稀薄燃燒是內(nèi)燃機的一種發(fā)動機工作方式。它的空燃比可以達到65，333，601，這是化學計量比（汽油為14.(7:1)高得多，每次燃燒使用更少的燃料，使發(fā)動機更有效、更經(jīng)濟、環(huán)保。

因此，稀燃結(jié)合最新的電子控制技術(shù)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方法。

包括進氣道噴射汽油機稀薄燃燒系統(tǒng)（PFI）直接噴射稀薄燃燒系統(tǒng)（GDI）和均勻混合空氣壓力燃燒系統(tǒng)（HCCI）

入口噴射稀薄燃燒系統(tǒng)（PFI）

普通汽油機可靠點火對應(yīng)的空燃比為10 ~ 20與此相比，稀燃汽油機的空燃比要大得多。為了確保可靠的點火，點火時火花塞周圍必須形成12的空燃比.0～13.5的混合氣。這就要求混合氣體在氣缸內(nèi)的非均勻分布。為了實現(xiàn)混合氣的非均勻分布，混合氣必須在缸內(nèi)分層。混合氣的分層主要依靠氣流的運動結(jié)合適時的燃油噴射。根據(jù)進氣在缸內(nèi)流動形式的不同，進氣道噴射稀燃系統(tǒng)可分為渦流分層和滾流分層兩種。

軸向分層稀薄燃燒系統(tǒng)

圖1渦流軸向分層示意圖

這種燃燒方式一般是在進氣后期結(jié)合燃油噴射，再通過缸內(nèi)強烈的渦流運動來實現(xiàn)的渦流起著維持混合氣分層的作用，噴射時間決定了缸內(nèi)混合氣的濃位置。如圖1所示，發(fā)動機采用天篷形燃燒室，火花塞布置在中央。在進氣沖程初期（圖1-a）隨著活塞的向下運動，在氣缸內(nèi)形成強烈的渦流通過進氣系統(tǒng)的合理配置，使渦流的軸線與氣缸中心大致一致，形成沿氣缸軸線的渦流運動。通過控制噴射時間，燃料噴射器可以在進氣后期噴射燃料（圖1-b）因為油氣混合氣最終進入氣缸，在氣缸內(nèi)形成分層效應(yīng)。這樣形成的渦流雖然在壓縮后期隨著活塞的向上運動逐漸衰減，但渦流的分層效應(yīng)一般仍保持在壓縮上止點，有利于點火和燃燒（圖1-c）

不難看出，在這種燃燒系統(tǒng)中，影響稀燃效果的主要因素是缸內(nèi)渦流的強度和噴油正時。一般來說，旋流強度越強，缸內(nèi)混合物的混合趨勢越小，分層效果保持得越好；渦流強度越弱，脫層效應(yīng)保持得越差。噴射正時決定了氣缸內(nèi)混合氣濃度梯度的分布：進氣后期噴油會形成上濃下稀的梯度分布；另一方面形成梯度分布，上薄下厚。

縱向（滾流）分層稀薄燃燒

縱向分層，即滾流（Tumble）分層，因其渦流方向垂直于氣缸軸線而得名，常用于具有對稱進氣道的多氣門發(fā)動機，尤其是具有屋頂形燃燒室和對稱進氣的四氣門發(fā)動機。

圖2 翻滾運動的形成

圖2簡單地示出了翻轉(zhuǎn)運動的形成過程：當進氣門升程較小時，進氣在缸內(nèi)的流動是混沌的，規(guī)律流動不明顯此時有兩個渦團，它們的旋轉(zhuǎn)軸相互平行并垂直于氣缸軸線，一個靠近進氣門下方的進氣道側(cè)，另一個在進氣道的相對側(cè)，大致在排氣門下方這是一個非動蕩時期；當氣門升程增大時，進氣道對面的渦團突然加強，然后占據(jù)整個燃燒室，而另一個渦團逐漸消失，這就是滾流產(chǎn)生期；隨著氣門升程的增加和活塞的向下運動，翻轉(zhuǎn)流繼續(xù)加強，直到在進氣沖程的下止點附近達到最強，這是翻轉(zhuǎn)流的發(fā)展時期；壓縮沖程屬于翻滾持續(xù)時間；在壓縮沖程的后期，燃燒室的空間是平坦的，不適合滾流的發(fā)展，被破壞在上止點附近，滾流幾乎被粉碎，變成小尺度湍流，這就是粉碎期。

直接噴射系統(tǒng)（GDI）

進氣道噴射汽油機沒有助燃方法很難組織稀燃，其空燃比超過27。但是，直噴稀燃系統(tǒng)很容易超過這個極限。缸內(nèi)噴射稀燃汽油機與缸外噴射稀燃汽油機相比，泵氣損失較小、傳熱損失小、充氣效率高、防爆性能好，動態(tài)響應(yīng)快。

