随着汽车保有量的不断增加,环境问题变得越来越严峻;同时,大量化石能源的消耗以及石油资源的分布不均导致能源危机日益严重,发展清洁、储备量大的替代燃料迫在眉睫。天然气作为最具潜力的替代燃料,具有储备量丰富、燃烧清洁以及高热值等优点。采用稀薄燃烧和高压缩比相结合的方式,可以大幅降低氮氧化物的排放,同时提高发动机的热效率;但是天然气在稀燃条件下存在着火困难和燃烧速率缓慢问题,导致循环变动大,排气温度高,严重制约着天然气发动机的发展。本文基于一台单缸点燃式光学发动机,研究了缸内直喷氢气、高能点火以及大火花塞间隙等对天然气稀燃特性的影响,同步测量了缸内压力和火焰图像,分析了不同过量空气系数下火焰传播过程和发动机性能,对比了基于初期火焰图像的火焰发展半径和基于缸压的已燃质量分数评价初始燃烧过程的方法,发现初始火核发展半径描述早期火焰发展过程更加准确。试验结果表明:（1）稀燃条件下,天然气发动机的平均指示压力（IMEP）会下降,循环变动会增加,燃烧持续期延长。直喷氢气可以显著改善甲烷的稀燃稳定性;光学实验表明,直喷氢气明显加快初期火焰核心形成和初始火焰传播,进而改善早期燃烧过程并降低该过程的循环变动。（2）在相同过量空气系数下,随着点火能量的增加,循环变动降低,IMEP增加,燃烧相位优化。研究表明,高能点火主要缩短CA10-CA50燃烧持续期,而对CA50-CA90阶段燃烧持续期影响不大;可视化结果表明,提高点火能量可以促进初始火焰核心形成,加速早期火焰传播,并降低该过程的循环变动。（3）在点火能量较高条件下,随着火花塞间隙增加,放热率增大,燃烧持续期缩短,IMEP增加,循环变动降低。在超稀薄（λ≥1.5）条件下,超高点火能量（200 m J）配合大火花塞间隙可以成功将天然气稀燃极限拓展到1.55;可视化结果表明,在相同的点火能量下,较大的火花塞间隙可以形成较大的火焰核心,直接促进火焰传播过程。因此,超高点火能量和大火花塞间隙的协同作用可以使发动机在稀燃条件下获得更快速更稳定的初始火焰传播,从而提高燃烧稳定性。综上,本文系统研究了直喷氢气和高能点火对天然气稀燃条件下着火及火焰传播过程的影响作用,发现直喷氢气和高能点火可以显著改善甲烷的稀燃稳定性和热效率,超高点火能量配合大火花塞间隙可以显著扩展甲烷稀燃极限。本研究为降低天然气发动机循环变动并提高其热效率提供重要指导。