稀薄燃烧稳定性是先进天然气发动机稳定高效清洁燃烧的重要指标．为了进一步探索改善天然气发动机稀薄燃烧性能的方法，本文基于一台高压缩比单缸光学发动机，采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法，研究了进气温度对天然气发动机稀薄燃烧特性的影响，量化了火焰发展演变与发动机性能之间的关联性．研究表明：提高进气温度可以提升缸内压力和放热率峰值，进气温度从25℃到75℃，峰值压力从3.71 MPa提升至4.49 MPa，峰值放热率从57.17 J/(°CA)提升至64.36 J/(°CA)，并且放热过程更为集中，同时结合发动机点火时刻，可进一步实现燃烧相位优化，降低传热损失；可视化燃烧图像显示，高进气温度条件下着火延迟期缩短，初始火焰尺寸增大，后期火焰传播更快，最大火焰传播速度提升至约10.6 m/s，同时火焰前锋趋于向四周传播，火焰形态对称性更好．此外，本文创新性地提出了一种基于可视化图像来量化的已燃质量分数的经验准则来评价初期火焰发展特性，发现提升进气温度主要影响早期火焰发展规律，高进气温度下早期火焰循环变化系数从18.12%降低至7.86%，并且该持续期平均值从13.03°CA降低到了9.25°CA，从而减小了后期燃烧过程的差异，这是天然气发动机稀薄燃烧稳定性改善的主要原因．