石油产品消耗量的快速增长及生态环境恶化的严峻形势，迫切要求我们开发能源转换更高效的发动机。燃油喷射作为发动机能源转换过程中的重要一环，直接影响着发动机燃烧性能与排放表现，因此研究并改进燃油喷射过程对于提高发动机能量转换率具有重要的意义。而缸内直喷火花点火汽油机，因其较好的燃油经济性，更优越的瞬态响应和更好的冷启动排放表现等优势越来越受到人们的关注。本研究中，基于先进的喷雾光学诊断技术，从根源上深入、系统地研究缸内直喷火花点火汽油机孔式喷油器宏观喷雾特性、微观喷雾特性、雾化特性及喷雾形成机理，设计并搭建了可视化模拟缸内直喷汽油机缸内环境的可视化定容容器和缸内热力学环境模拟系统，并设计一系列喷雾光学诊断试验，对缸内直喷喷雾的喷射过程进行可视化研究，并同时引入高速射流无量纲分析方法定量分析缸内直喷汽油机喷雾特征并揭示其雾化机理。　　首先，实验中设计并制造了专门为研发工作使用的潜在优化缸内直喷汽油机燃油喷雾特性的一系列喷孔结构为阶梯式喷孔的缸内直喷喷油器，其中包括不同喷孔数、不同喷孔喷射角度和不同喷孔长径比的9款直喷喷油器。为实现缸内直喷汽油机燃油喷雾喷射过程的可视化研究，且精确模拟直喷汽油机缸内工作环境，本课题专门设计和搭建了一套缸内直喷汽油机缸内热力学环境模拟系统。此热力学环境模拟系统主要由可视化高压定容容器、喷射燃油温度控制系统、喷射燃油压力供给系统和定容容器内环境压力控制系统等组成。　　其次，结合利用高速背光成像技术和米氏散射成像技术，实现燃油喷雾宏观喷雾特性的成像，从喷油器结构和燃油过热度的角度研究喷雾结构变化特征，引入燃油喷雾宽度、燃油喷雾油束宽度、燃油喷雾贯穿距、燃油喷雾角等参数及归一化的喷雾宽度、归一化的燃油油束宽度和归一化的喷雾油束距离等无量纲数，分析宏观喷雾结构变化特征且研究喷雾的影响因素。　　此外，有力结合显微成像技术，对缸内直喷汽油机孔式喷油器喷孔附近区域近场显微喷雾特性进行进一步的研究，实现喷油器喷口附近区域近场喷雾燃油喷射过程的显微特征的成像。研究发现近场的显微喷雾特征按照其喷射过程可以分为：初始喷射阶段、准稳态喷射和尾喷阶段。准稳态喷射阶段按照其喷雾锥角的波动振幅又可以分为大波动准稳态阶段和小波动准稳态阶段。同时，采用相位多普勒干涉技术对直喷喷油器的雾化过程进行了研究。相位多普勒干涉技术对燃油喷射过程中的燃油液滴粒径的分布和燃油液滴速度场的分布进行测量，从而对直喷喷雾的雾化特征给出理论依据。同时，基于MATLAB编程软件，编辑处理喷雾图像及数字图像技术的程序，结合实际实验标定数据，实现喷雾特征的图像获取和表示，从而实现直喷喷雾特征的定量分析。　　然后，利用高速射流无量纲分析方法对喷雾特征进行其机理的分析。通过分析喷雾形成特征确定喷雾破碎与雾化的无量纲数。从缸内直喷汽油机孔式喷油器的喷雾特征及雾化的特性分析可知，孔式喷油器在燃油闪沸工况和燃油非闪沸情况下有明显不一样的特征。我们称之为液态射流和闪沸喷雾喷射。在高速液体射流区域，液体的破碎和雾化受到液体惯性力、粘性力、表面张力和空气阻力等力的共同作用而从喷孔喷出的自由液核破碎和雾化。这四个力的作用可以由无量纲数韦伯数、雷诺数和气液密度比来表征。　　本研究涵盖了缸内直喷汽油机运行的所有经典工况和多种结构喷油器喷雾特征，燃油从孔式喷油器喷孔喷出之后到喷射完毕整个周期为研究对象，揭示了缸内直喷孔式喷油器的喷雾特性及其雾化过程的物理机理，为孔式喷油器的设计、孔式喷油器的选型、喷雾特性的研究及整个缸内直喷汽油机喷雾与燃烧提供理论依据。