在汽油机小型强化和代用燃料的发展趋势下，闪急沸腾改善喷雾特性的潜力受到越来越多的重视，然而关于闪沸喷雾的规律以及塌缩的机理尚不明确。本课题采用高速摄影、亮点测速测径法（GPVS）及激光粒子图像测速法（PIV）等多种光学诊断方法，在定容弹和光学发动机台架上对闪沸喷雾的宏观特性、微观特性进行了全面的基础和应用研究。本研究设计并搭建了定容弹台架、光学发动机台架和喷雾特性光学诊断系统；利用双向对射激光片改进了GPVS方法，拓展了该方法在闪沸喷雾中的适应性；创新性地提出了新的闪急沸腾喷雾宏观特性参数（塌缩度、喷雾跨度）以及新的喷雾锥角定义方法，为量化喷雾宏观形态变化、揭示闪急沸腾喷雾规律及阐明其机理提供了有力指导。在汽油闪沸喷雾宏观特性实验中，对比喷雾的正视与仰视图像，表明塌缩过程与重叠过程具有密切的内在联系；通过喷雾形态和喷雾宏观参数等多角度分析证实了低压区和重叠区的存在；通过单孔、双孔和六孔喷雾实验，将低压区、重叠区及燃油过热对喷雾形态的影响解耦，发现低压区通过气流卷吸运动影响喷雾油束和液滴的贯穿方向，使喷雾形态呈现径向收缩的趋势；而重叠区内液滴数密度增大，液滴碰撞聚合形成更强的向下贯穿的动量，削弱了空气曳力对油束贯穿的减速作用，使喷雾形态呈现轴向拉伸的趋势；同时，低压区和重叠区还具有相互促进的作用，从而全面揭示了闪沸喷雾塌缩的机理。在烷烃及其混合物的闪沸实验中，根据过热度和喷雾形态将喷雾分为低、中、高过热度工况阶段，总结了不同阶段内喷雾微爆、破碎、塌缩及气流卷吸之间的关系和变化规律，定量研究了不同阶段内喷雾塌缩比的变化规律，发现低过热度阶段喷雾塌缩比在1.3附近，过热度的变化对喷雾形态几乎没有影响；中过热度阶段喷雾塌缩比在1.3~3.2之间，随过热度的增加显著上升，燃油温度的变化对喷雾形态有决定性影响；高过热度阶段喷雾完全塌缩，塌缩比在2.9~4.9之间，环境压力的变化对喷雾形态有较大影响。混合燃料实验采用正戊烷（沸点36.1℃）和正庚烷（沸点98.5℃），探明了过热度和掺混比例对混合物喷雾中的微爆和塌缩现象的影响规律。在闪沸喷雾微观特性实验中，制定了喷雾液滴图像处理流程，相关程序的粒子直径计算精度偏差为3.8%，可以满足液滴直径统计的实验需要。喷雾液滴直径实验结果表明：随过热度的增大，液滴直径范围由低过热度喷雾下的10μm~25μm缩小至高过热度下的10μm~15μm；喷嘴下方30mm处，二次破碎并未完成，因而大液滴概率偏高，而此位置又存在液滴卷吸滞留现象，因而小液滴概率也偏高；燃油温度、环境压力及拍摄位置对喷雾局部索特平均直径（SMD）都有明显的影响，总体来看，局部SMD随燃油温度的上升而下降，随环境压力的下降而下降，拍摄位置的影响规律则需要通过气流卷吸、喷雾破碎和蒸发三个因素来分析。喷雾液滴速度实验结果表明：速度的概率分布不仅与闪沸喷雾状态、拍摄位置有关，还受到环境气体密度的影响，在中过热度状态下喷雾液滴速度偏小且分布更为集中，而背压0.1bar的工况则由于环境气体密度降低，对液滴减速作用下降，出现了更多的高速液滴。在光学发动机缸内气流运动对闪沸喷雾影响的实验中，发现燃油温度对喷雾形态和速度场有决定性影响：低过热度喷雾液滴SMD较大，受气流运动影响较小；中过热度喷雾SMD减小，喷雾贯穿距明显减小，喷雾宽度横向收缩，速度场方向更加一致；高过热度喷雾塌缩度和贯穿距随燃油温度增加持续增大，速度方向一致性更强，喷雾与缸内气体相互作用减弱，气流卷吸作用减弱。缸内滚流对喷雾形态和速度场也有一定影响：低滚流比下，喷雾初期液滴射流方向与缸内气流运动方向是相向的，喷雾初期速度场的最大速度均高于高滚流比下的相同工况；喷雾的早中期，在低滚流比工况竖直向下进气的作用下，喷雾更容易向靠近活塞的方向发展，在高滚流比工况水平向左进气的作用下，喷雾更容易向左侧缸壁的方向发展。本课题围绕闪沸喷雾的宏观特性和微观特性开展了一系列光学诊断研究，系统地描述了喷雾在不同过热度状态下的宏观形态变化规律，引入重叠区概念，完善了闪沸及塌缩现象的机理；分析了燃料过热度、掺混比例对闪沸特性的影响及通过改变掺混比例控制闪沸程度的可行性；拓展了对闪沸喷雾微观特性的认识；最后探讨了闪沸在GDI发动机上应用的技术路径。