随着排放法规和油耗限值的日益严格,发展高效清洁汽油机是实现节能减排的重要途径。汽油机稀燃技术具有提高发动机热效率且同时降低CO和NOx等排放的潜力,但现有的发动机点火系统不能完美适应稀燃条件下的需求,导致发动机失火频率增高,循环波动增大。稀燃条件下传统火花点火系统需要通过提高次级点火电压以实现稳定的点击穿和着火,但是相应地会降低火花塞寿命及点火可靠性。激光点火作为一种潜在的新型点火方式,具有无需使用金属电极、避免淬熄效应、提高点火稳定性等诸多优势,具有提高点火燃烧性能的巨大潜力。为了深入研究激光点火原理及其在发动机上的应用,本研究开展了基于定容燃烧弹平台和光学发动机平台的可视化研究,围绕激光点火技术展开了基础性和创新性研究。在定容燃烧弹平台上,采用纹影法对比了激光点火与火花点火的火焰形态差异,并研究了激光能量对火核传播特性的影响。激光点火火焰呈现标志性的“三叶草形”,初始火核在各个方向上火焰传播速度不同。相同初始条件下,激光点火在x-方向的瞬时火焰速度可达火花点火火焰速度的10倍以上。高时间、空间分辨率的纹影法图像捕捉到了激光点火伴随的激波产生与传播。研究了激光能量、初始混合气当量比对激波传播特性的影响。由于典型的激光点火过程产生的激波传播不符合泰勒冲击波理论的模型假设,提出了一种两阶段经验拟合公式来预测激波的传播特性。激光点火过程中,等离子体辐射与气流运动两个因素均对初始火核的传播具有强化作用。本文通过试验计算结合理论分析的方式,定性定量地讨论了两者对火核的影响程度。研究表明:在试验条件下,等离子体对火焰的影响持续约1 ms,且当量比较小时影响更为显著;气流运动对火焰的影响持续1.5 ms以上。在光学发动机平台上,采用图像分析与热力学分析的方式,对比研究了激光点火与火花点火对发动机燃烧过程的影响。在广泛的当量比下(过量空气系数0.9~1.3),激光点火时火焰面积发展速度均快于火花点火,验证了激光点火对火焰传播速度的促进作用。且在稀燃条件下,激光点火可以显著降低发动机循环波动。缸压分析的结果与图像分析结果相似。由于激光点火具有点火位置灵活可调的特点,研究了激光点火位置对燃烧特性的影响。通过灵活调整激光点火位置,有利于减少燃烧室壁面对初始火核的淬熄效应,从而加快火焰传播速度,提高发动机的性能。