稀薄燃燒是內燃機的一種發動機工作方式。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，使發動機更有效、更經濟、環保。

因此，稀燃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方法。

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

入口噴射稀薄燃燒系統（PFI）

普通汽油機可靠點火對應的空燃比為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的非均勻分布。為了實現混合氣的非均勻分布，混合氣必須在缸內分層。混合氣的分層主要依靠氣流的運動結合適時的燃油噴射。根據進氣在缸內流動形式的不同，進氣道噴射稀燃系統可分為渦流分層和滾流分層兩種。

軸向分層稀薄燃燒系統

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合燃油噴射，再通過缸內強烈的渦流運動來實現的渦流起著維持混合氣分層的作用，噴射時間決定了缸內混合氣的濃位置。如圖1所示，發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，在氣缸內形成強烈的渦流通過進氣系統的合理配置，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，在氣缸內形成分層效應。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，在這種燃燒系統中，影響稀燃效果的主要因素是缸內渦流的強度和噴油正時。一般來說，旋流強度越強，缸內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，脫層效應保持得越差。噴射正時決定了氣缸內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動機，尤其是具有屋頂形燃燒室和對稱進氣的四氣門發動機。

圖2 翻滾運動的形成

圖2簡單地示出了翻轉運動的形成過程：當進氣門升程較小時，進氣在缸內的流動是混沌的，規律流動不明顯此時有兩個渦團，它們的旋轉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，另一個在進氣道的相對側，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，然后占據整個燃燒室，而另一個渦團逐漸消失，這就是滾流產生期；隨著氣門升程的增加和活塞的向下運動，翻轉流繼續加強，直到在進氣沖程的下止點附近達到最強，這是翻轉流的發展時期；壓縮沖程屬于翻滾持續時間；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（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，直噴稀燃系統很容易超過這個極限。缸內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，動態響應快。

發動機超薄空燃比的利用和工作方式的改變有許多優點，如絕熱指數的提高和傳熱損失的減少，取消節流減少泵氣損失，燃油蒸發引起的缸內溫度降低，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（HCCI）

早在20世紀30年代，人們就意識到汽油機存在均質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象而被壓制。HCCI燃燒模式的出現，有效地解決了傳統均質稀燃燃燒速度慢的缺點，有別于汽油機傳統的均質點火預混燃燒、柴油機非均質壓燃擴散燃燒和GDI發動機分層稀薄燃燒的第四種燃燒模式。從現有的文獻報道來看，HCCI發動機具有以下優點：

1）燃燒的好處是可以同時保持較高的動力和燃油經濟性。一方面采用均質燃燒混合氣，保持了原汽油機的高功率；另一方面取消了節流損失，設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。它通過設計稀混合氣空燃比或利用再循環廢氣進行控制，可以將燃燒溫度降低到1800K以下，并且由于它工作在均質稀混合氣模式，可以有效抑制NOx和碳煙的生成，幾乎實現無煙燃燒。

3）由于HCCI燃燒只與其物理化學性質有關，其點火和燃燒速率只受燃料氧化反應的化學反應動力學控制，不受缸內流場的影響同時，均質預混混合物的組織也相對簡單因此，在發動機上實現HCCI燃燒模式可以簡化發動機燃燒系統和燃油噴射系統的設計。

稀燃能夠降低發動機油耗的主要原因是：當使用稀混合氣燃燒時，循環熱效率提高。汽油機的實際循環接近于定容加熱循環，定容加熱循環的指示熱效率與壓縮比和絕熱指數成正比。隨著空燃比的增加，空氣的量增加，因此工質的絕熱指數逐漸接近空氣的絕熱指數，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，三元催化轉化器不能凈化廢氣中的NOx。這是因為三元催化轉化器利用廢氣中的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。

雖然稀燃可以同時改善經濟性和排放，但在實際應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，火焰傳播速度變慢，使完全燃燒更加困難。

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，緩慢的火焰傳播速度也增加了發動機的循環變化，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，稀燃催化轉化器還不夠成熟，其轉化效率和使用壽命有待提高，這是困擾稀燃技術進一步發展的重要課題。

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因此，噴油正時和點火提前角的控制應隨著空燃比的變化而變化。