天然气储量丰富、容易形成预混合气、颗粒物排放少且抗爆性好的特点使其适合作为汽车代用燃料。由于天然气层流火焰传播速度慢,导致天然气发动机燃烧持续期长,后燃严重,甚至出现爆震和“烧顶”现象,尤其是在较大缸径的发动机中。同时,天然气所需点火能量高,在混合气偏稀时,传统火花塞点火模式容易出现失火现象。预燃室射流包含大量活性自由基且能量高,可实现多点点火,有效的加速了燃烧速率,使其在天然气发动机尤其大缸径发动机上的应用受到关注。为深入研究射流引燃中自由基的作用,本研究开展了基于定容弹和光学机的可视化基础研究,提出了通过主动控制射流中活性自由基的聚集状态,控制初始引燃区的位置,提高射流的引燃能力。本研究设计搭建了定容燃烧弹系统,设计了双层和射流相交两种结构类型的预燃室,用以实现活性自由基聚集,控制引燃区的目标。在双层结构的预燃室试验中,主燃室引燃区位于外层喷孔附近区域,且其过量空气系数稀燃极限较单层预燃室最大提高0.3。在射流相交结构的预燃室试验中,初始引燃位置明显受到射流相交位置的影响,与射流不相交的设计相比有明显区别。双层与射流相交结构预燃室试验证明通过活性自由基的聚集,可以控制引燃区,提高稀燃极限。通过改变射流相交位置距喷孔的距离,发现距离近,预燃室引燃稀混合气能力强;增大距离,燃烧持续期较大幅度降低。主燃室混合气引燃前,射流覆盖区面积越大,相应的燃烧持续期明显缩短。双层与射流相交结构预燃室试验证明通过活性自由基的聚集,可以有效控制初始引燃区位置,提高稀燃极限。在光学发动机试验中,改造原柴油机缸盖,使之用于天然气点燃的可视化研究。高速直拍图像结果显示,射流相交预燃室在相交区域形成了引燃区,其着火状态明显区别于常规的预燃室设计。在小直径喷孔条件下,与射流不相交预燃室相比,射流相交预燃室燃烧初期放热快,MFB50-MFB90时间较长;大直径喷孔条件下,两者引燃效果基本相同。在相同结构预燃室条件下,与大直径喷孔预燃室相比,小直径喷孔预燃室的滞燃期长,燃烧持续期短。