现代内燃机行业目前正面临着能源短缺与环境污染的双重挑战,为此,采用一些先进发动机技术如缸内直喷、分层稀燃、均质充量压燃(HCCI)、低温预混合燃烧(RCCI)等来改善燃烧过程,或使用代用燃料来缓解与改善能源短缺和环境污染现状。对于缸内直喷发动机(包括汽油机与柴油机),燃料的雾化与燃烧对发动机性能起着至关重要的作用。本论文利用不同的光学测试技术,对多种燃料的喷雾与燃烧特性进行了基础性研究。首先,利用高速摄影与相位多普勒(PDPA)技术,对2-甲基呋喃(MF)、异辛烷、以及两者按体积1比1的掺混燃料(MF50)在不同喷射条件下宏观与微观喷雾特性进行了研究。研究结果表明,在低喷射压力下,惯性力对贯穿距的影响小于粘性力引起的影响。环境温度对异辛烷贯穿距的提升作用要大于MF,环境背压对异辛烷的贯穿距抑制作用要大于MF。所有燃料的喷雾粒径整体分布呈现出油束中心大、两边小的对称分布趋势。对于异辛烷,粒径随着环境背压增加而增加,但是MF的粒径随着环境背压增加呈现出先减小后增大趋势。然后,利用纹影和光学汽油机对异辛烷、MF、MF50的层流与湍流火焰特性进行了研究。结果表明,MF在所有条件下层流燃烧速度均最高,异辛烷最低,MF50介于两者之间。所有燃料的层流火焰燃烧速度随着起始温度升高而增加。马克斯坦长度和火焰厚度是影响马克斯坦数的主要参数。当量比小于1时,同当量比下MF的马克斯坦长度最小,当量比大于1,三种测试燃料的马克斯坦长度没有明显规律。火焰传播面积与已燃质量分数有着2/3次方的关系,各项系数与燃烧温度和燃料本身性质有关。MF的湍流火焰传播速度最大,异辛烷最小,MF50介于两者之间,湍流火焰传播速度之间的差别明显大于各燃料层流火焰传播速度之间的差别。燃料本身的化学性质是影响湍流火焰传播速度的最主要因素。最后,利用超高速近喷嘴摄影技术,对乙醇、低温柴油、普通柴油、生物柴油的近场喷雾形态进行了研究。近场喷雾形态包括了蘑菇头区域和之后的液柱区,初始蘑菇头区域是由残留在油嘴SAC里面的燃料所造成。蘑菇状长度随着燃料粘度增加而加长,并且它一开始的发展速度要高于液柱区。在喷雾开始的半稳定阶段,喷雾近锥角会出现突然增大然后又相对稳定的情况,喷雾近锥角的变化在一定程度上能反映出喷孔内部空化情况。近锥角的变化与喷射压力和燃料本身性质都有密切关系。喷射压降对微观贯穿距的影响要小于对宏观贯穿距的影响。喷射压力越小,密度对微观贯穿距的影响作用也越大。