稀薄燃燒

稀薄燃燒是內(nèi)燃機(jī)的一種發(fā)動(dòng)機(jī)工作方式。它的空燃比可以達(dá)到65，333，601，這是化學(xué)計(jì)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(dòng)機(jī)更有效、更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

因此，稀燃結(jié)合最新的電子控制技術(shù)被公認(rèn)為是提高車用汽油機(jī)效率和降低排放的最有前途的方法。

包括進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)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(jī)可靠點(diǎn)火對(duì)應(yīng)的空燃比為10 ~ 20與此相比，稀燃汽油機(jī)的空燃比要大得多。為了確保可靠的點(diǎn)火，點(diǎn)火時(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)結(jié)合適時(shí)的燃油噴射。根據(jù)進(jìn)氣在缸內(nèi)流動(dòng)形式的不同，進(jìn)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)

這種燃燒方式一般是在進(jìn)氣后期結(jié)合燃油噴射，再通過缸內(nèi)強(qiáng)烈的渦流運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的渦流起著維持混合氣分層的作用，噴射時(shí)間決定了缸內(nèi)混合氣的濃位置。如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)采用天篷形燃燒室，火花塞布置在中央。在進(jìn)氣沖程初期（圖1-a）隨著活塞的向下運(yùn)動(dòng)，在氣缸內(nèi)形成強(qiáng)烈的渦流通過進(jìn)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(yùn)動(dòng)。通過控制噴射時(shí)間，燃料噴射器可以在進(jìn)氣后期噴射燃料（圖1-b）因?yàn)橛蜌饣旌蠚庾罱K進(jìn)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(yùn)動(dòng)逐漸衰減，但渦流的分層效應(yīng)一般仍保持在壓縮上止點(diǎn)，有利于點(diǎn)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(qiáng)度和噴油正時(shí)。一般來說，旋流強(qiáng)度越強(qiáng)，缸內(nèi)混合物的混合趨勢(shì)越小，分層效果保持得越好；渦流強(qiáng)度越弱，脫層效應(yīng)保持得越差。噴射正時(shí)決定了氣缸內(nèi)混合氣濃度梯度的分布：進(jìn)氣后期噴油會(huì)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(duì)稱進(jìn)氣道的多氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是具有屋頂形燃燒室和對(duì)稱進(jìn)氣的四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2簡(jiǎn)單地示出了翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的形成過程：當(dāng)進(jìn)氣門升程較小時(shí)，進(jìn)氣在缸內(nèi)的流動(dòng)是混沌的，規(guī)律流動(dòng)不明顯此時(shí)有兩個(gè)渦團(tuán)，它們的旋轉(zhuǎn)軸相互平行并垂直于氣缸軸線，一個(gè)靠近進(jìn)氣門下方的進(jìn)氣道側(cè)，另一個(gè)在進(jìn)氣道的相對(duì)側(cè)，大致在排氣門下方這是一個(gè)非動(dòng)蕩時(shí)期；當(dāng)氣門升程增大時(shí)，進(jìn)氣道對(duì)面的渦團(tuán)突然加強(qiáng)，然后占據(jù)整個(gè)燃燒室，而另一個(gè)渦團(tuán)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(yùn)動(dòng)，翻轉(zhuǎn)流繼續(xù)加強(qiáng)，直到在進(jìn)氣沖程的下止點(diǎn)附近達(dá)到最強(qiáng)，這是翻轉(zhuǎn)流的發(fā)展時(shí)期；壓縮沖程屬于翻滾持續(xù)時(shí)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(diǎn)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(jìn)氣道噴射汽油機(jī)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(gè)極限。缸內(nèi)噴射稀燃汽油機(jī)與缸外噴射稀燃汽油機(jī)相比，泵氣損失較小、傳熱損失小、充氣效率高、防爆性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

發(fā)動(dòng)機(jī)超薄空燃比的利用和工作方式的改變有許多優(yōu)點(diǎn)，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(jī)工作壓縮比的提高，進(jìn)氣沖程時(shí)燃油對(duì)進(jìn)氣的冷卻，充氣效率的提高，其燃油經(jīng)濟(jì)性一般可提高25%左右，動(dòng)力輸出也比進(jìn)氣道噴射的汽油機(jī)提高了近10%

均勻混合氣動(dòng)燃燒系統(tǒng)（HCCI）

早在20世紀(jì)30年代，人們就意識(shí)到汽油機(jī)存在均質(zhì)混合氣壓縮自燃的燃燒方式，但一直被認(rèn)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(diǎn)，有別于汽油機(jī)傳統(tǒng)的均質(zhì)點(diǎn)火預(yù)混燃燒、柴油機(jī)非均質(zhì)壓燃擴(kuò)散燃燒和GDI發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀薄燃燒的第四種燃燒模式。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道來看，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）燃燒的好處是可以同時(shí)保持較高的動(dòng)力和燃油經(jīng)濟(jì)性。一方面采用均質(zhì)燃燒混合氣，保持了原汽油機(jī)的高功率；另一方面取消了節(jié)流損失，設(shè)計(jì)壓縮比高多點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)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(jī)部分負(fù)荷下燃油經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。

2）HCCI燃燒模式可以同時(shí)降低氮氧化物和碳煙。它通過設(shè)計(jì)稀混合氣空燃比或利用再循環(huán)廢氣進(jìn)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(shí)現(xiàn)無煙燃燒。

3）由于HCCI燃燒只與其物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，其點(diǎn)火和燃燒速率只受燃料氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，不受缸內(nèi)流場(chǎng)的影響同時(shí)，均質(zhì)預(yù)混混合物的組織也相對(duì)簡(jiǎn)單因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒模式可以簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

稀燃能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的主要原因是：當(dāng)使用稀混合氣燃燒時(shí)，循環(huán)熱效率提高。汽油機(jī)的實(shí)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(dá)到無窮大時(shí)，熱效率達(dá)到最大。稀燃對(duì)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?yàn)槿呋D(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(jìn)行NOx還原反應(yīng)。

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

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

2）當(dāng)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(diǎn)火能量會(huì)迅速增加，難以形成火核，不僅點(diǎn)火困難，還會(huì)增加點(diǎn)火延遲，增大最佳點(diǎn)火提前角，降低燃燒效率。同時(shí)，緩慢的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍黾恿税l(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變化，降低了汽車的行駛性能。

3）在稀燃時(shí)，廢氣總是富含氧氣，這對(duì)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(jìn)一步發(fā)展的重要課題。

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