稀薄燃燒發(fā)動機特點

稀薄燃燒發(fā)動機空燃比

是指在內(nèi)燃機中，空氣與燃料的質(zhì)量比。如果它恰好等于能使得燃料完全燃燒的化學計量比，則稱為化學計量空燃比?？杖急仁菧p少排放和提高內(nèi)燃機性能的一個非常重要的參數(shù)?？杖急仁侵冈诎l(fā)動機進氣沖程中吸入氣缸的空氣與燃油（汽油）重量之比，混合氣中的空氣與燃油的比例稱為空燃比。 汽油與空氣混合燃燒時，空氣量過多或者過少都不能有效進行燃燒。汽油完全燃燒所必需的空氣比例，可以根據(jù)理論計算得到，并稱之為理論空燃比。具體地講，一份汽油對14.7份空氣。因此理論空燃比為14.7。必須根據(jù)發(fā)動機的工況改變空燃比。在帶有三效催化轉(zhuǎn)化器的發(fā)動機中，發(fā)動機必須調(diào)整到理論空燃比，14.7∶1。在帶節(jié)氣門開啟時，發(fā)動機以較稀薄的混合氣，即空燃比在15－16∶1范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，但在稀薄燃燒發(fā)動機中，將以更為稀薄的混合氣，即空燃比大于18。

稀薄燃燒發(fā)動機燃燒效率等

稀薄燃燒技術(shù)的最大特點就是燃燒效率高，經(jīng)濟、環(huán)保，同時還可以提升發(fā)動機的功率輸出。因為在稀薄燃燒的條件下，由于混合氣點火比理論空燃比條件下困難，暴燃也就更不容易發(fā)生，因此可以采用較高的壓縮比設(shè)計提高熱能轉(zhuǎn)換效率，再加上汽油能在過量的空氣里充分燃燒，所以在這些條件的支持下能榨取每滴汽油的所有能量。

發(fā)動機混合氣中的汽油含量低，汽油與空氣之比可達1：25以上[Lean burn refers to the use of lean mixtures in an internal combustion engine. The air-fuel ratios can be as high as 25:1, so the mixture has considerably less fuel in comparison to the stoichiometric combustion ratio (14.7:1 for petrol for example).]

車汽油發(fā)動機實現(xiàn)稀燃的關(guān)鍵技術(shù)歸納起來有以下三個主要方面：

稀薄燃燒發(fā)動機提高壓縮比

采用緊湊型燃燒室，通過進氣口位置改進使缸內(nèi)形成較強的空氣運動旋流，提高氣流速度；將火花塞置于燃燒室中央，縮短點火距離；提高壓縮比至13：1左右，促使燃燒速度加快。

稀薄燃燒發(fā)動機混合比達到25：1以上

按照常規(guī)是無法點燃的，因此必須采用由濃至稀的分層燃燒方式。通過缸內(nèi)空氣的運動在火花塞周圍形成易于點火的濃混合氣，混合比達到12：1左右，外層逐漸稀薄。濃混合氣點燃后，燃燒迅速波及外層。為了提高燃燒的穩(wěn)定性，降低氮氧化物（NOx），采用燃油噴射定時與分段噴射技術(shù)，即將噴油分成兩個階段，進氣初期噴油，燃油首先進入缸內(nèi)下部隨后在缸內(nèi)均勻分布，進氣后期噴油，濃混合氣在缸內(nèi)上部聚集在火花塞四周被點燃，實現(xiàn)分層燃燒。

稀薄燃燒發(fā)動機高能點火

高能點火和寬間隙火花塞有利于火核形成，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短，燃燒速度增快，稀燃極限大。有些稀燃發(fā)動機采用雙火花塞或者多極火花塞裝置來達到上述目的。

稀薄燃燒發(fā)動機三菱缸內(nèi)噴注汽油機

比較著名的三菱缸內(nèi)噴注汽油機（GDI），可令混合比達到40:1。它采用立式吸氣口方式，從氣缸蓋的上方吸氣的獨特方式產(chǎn)生強大的下沉氣流。這種下沉氣流在彎曲頂面活塞附近得到加強并在氣缸內(nèi)形成縱向渦旋轉(zhuǎn)流。在高壓旋轉(zhuǎn)噴注器的作用下，壓縮過程后期被直接噴注進氣缸內(nèi)的燃料形成濃密的噴霧，噴霧在彎曲頂面活塞的頂面空間中不是擴散而是氣化。這種混和氣被縱向渦旋轉(zhuǎn)流帶到火花塞附近，在火花塞四周形成較濃的層狀混和狀態(tài)。這種混合狀態(tài)雖從燃燒室整體來看十分稀薄，但由于呈現(xiàn)從濃厚到稀薄的層狀分布，因此能保證點火并實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。

稀薄燃燒發(fā)動機大眾直噴汽油發(fā)動機

大眾的直噴汽油發(fā)動機（FSI），則是采用了一個高壓泵，汽油通過一個分流軌道（共軌）到達電磁控制的高壓噴射氣門。它的特點是在進氣道中已經(jīng)產(chǎn)生可變渦流，使進氣流形成最佳的渦流形態(tài)進入燃燒室內(nèi)，以分層填充的方式推動，使混合氣體集中在位于燃燒室中央的火花塞周圍。

