稀薄燃烧

内燃机的引擎工作方式

稀薄燃烧是一种内燃机的引擎工作方式。其空燃比可以达到65:1,这比化学计量法的比值（汽油为14.7:1）高得多，每次燃烧使用的燃料更少，使得发动机效率更高、更经济、环保。

基本介绍

因此，稀薄燃烧再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一种方法。

稀薄燃烧技术

汽油机稀薄燃烧包括进气道喷射稀燃系统（PFI）、直接喷射稀燃系统（GDI）和均质混合气压燃系统（HCCI）。

进气道喷射稀燃系统（PFI）

普通汽油机工作时保证可靠点火所对应的空燃比为10～20，与此相比，稀燃汽油机的空燃比要大得多。为了保证可靠点火，点燃式稀燃汽油机在点火瞬间火花塞周围必须形成易于点燃的空燃比为12.0～13.5的混合气。这就要求混合气在气缸内非均质分布。而要实现混合气的非均质分布，必须使混合气在气缸内分层。混合气分层主要依靠气流的运动结合适时的喷油实现。进气道喷射稀燃系统根据进气流在气缸内的流动形式不同，可分为涡流分层和滚流分层2种。

轴向分层稀燃系统

这种燃烧方式一般是结合燃油在进气晚期喷射，再通过缸内强的涡流运动来实现，涡流起到维持混合气分层的作用，而喷油时刻决定浓混合气在缸内的位置。如《涡流轴向分层示意图》所示，发动机采用蓬顶形燃烧室，火花塞中心布置。在进气冲程初期（a），随着活塞的向下运动，缸内形成较强的涡流，通过对进气系统的合理配置，使该涡流的轴心与气缸中心大体一致，形成沿气缸轴线的涡流运动。通过控制喷油时刻，使喷油器在进气后期喷油（b），因为油气混合气最后进入气缸，所以气缸内就形成了上浓下稀的分层效果。这样形成的涡流在压缩后期虽然随着活塞的上行逐渐衰减，但涡流的分层效果仍大体一直保持到了压缩上止点，以利于点火燃烧（c）。

由此不难看出，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定时。一般说来，涡流强度越强，缸内混合气上下混合的趋势就越小，分层效果保持得就越好；涡流强度越弱，分层效果保持得就越差。而喷油定时则决定了缸内混合气浓度梯度的分布形式：在进气后期喷油，将形成上浓下稀的梯度分布；反之，则形成上稀下浓的梯度分布。

纵向（滚流）分层稀薄燃烧

纵向分层亦即滚流（Tumble）分层，由其涡流的流动方向与气缸轴线垂直而得名，多用于进气道对称布置的多气门发动机，尤其是在蓬顶形燃烧室，对称进气的四气门发动机上更容易实现。

如图《涡流轴向分层示意图》所示，简单说明了滚流运动的形成过程：当进气门升程较小时，进气在缸内的流动比较紊乱，有规律的流动不明显，这时存在两个旋转轴相互平行而垂直于气缸轴线的涡团，一个在进气门下方靠近进气道一侧，而另一个则在进气道对侧，大致位于排气门下方，此为非滚流期；当气门升程加大时，位于进气道对侧的涡团突然加强，进而占据整个燃烧室，与此同时另一个涡团逐渐消失，此为滚流产生期；随着气门升程的加大和活塞下移，滚流不断加强直至进气行程下止点附近，滚流达到最强，此为滚流的发展期；压缩行程属滚流的持续期；在压缩行程后期，由于燃烧室空间扁平，不适于滚流发展而遭破坏，在上止点附近，滚流几乎被压碎而成为小尺度的湍流，此为破碎期。

直接喷射系统（GDI）

进气道喷射汽油机在不采用助燃方法组织稀燃时，其空燃比超过27非常困难。但直接喷射稀燃系统超过这一界限却非常容易。与缸外进气道喷射稀燃汽油机相比，缸内喷射稀燃汽油机具有泵气损失小、传热损失小、充气效率高、抗爆性好及动态响应快等特点。

发动机超稀薄空燃比的利用和工作方式的改变有不少优点，如绝热指数增加和传热损失较少，取消节流降低了泵吸损失，燃油蒸发引起缸内温度降低，提高了汽油机可工作的压缩比，燃油在进气冲程中对进气的冷却提高了充气效率，使得它的燃油经济性一般可以提高25% 左右，动力输出也比进气道喷射的汽油机增加了将近10%。

均质混合气压燃系统（HCCI）

早在20世纪30年代，人们就认识到均质混合气压缩自燃的燃烧方式在汽油机上存在，但它一直被认为是一种异常燃烧现象而被抑制。HCCI 燃烧方式的出现，有效地解决了传统均质稀薄点燃燃烧速度慢的缺点，是有别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和 GDI 发动机分层稀薄燃烧方式的第 4种燃烧方式。从已有的文献报道来看，HCCI 发动机有以下的优点：

（1）燃烧的优点在于它可以同时保持较高的动力性和燃油经济性。一方面，它采用均质燃烧混合气，保持了原汽油机升功率高的特点；另一方面，它取消了节流损失，设计的压缩比高，采用多点同时着火的燃烧方式使得能量释放率较高，接近于理想的等容燃烧，热效率较高，保持了柴油机部分负荷下燃油经济性好的特点。

（2）HCCI 燃烧方式可以同时降低NOx和碳烟。它通过设计较稀的混合气空燃比或利用再循环的废气控制把燃烧温度降低在 1800K 以下，并且由于它以均质稀燃混合气方式工作，有效地抑制了NOx和碳烟的生成，几乎做到了无烟燃烧。

（3）由于HCCI 燃烧只与本身的物理化学性质有关，它的着火和燃烧速率只受燃油氧化反应的化学反应动力学控制，受缸内流场影响较小，同时均质预混的混合气组织也比较简单，因此，在发动机上实施HCCI 燃烧模式可以简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。

优缺点

稀薄燃烧可以降低发动机的燃油耗最主要的原因是：采用稀薄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，而定容加热循环的指示热效率与压缩比和绝热指数成正比的关系。随着空燃比的提高，空气所占的量增加，因此工质的绝热指数逐渐接近于空气的绝热指数，也就是在理论上，当空燃比达到无限大时，热效率达到最大值。稀薄燃烧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。

但是三效催化转化器不能够净化排放气体中的NOx。这是因为三效催化转化器要利用排气中的HC或CO还原NOx。在稀薄燃烧中，排气中残留很多氧气，不能进行NOx还原反应。

存在的问题

尽管稀燃能实现提高经济性并且同时改善排放，然而在实际的应用上存在着一些难以解决的问题，主要是：

（1）当混合物变稀时，着火延迟时间加长，再加上火焰传播速度慢，使得完全燃烧更加困难。

（2）当混合气变稀时，如果火花塞周围的燃油混合气浓度降低，所需的最小点火能量迅速增加，火核难以形成，不仅使点火困难，而且使滞燃期增长，使得最佳点火提前角增大，燃烧效率降低。同时，火焰传播速度的变慢还使发动机的循环变动增加，汽车的驾驶性能下降。

（3）稀薄燃烧时，由于排气中始终为富氧氛围，因此非常不利于 NOx 的还原。目前，稀薄燃烧催化转换器还不太成熟，在转换效率以及寿命方面还有待于提高，这是困扰着稀薄燃烧技术进一步发展的重要课题。

（4）采用稀薄燃烧方式时，空燃比的变化范围很大，而喷油定时和点火提前角都和空燃比有关，因此，喷油定时和点火提前角的控制都要随着空燃比的变化而改变。

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