稀薄燃燒

因此，稀薄燃燒再結合最新的電子控制技術，被公認為是提高車用汽油機效率和降低排放的最有前途的一種方法。

汽油機稀薄燃燒包括進氣道噴射稀燃系統（PFI）、直接噴射稀燃系統（GDI）和均質混合氣壓燃系統（HCCI）。

進氣道噴射稀燃系統（PFI）

普通汽油機工作時保證可靠點火所對應的空燃比為10～20，與此相比，稀燃汽油機的空燃比要大得多。為了保證可靠點火，點燃式稀燃汽油機在點火瞬間火花塞周圍必須形成易於點燃的空燃比為12.0～13.5的混合氣。這就要求混合氣在氣缸內非均質分佈。而要實現混合氣的非均質分佈，必須使混合氣在氣缸內分層。混合氣分層主要依靠氣流的運動結合適時的噴油實現。進氣道噴射稀燃系統根據進氣流在氣缸內的流動形式不同，可分為渦流分層和滾流分層2種。

軸向分層稀燃系統

這種燃燒方式一般是結合燃油在進氣晚期噴射，再通過缸內強的渦流運動來實現，渦流起到維持混合氣分層的作用，而噴油時刻決定濃混合氣在缸內的位置。如圖1所示，發動機採用蓬頂形燃燒室，火花塞中心布置。在進氣衝程初期（圖1-a），隨著活塞的向下運動，缸內形成較強的渦流，通過對進氣系統的合理配置，使該渦流的軸心與氣缸中心大體一致，形成沿氣缸軸線的渦流運動。通過控制噴油時刻，使噴油器在進氣後期噴油（圖1-b），因為油氣混合氣最後進入氣缸，所以氣缸內就形成了上濃下稀的分層效果。這樣形成的渦流在壓縮後期雖然隨著活塞的上行逐漸衰減，但渦流的分層效果仍大體一直保持到了壓縮上止點，以利於點火燃燒（圖1-c）。

由此不難看出，在這種燃燒系統中影響稀燃效果的主要因素是缸內渦流的強度和噴油定時。一般說來，渦流強度越強，缸內混合氣上下混合的趨勢就越小，分層效果保持得就越好；渦流強度越弱，分層效果保持得就越差。而噴油定時則決定了缸內混合氣濃度梯度的分佈形式：在進氣後期噴油，將形成上濃下稀的梯度分佈；反之，則形成上稀下濃的梯度分佈。

縱向（滾流）分層稀薄燃燒

縱向分層亦即滾流（Tumble）分層，由其渦流的流動方向與氣缸軸線垂直而得名，多用於進氣道對稱布置的多氣門發動機，尤其是在蓬頂形燃燒室，對稱進氣的四氣門發動機上更容易實現。

圖2簡單說明了滾流運動的形成過程：當進氣門升程較小時，進氣在缸內的流動比較紊亂，有規律的流動不明顯，這時存在兩個旋轉軸相互平行而垂直於氣缸軸線的渦團，一個在進氣門下方靠近進氣道一側，而另一個則在進氣道對側，大致位於排氣門下方，此為非滾流期；當氣門升程加大時，位於進氣道對側的渦團突然加強，進而佔據整個燃燒室，與此同時另一個渦團逐漸消失，此為滾流產生期；隨著氣門升程的加大和活塞下移，滾流不斷加強直至進氣行程下止點附近，滾流達到最強，此為滾流的發展期；壓縮行程屬滾流的持續期；在壓縮行程後期，由於燃燒室空間扁平，不適於滾流發展而遭破壞，在上止點附近，滾流幾乎被壓碎而成為小尺度的湍流，此為破碎期。

直接噴射系統（GDI）

進氣道噴射汽油機在不採用助燃方法組織稀燃時，其空燃比超過27非常困難。但直接噴射稀燃系統超過這一界限卻非常容易。與缸外進氣道噴射稀燃汽油機相比，缸內噴射稀燃汽油機具有泵氣損失小、傳熱損失小、充氣效率高、抗爆性好及動態響應快等特點。

