稀薄燃烧

稀薄燃烧是内燃机的一种发动机工作方式。它的空燃比可以达到65，333，601，这是化学计量比（汽油为14.(7:1)高得多，每次燃烧使用更少的燃料，使发动机更有效、更经济、环保。

因此，稀燃结合最新的电子控制技术被公认为是提高车用汽油机效率和降低排放的最有前途的方法。

包括进气道喷射汽油机稀薄燃烧系统（PFI）直接喷射稀薄燃烧系统（GDI）和均匀混合空气压力燃烧系统（HCCI）

入口喷射稀薄燃烧系统（PFI）

普通汽油机可靠点火对应的空燃比为10 ~ 20与此相比，稀燃汽油机的空燃比要大得多。为了确保可靠的点火，点火时火花塞周围必须形成12的空燃比.0～13.5的混合气。这就要求混合气体在气缸内的非均匀分布。为了实现混合气的非均匀分布，混合气必须在缸内分层。混合气的分层主要依靠气流的运动结合适时的燃油喷射。根据进气在缸内流动形式的不同，进气道喷射稀燃系统可分为涡流分层和滚流分层两种。

轴向分层稀薄燃烧系统

这种燃烧方式一般是在进气后期结合燃油喷射，再通过缸内强烈的涡流运动来实现的涡流起着维持混合气分层的作用，喷射时间决定了缸内混合气的浓位置。如图1所示，发动机采用天篷形燃烧室，火花塞布置在中央。在进气冲程初期（图1-a）随着活塞的向下运动，在气缸内形成强烈的涡流通过进气系统的合理配置，使涡流的轴线与气缸中心大致一致，形成沿气缸轴线的涡流运动。通过控制喷射时间，燃料喷射器可以在进气后期喷射燃料（图1-b）因为油气混合气最终进入气缸，在气缸内形成分层效应。这样形成的涡流虽然在压缩后期随着活塞的向上运动逐渐衰减，但涡流的分层效应一般仍保持在压缩上止点，有利于点火和燃烧（图1-c）

不难看出，在这种燃烧系统中，影响稀燃效果的主要因素是缸内涡流的强度和喷油正时。一般来说，旋流强度越强，缸内混合物的混合趋势越小，分层效果保持得越好；涡流强度越弱，脱层效应保持得越差。喷射正时决定了气缸内混合气浓度梯度的分布：进气后期喷油会形成上浓下稀的梯度分布；另一方面形成梯度分布，上薄下厚。

纵向（滚流）分层稀薄燃烧

纵向分层，即滚流（Tumble）分层，因其涡流方向垂直于气缸轴线而得名，常用于具有对称进气道的多气门发动机，尤其是具有屋顶形燃烧室和对称进气的四气门发动机。

图2简单地示出了翻转运动的形成过程：当进气门升程较小时，进气在缸内的流动是混沌的，规律流动不明显此时有两个涡团，它们的旋转轴相互平行并垂直于气缸轴线，一个靠近进气门下方的进气道侧，另一个在进气道的相对侧，大致在排气门下方这是一个非动荡时期；当气门升程增大时，进气道对面的涡团突然加强，然后占据整个燃烧室，而另一个涡团逐渐消失，这就是滚流产生期；随着气门升程的增加和活塞的向下运动，翻转流继续加强，直到在进气冲程的下止点附近达到最强，这是翻转流的发展时期；压缩冲程属于翻滚持续时间；在压缩冲程的后期，燃烧室的空间是平坦的，不适合滚流的发展，被破坏在上止点附近，滚流几乎被粉碎，变成小尺度湍流，这就是粉碎期。

直接喷射系统（GDI）

进气道喷射汽油机没有助燃方法很难组织稀燃，其空燃比超过27。但是，直喷稀燃系统很容易超过这个极限。缸内喷射稀燃汽油机与缸外喷射稀燃汽油机相比，泵气损失较小、传热损失小、充气效率高、防爆性能好，动态响应快。

发动机超薄空燃比的利用和工作方式的改变有许多优点，如绝热指数的提高和传热损失的减少，取消节流减少泵气损失，燃油蒸发引起的缸内温度降低，汽油机工作压缩比的提高，进气冲程时燃油对进气的冷却，充气效率的提高，其燃油经济性一般可提高25%左右，动力输出也比进气道喷射的汽油机提高了近10%

均匀混合气动燃烧系统（HCCI）

早在20世纪30年代，人们就意识到汽油机存在均质混合气压缩自燃的燃烧方式，但一直被认为是一种异常燃烧现象而被压制。HCCI燃烧模式的出现，有效地解决了传统均质稀燃燃烧速度慢的缺点，有别于汽油机传统的均质点火预混燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和GDI发动机分层稀薄燃烧的第四种燃烧模式。从现有的文献报道来看，HCCI发动机具有以下优点：

1）燃烧的好处是可以同时保持较高的动力和燃油经济性。一方面采用均质燃烧混合气，保持了原汽油机的高功率；另一方面取消了节流损失，设计压缩比高多点同时点火的燃烧方式使能量释放率更高，接近理想的定容燃烧，热效率更高，保持了柴油机部分负荷下燃油经济性好的特点。

2）HCCI燃烧模式可以同时降低氮氧化物和碳烟。它通过设计稀混合气空燃比或利用再循环废气进行控制，可以将燃烧温度降低到1800K以下，并且由于它工作在均质稀混合气模式，可以有效抑制NOx和碳烟的生成，几乎实现无烟燃烧。

3）由于HCCI燃烧只与其物理化学性质有关，其点火和燃烧速率只受燃料氧化反应的化学反应动力学控制，不受缸内流场的影响同时，均质预混混合物的组织也相对简单因此，在发动机上实现HCCI燃烧模式可以简化发动机燃烧系统和燃油喷射系统的设计。

稀燃能够降低发动机油耗的主要原因是：当使用稀混合气燃烧时，循环热效率提高。汽油机的实际循环接近于定容加热循环，定容加热循环的指示热效率与压缩比和绝热指数成正比。随着空燃比的增加，空气的量增加，因此工质的绝热指数逐渐接近空气的绝热指数，即理论上空燃比达到无穷大时，热效率达到最大。稀燃对排放的改善主要表现在随着空燃比的增加，燃烧更加充分，CO和THC的量减少。

然而，三元催化转化器不能净化废气中的NOx。这是因为三元催化转化器利用废气中的HC或CO来还原NOx。在稀薄燃烧中，大量的氧气残留在废气中，因此不能进行NOx还原反应。

虽然稀燃可以同时改善经济性和排放，但在实际应用中还存在一些难题，主要是：

1）当混合物稀释后，着火延迟时间延长，火焰传播速度变慢，使完全燃烧更加困难。

2）当混合气被稀释后，如果火花塞周围的混合气浓度降低，所需的最小点火能量会迅速增加，难以形成火核，不仅点火困难，还会增加点火延迟，增大最佳点火提前角，降低燃烧效率。同时，缓慢的火焰传播速度也增加了发动机的循环变化，降低了汽车的行驶性能。

3）在稀燃时，废气总是富含氧气，这对NOx的还原非常不利。目前，稀燃催化转化器还不够成熟，其转化效率和使用寿命有待提高，这是困扰稀燃技术进一步发展的重要课题。

4）当使用稀燃时，空燃比变化很大，并且燃料喷射正时和点火提前角都与空燃比相关因此，喷油正时和点火提前角的控制应随着空燃比的变化而变化。