冷启动性能及排放差一直是发动机亟待解决的问题，本文借助可视化直喷单缸发动机，在冷启动工况下，通过向缸内引入不同形态的进气气流，研究不同的进气流场对燃烧循环波动性的影响，进而探究解决冷启动问题的有效方法。本课题的研究中，在多种气流形态下，着重观察涡流和滚流两个平面，通过对这两个平面流场的特征以及循环变动的分析，结合发动机缸内火焰图像的燃烧诊断，洞悉燃烧波动的机理。　　本课题中，依托可视化发动机，利用高频激光和高速摄影，通过粒子图像测速法，测量发动机缸内两种主要气流形式的速度矢量场，利用本征正交分解法对多循环大变动的流场结构进行定量分解，根据分解后的不同尺度的速度矢量结构进行流场重构，从而根据发动机缸内的大尺度流场和微尺度湍流分析气流的循环变动性，进而结合可视化燃烧火焰图像的火焰面积、火核分布、扩散路径等特点，明晰燃烧循环变动的产生过程。　　研究发现，缸内的循环变动受到主体引导气流的影响显著，大规模流场结构强度越大缸内流场的循环变动就越小，发动机燃烧的循环变动也随之减小。但是涡流强度太高，导致靠近缸壁附近的气流速度过快从而阻碍缸内火焰向外围扩散，进而抑制发动机性能的进一步提升。增强发动机缸内的主体流场强度可以使火焰火核分布更加集中，火焰扩散速度更加稳定，因此降低了循环的变动性。此外在一定范围内提高缸内的主体气流强度，一方面减少了大尺度流场的波动性，另一方面也提高了缸内湍流的强度，这在降低循环波动性的同时也提高了火焰的燃烧速度，燃烧效率得以提升。研究发现燃烧早期发动机的瞬时放热率与火焰面积的3/2次幂存在非常高的相关性，相关系数高达0.992，因此可以通过对早期火焰图像的分析准确预测发动机的放热率。　　基于冷启动直喷发动机的光学诊断以及排放测试，可以得出结论，在低速冷启动工况下，增强发动机缸内的主体引导气流，不仅仅可以降低发动机的循环波动性，提高燃烧效率，并且可以有效抑制碳烟颗粒物的生成。