發動機超稀薄空燃比的利用和工作方式的改變有不少優點，如絕熱指數增加和傳熱損失較少，取消節流降低了泵吸損失，燃油蒸發引起缸內溫度降低，提高了汽油機可工作的壓縮比，燃油在進氣衝程中對進氣的冷卻提高了充氣效率，使得它的燃油經濟性一般可以提高25%左右，動力輸出也比進氣道噴射的汽油機增加了將近10%。

均質混合氣壓燃系統（HCCI）

早在20世紀30年代，人們就認識到均質混合氣壓縮自燃的燃燒方式在汽油機上存在，但它一直被認為是一種異常燃燒現象而被抑制。HCCI燃燒方式的出現，有效地解決了傳統均質稀薄點燃燃燒速度慢的缺點，是有別於傳統的汽油機均質點燃預混燃燒、柴油機非均質壓燃擴散燃燒和GDI發動機分層稀薄燃燒方式的第4種燃燒方式。從已有的文獻報道來看，HCCI發動機有以下的優點：

（1）燃燒的優點在於它可以同時保持較高的動力性和燃油經濟性。一方面，它採用均質燃燒混合氣，保持了原汽油機升功率高的特點；另一方面，它取消了節流損失，設計的壓縮比高，採用多點同時著火的燃燒方式使得能量釋放率較高，接近於理想的等容燃燒，熱效率較高，保持了柴油機部分負荷下燃油經濟性好的特點。

（2）HCCI燃燒方式可以同時降低NOx和碳煙。它通過設計較稀的混合氣空燃比或利用再循環的廢氣控制把燃燒溫度降低在1800K以下，並且由於它以均質稀燃混合氣方式工作，有效地抑制了NOx和碳煙的生成，幾乎做到了無煙燃燒。

（3）由於HCCI燃燒只與本身的物理化學性質有關，它的著火和燃燒速率只受燃油氧化反應的化學反應動力學控制，受缸內流場影響較小，同時均質預混的混合氣組織也比較簡單，因此，在發動機上實施HCCI燃燒模式可以簡化發動機燃燒系統和噴油系統的設計。

稀薄燃燒可以降低發動機的燃油耗最主要的原因是：採用稀薄混合氣燃燒時循環熱效率提高。汽油機的實際循環接近於定容加熱循環，而定容加熱循環的指示熱效率與壓縮比和絕熱指數成正比的關係。隨著空燃比的提高，空氣所佔的量增加，因此工質的絕熱指數逐漸接近於空氣的絕熱指數，也就是在理論上，當空燃比達到無限大時，熱效率達到最大值。稀薄燃燒對排放的改善主要表現在，隨著空燃比的增加，燃燒更加充分，CO和THC的量減少。

但是三效催化轉化器不能夠凈化排放氣體中的NOx。這是因為三效催化轉化器要利用排氣中的HC或CO還原NOx。在稀薄燃燒中，排氣中殘留很多氧氣，不能進行NOx還原反應。

儘管稀燃能實現提高經濟性並且同時改善排放，然而在實際的應用上存在著一些難以解決的問題，主要是：

（1）當混合物變稀時，著火延遲時間加長，再加上火焰傳播速度慢，使得完全燃燒更加困難。

（2）當混合氣變稀時，如果火花塞周圍的燃油混合氣濃度降低，所需的最小點火能量迅速增加，火核難以形成，不僅使點火困難，而且使滯燃期增長，使得最佳點火提前角增大，燃燒效率降低。同時，火焰傳播速度的變慢還使發動機的循環變動增加，汽車的駕駛性能下降。

（3）稀薄燃燒時，由於排氣中始終為富氧氛圍，因此非常不利於NOx的還原。目前，稀薄燃燒催化轉換器還不太成熟，在轉換效率以及壽命方面還有待於提高，這是困擾著稀薄燃燒技術進一步發展的重要課題。

（4）採用稀薄燃燒方式時，空燃比的變化範圍很大，而噴油定時和點火提前角都和空燃比有關，因此，噴油定時和點火提前角的控制都要隨著空燃比的變化而改變。