稀薄燃燒發(fā)動機本田VTEC發(fā)動機

本田最新的VTEC發(fā)動機也將采用稀燃技術(shù)。這款取名為VTEC－i 2.0升發(fā)動機將比一般本田發(fā)動機省油20%，其特點是將VTEC技術(shù)與稀燃技術(shù)相結(jié)合，也是當?shù)娃D(zhuǎn)速時令其中一組進氣門關(guān)閉，在燃燒室內(nèi)形成一道稀薄的混合氣體渦流，層狀分布集結(jié)在火花塞周圍作點燃引爆，從而起到稀薄燃燒作用。

稀薄燃燒發(fā)動機對經(jīng)濟性的改善

隨著空燃比的增加，發(fā)動機油耗明顯下降，這主要來自幾個方面的原因：首先是采用稀薄混合氣燃燒時循環(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)的關(guān)系可以看到，提高工質(zhì)的絕熱指數(shù)和壓縮比有利于指示熱效率的提高。隨著空燃比的提高，空氣所占的量增加，因此工質(zhì)的絕熱指數(shù)逐漸接近于空氣的絕熱指數(shù)，理論上，在空燃比達到無限大時，熱效率達到最大值。另外，由于稀燃混合氣燃燒溫度低，燃燒產(chǎn)物的離解損失減小，并且降低了與氣缸壁面的傳熱，也使熱效率得以提高。 由于稀燃發(fā)動機一般不受到高負荷時的爆燃極限的限制，可以采用較高壓縮比，有利于熱效率的提高。當采用稀薄混合氣燃燒時，由于進入缸內(nèi)空氣的量增加，減小了泵氣損失，這對汽油機部分負荷經(jīng)濟性的改善是很明顯的，同時也可以采用變質(zhì)調(diào)節(jié)，不用節(jié)氣門或是小節(jié)流，會大大減小泵氣損失，特別有利于改進部分負荷性能。

稀薄燃燒發(fā)動機對排放的改善

隨著空燃比的增加，由于采用稀的混合氣使燃燒溫度降低，NOx的排放明顯減少，同時燃燒產(chǎn)物中的氧成分有利于HC和CO的氧化，因此，HC和CO的排放也減小，然而，隨著空燃比增加到一定程度，由于燃燒速度的降低可能會使燃燒不完全，HC的排放會迅速增加。如果能合理地設(shè)計緊湊的燃燒室，并組織好空氣運動使燃燒在短時間內(nèi)完成，那么三種排放都可以大大減少。

稀薄燃燒發(fā)動機不足之處

根據(jù)稀燃發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)，在分層稀薄燃燒到均質(zhì)理論空燃比燃燒過程中，空燃比連續(xù)變化。因此，三效催化轉(zhuǎn)化器不能夠凈化排放氣體中的NOx。這是因為三效催化轉(zhuǎn)化器要利用排氣中的HC或CO進行NOx還原反應的緣故。在稀薄燃燒中，在排放氣體中殘留很多氧氣，不能進行NOx還原反應。為了使NOx吸儲型催化劑獲得高效功能，其溫度必須保持在250-500℃范圍內(nèi)。當超過這一溫度范圍發(fā)動機會自動轉(zhuǎn)換到均質(zhì)理論空燃比燃燒，并通過三效催化轉(zhuǎn)化器進行廢氣處理。

然而這又與燃油經(jīng)濟性下降相關(guān)，為此，必須增加廢氣冷卻裝置。

利用這種冷卻裝置，排放氣體通過NOx吸儲型催化轉(zhuǎn)化而被冷卻，由于稀薄燃燒的范圍寬，催化轉(zhuǎn)化器的壽命也延長。然而，NOx吸儲型催化轉(zhuǎn)化器會受到硫侵蝕而中毒，所以必須把汽油中的含硫量盡量降低到最少。但是，如前所述，含硫低的汽油不是到處能供應的。大眾汽車公司采取的措施是，把催化劑反應溫度提高到650°以上，從而把附著在催化劑上的硫通過燃燒而加以消除。

在高速行駛時，能夠保持這樣高的催化劑溫度，但是，在城市內(nèi)行駛時則催化劑溫度下降，就不能燒除附著在催化劑的硫。為此，通過NOx傳感器監(jiān)視硫附著在催化劑上的程度，根據(jù)監(jiān)測情況提高排放氣體的溫度。

作為其措施，一般采用點火正時延遲，盡管這樣做會引起燃油經(jīng)濟性惡化，但是為了凈化處理NOx，這是不得已而為之。

另外，稀燃發(fā)動機由于噴射器的加入導致了對設(shè)計和制造的要求都相當?shù)母?，如果布置不合理、制造精度達不到要求導致剛度不足甚至漏氣只能得不償失。

另外稀燃發(fā)動機對燃油品質(zhì)的要求也比較高。