扩大点燃主流的燃料。利用上游喷注的开阀扰动增强短凹腔内局部火焰,可以使局部火焰发展为下游凹腔火焰。长凹腔的局部火焰较强,容易直接发展为全局火焰。飞行马赫数降低到4.0后,局部火焰的强度普遍降低。短凹腔内的局部火焰由于前壁面直接喷注而发生熄火,而长凹腔的局部火焰较强,可以在前壁面直接喷注中保持稳定。