發(fā)動機超薄空燃比的利用和工作方式的改變有許多優(yōu)點，如絕熱指數(shù)的提高和傳熱損失的減少，取消節(jié)流減少泵氣損失，燃油蒸發(fā)引起的缸內(nèi)溫度降低，汽油機工作壓縮比的提高，進氣沖程時燃油對進氣的冷卻，充氣效率的提高，其燃油經(jīng)濟性一般可提高25%左右，動力輸出也比進氣道噴射的汽油機提高了近10%

均勻混合氣動燃燒系統(tǒng)（HCCI）

早在20世紀30年代，人們就意識到汽油機存在均質(zhì)混合氣壓縮自燃的燃燒方式，但一直被認為是一種異常燃燒現(xiàn)象而被壓制。HCCI燃燒模式的出現(xiàn)，有效地解決了傳統(tǒng)均質(zhì)稀燃燃燒速度慢的缺點，有別于汽油機傳統(tǒng)的均質(zhì)點火預(yù)混燃燒、柴油機非均質(zhì)壓燃擴散燃燒和GDI發(fā)動機分層稀薄燃燒的第四種燃燒模式。從現(xiàn)有的文獻報道來看，HCCI發(fā)動機具有以下優(yōu)點：

1）燃燒的好處是可以同時保持較高的動力和燃油經(jīng)濟性。一方面采用均質(zhì)燃燒混合氣，保持了原汽油機的高功率；另一方面取消了節(jié)流損失，設(shè)計壓縮比高多點同時點火的燃燒方式使能量釋放率更高，接近理想的定容燃燒，熱效率更高，保持了柴油機部分負荷下燃油經(jīng)濟性好的特點。

2）HCCI燃燒模式可以同時降低氮氧化物和碳煙。它通過設(shè)計稀混合氣空燃比或利用再循環(huán)廢氣進行控制，可以將燃燒溫度降低到1800K以下，并且由于它工作在均質(zhì)稀混合氣模式，可以有效抑制NOx和碳煙的生成，幾乎實現(xiàn)無煙燃燒。

3）由于HCCI燃燒只與其物理化學性質(zhì)有關(guān)，其點火和燃燒速率只受燃料氧化反應(yīng)的化學反應(yīng)動力學控制，不受缸內(nèi)流場的影響同時，均質(zhì)預(yù)混混合物的組織也相對簡單因此，在發(fā)動機上實現(xiàn)HCCI燃燒模式可以簡化發(fā)動機燃燒系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計。

稀燃能夠降低發(fā)動機油耗的主要原因是：當使用稀混合氣燃燒時，循環(huán)熱效率提高。汽油機的實際循環(huán)接近于定容加熱循環(huán)，定容加熱循環(huán)的指示熱效率與壓縮比和絕熱指數(shù)成正比。隨著空燃比的增加，空氣的量增加，因此工質(zhì)的絕熱指數(shù)逐漸接近空氣的絕熱指數(shù)，即理論上空燃比達到無窮大時，熱效率達到最大。稀燃對排放的改善主要表現(xiàn)在隨著空燃比的增加，燃燒更加充分，CO和THC的量減少。

然而，三元催化轉(zhuǎn)化器不能凈化廢氣中的NOx。這是因為三元催化轉(zhuǎn)化器利用廢氣中的HC或CO來還原NOx。在稀薄燃燒中，大量的氧氣殘留在廢氣中，因此不能進行NOx還原反應(yīng)。

雖然稀燃可以同時改善經(jīng)濟性和排放，但在實際應(yīng)用中還存在一些難題，主要是：

1）當混合物稀釋后，著火延遲時間延長，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟雇耆紵永щy。

2）當混合氣被稀釋后，如果火花塞周圍的混合氣濃度降低，所需的最小點火能量會迅速增加，難以形成火核，不僅點火困難，還會增加點火延遲，增大最佳點火提前角，降低燃燒效率。同時，緩慢的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍黾恿税l(fā)動機的循環(huán)變化，降低了汽車的行駛性能。

3）在稀燃時，廢氣總是富含氧氣，這對NOx的還原非常不利。目前，稀燃催化轉(zhuǎn)化器還不夠成熟，其轉(zhuǎn)化效率和使用壽命有待提高，這是困擾稀燃技術(shù)進一步發(fā)展的重要課題。

4）當使用稀燃時，空燃比變化很大，并且燃料噴射正時和點火提前角都與空燃比相關(guān)因此，噴油正時和點火提前角的控制應(yīng)隨著空燃比的變化而變化。