近年来，能源危机和环境污染在道路交通领域引起了全球的广泛关注[1,2]。由于氢具有零碳排放、清洁燃烧和丰富的可用性，被视为内燃机的有前景的替代燃料[3]。此外，氢也是应对日益严格的汽车排放法规的可行策略。然而，氢的极低点火能量（0.019 mJ）也使其容易发生各种形式的异常燃烧，尤其是在火花点火发动机中容易发生爆震[4]，这成为氢发动机发展的主要限制。
发动机爆震与尾气自燃直接相关[[5], [6], [7]]。根据Zeldovich反应性梯度理论[8]，自燃可以发展成不同的燃烧模式。通常，如果压力波与自燃反应之间没有耦合，燃烧将以爆燃形式进行，这对应于传统的发动机爆震。如果压力波与化学反应耦合，则燃烧会转变为爆震，产生以Chapman–Jouguet（CJ）速度传播的爆震波。这会导致发动机发生超爆震，迅速破坏活塞、阀门和火花塞[9,10]。
自燃的发生受到初始条件的强烈影响[11,12]。因此，识别不同因素的影响机制并认识它们的边界条件至关重要[13]。一系列一维模型研究了在不同初始条件下化学计量H2/空气混合物的尾气自燃现象。结果表明，较高的初始温度、压力和燃烧室尺寸一致促进了自燃[14,15]。赵等人[16]发现，H2/O2/N2混合物的自燃受化学反应性和火焰传播速度的影响最大。较短的点火延迟时间和较高的火焰速度都有利于自燃和爆震的发生。同时，许多研究探讨了传统发动机参数与自燃之间的关系。例如，提高进气温度[17]和压缩比[18]会增加爆震倾向，而延迟点火时刻可以有效抑制发动机爆震[19]。发动机参数主要通过控制可燃混合物的初始条件来影响爆震的发生。
压力波在提高尾气的温度和压力方面起着关键作用[20]。潘等人[21]通过数值方法研究了压力波对尾气自燃和爆震强度的影响。结果表明，压力波显著影响了自燃的时间和模式。张等人[22]研究了充满化学计量H2/空气混合物的封闭燃烧室中的火焰传播。结果表明，压力波的强度决定了尾气自燃的发生。魏等人[23]研究了火焰产生的压力波与尾气自燃之间的相互作用。他们观察到压力波增强了尾气的反应性并缩短了点火延迟时间。总体而言，较高的压力和温度以及适当的当量比增加了混合物的反应性，产生了更强的压力波，从而增强了自燃倾向和爆震强度。
尾气自燃由初始反应性的综合效应决定。量化这种反应性有助于进一步研究传统化石燃料的自燃特性。由于混合物密度是温度和压力的函数，一些研究者提出使用混合物密度来表示压力和温度的耦合效应，以研究碳氢燃料的爆震行为[[24], [25], [26], [27]]。齐等人[28]使用化学计量异辛烷/O2/N2混合物在快速压缩机中系统研究了压力和温度对自燃行为的影响。结果表明，温度对爆震形成的影响小于压力。这归因于密度较大的混合物具有更高的能量密度。戴等人[29]观察到，随着初始温度的升高，混合物的体积能量密度降低。刘等人[30]基于实验结果提出了一个压力-温度-能量密度图，建立了超爆震、爆震和正常燃烧的标准。同时，大量的爆震研究工作也致力于开发基于点火延迟时间、详细或简化化学反应或Arrhenius函数的爆震模型[31]。
如上所述，已经进行了大量研究来探讨初始条件对自燃特性的影响。然而，由于氢与碳氢燃料的独特性质不同，氢表现出不同的自燃特性。因此，系统地研究氢在不同初始条件下的自燃行为至关重要。特别是，很少有研究报道贫燃条件下氢自燃的边界条件。此外，现有模型通常依赖于复杂的化学动力学计算，这些计算难以获得实时结果，如局部温度梯度和自由基浓度，这限制了它们的工程应用。为了填补这些空白，本研究系统地研究了氢尾气自燃的机制和临界边界，在广泛的初始条件下进行了研究。使用同步的高速成像和压力测量来表征自燃过程。定量研究了初始条件对火焰发展和压力振荡的影响，提供了在不同热力学状态下的自燃区域图。此外，还开发了一种新的无量纲关联式，可以直接从初始条件预测爆震强度，为氢发动机的自燃控制提供了实用工具。
