“稀薄燃燒技術”解析
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什麼是稀薄燃燒？
稀薄燃燒是指空燃比大於理論空燃比（14。7∶1）時的燃燒。這是提高燃油經濟性的重要手段，發動機稀薄燃燒技術是為了讓混合氣得到更加充分的燃燒，達到降低油耗和排放的目的。
稀薄燃燒應用於汽油機缸內直接噴射技術。因此要實現分層燃燒，必須基於缸內直噴，缸內直噴汽油機稀薄燃燒技術可以分為均質稀燃和分層燃燒兩種燃燒模式。
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怎樣實現稀薄燃燒？
① 進氣道的形狀改變，即傳統的進氣道改為螺旋式進氣道，使氣流流動更為合理，有利於火花塞及火焰的迅速傳遞。
② 採用無級調節氣門正時系統VVT-i，改變進氣門定時角度以滿足不同工況、不同轉速下的進、排氣效應，從而保證發動機的工作穩定。
③ 採用大口徑噴油器，透過提高燃油壓力，使燃油能準時準確充分地噴入汽缸內。
④採用寬頻氧感測器。
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稀薄燃燒有什麼優點？
稀薄燃燒系統能使燃油發揮出最大的效率，使汽油機燃燒室內的燃燒更加安全，不但大大地降低了汽油機的燃油消耗率，也大大地改善了汽油機的尾氣排放。
缸內直噴使汽油機（GDI）超稀薄空燃比的利用和工作方式的改變有了不少的優點，如取消節流降低了泵氣損失，燃油蒸發引起了缸內溫度的降低，提高了汽油機可工作的壓縮比；燃油在進氣行程中對進氣的冷卻，提高了充氣效率等。這些優點可以使發動機燃油經濟性提高25%左右，動力輸出也比進氣道噴射的汽油機增加了將近10%。GDI發動機除了溫室氣體排放較少外，由於其冷卻啟動迅速快捷，很少需要冷啟動加濃，因而可以大幅度降低冷啟動時未燃碳氫化合物的排放。
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稀薄燃燒原理是什麼？
簡單來說，就是用增加發動機進氣係數的方式達到完善的燃油燃燒環境。
一般發動機節氣門設計的開啟角度以及開啟時間都無法達到“微調”的工作狀態，例如發動機1000r/min和1100r/min時所需要的空氣進氣量不同，而透過傳統的發動機各個感應器無法偵測這麼細微的差距，節氣門的工作方式不會隨著發動機工作“隨時”調整開啟角度，而是根據各個感測器傳送來的資訊於下次工作時修改指令，因此有一些燃油是被迫壓入發動機機室，然後隨尾氣排出車外，造成燃油浪費，同時尾氣排放含有過多的未充分燃燒的碳氫化合物。
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汽油發動機實現稀薄燃燒的關鍵技術有哪些？
（1）提高壓縮比
採用緊湊型燃燒室，透過改進進氣口位置使缸內形成較強的空氣運動旋流，提高氣流速度；將火花塞置於燃燒室中央，縮短點火距離；提高壓縮比至13∶1左右，促使燃燒速度加快。
（2）分層燃燒
如果稀燃技術的混合比達到25∶1以上，按照常規是無法點燃的，因此必須採用由濃至稀的分層燃燒方式。透過缸內空氣的運動在火花塞周圍形成易於點火的濃混合氣，混合比達到12∶1左右，外層逐漸稀薄。濃混合氣點燃後，燃燒迅速波及外層。
為了提高燃燒的穩定性，降低氮氧化物（NOx），現在採用燃油噴射定時與分段噴射技術，即將噴油分成兩個階段，進氣初期噴油，燃油首先進入缸內下部，隨後在缸內均勻分佈，進氣後期噴油，濃混合氣在缸內上部聚集，在火花塞四周被點燃，實現分層燃燒。
（3）高能點火
高能點火和寬間隙火花塞有利於火核形成，火焰傳播距離縮短，燃燒速度增快，稀燃極限大。有些稀燃發動機採用雙火花塞或者多極火花塞裝置來達到上述目的。
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稀薄燃燒發動機的優勢有哪些？
（1）改善效能
①採用稀薄混合氣燃燒使迴圈熱效率提高。汽油發動機的實際迴圈接近於定容加熱迴圈，由定容加熱迴圈的指示熱效率與壓縮比和絕熱指數的關係可以看到，提高工質的絕熱指數和壓縮比有利於指示熱效率的提高。隨著空燃比的提高，空氣所佔的量增加，因此工質的絕熱指數逐漸接近於空氣的絕熱指數，理論上，在空燃比達到無限大時，熱效率達到最大值。
②由於稀燃混合氣燃燒溫度低，燃燒產物的離解損失減小，並且降低了與汽缸壁面的傳熱，也使熱效率得以提高。由於稀燃發動機一般不受到高負荷時的爆燃極限的限制，可以採用較高壓縮比，有利於熱效率的提高。當採用稀薄混合氣燃燒時，由於進入缸內空氣的量增加，減小了泵吸損失，這對汽油機部分負荷經濟性的改善是很明顯的，同時也可以採用變質調節，不用節氣門或是小節流，會大大減小泵吸損失，特別有利於改進部分負荷效能。
（2）改善排放質量
隨著空燃比的增加，由於採用稀的混合氣使燃燒溫度降低，NOx的排放明顯減少，同時燃燒產物中的氧成分有利於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，由於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。如果能合理地設計緊湊的燃燒室，並組織好空氣運動，使燃燒在短時間內完成，那麼三種排放都可以大大減少。
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什麼是稀薄燃燒技術FSI？
FSI是FuelStratifiedInjection的英文縮寫，意指燃油分層噴射。燃油分層噴射技術是電噴發動機利用電子晶片經過計算分析精確控制噴射量進入汽缸燃燒，以提高使發動機混合燃油的比例，進而提高發動機效率的一種技術。
直噴式汽油發動機採用類似於柴油發動機的供油技術，透過一個高壓油泵提供所需的100bar以上的壓力，將汽油提供給位於汽缸內的電磁燃油噴嘴。然後透過電腦控制噴射器將燃料在最恰當的時間直接注入燃燒室，透過對燃燒室內部形狀的設計，讓混合氣能產生較強的渦流，使空氣和汽油充分混合。然後使火花塞周圍區域能有較濃的混合氣，其他周邊區域有較稀的混合氣，保證了在順利點火的情況下儘可能實現稀薄燃燒。
與採用傳統技術把燃油噴入進氣歧管的發動機相比，FSI發動機的主要優勢是動態響應好，FSI發動機的三種工作方式是分層燃燒、均質稀燃和均質燃燒。
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什麼是分層燃燒？
分層燃燒的好處在於熱效率高、節流損失少、使有限的燃料儘可能多地轉化成工作能量。分層燃燒模式下節氣門不完全開啟，保證進氣管內有一定的真空度（可以控制廢氣再迴圈和炭罐等裝置）。這時，發動機的轉矩大小取決於噴油量，與進氣量和點火提前角關係不大。
分層燃燒模式在進氣過程中節氣門開度相對較大，減少了一部分節流損失。進氣過程中的關鍵是進氣歧管中安置一翻板，翻板向上開啟（原理、性質，實際機型可能有所不同）封住下進氣歧管，讓進氣加速透過，與w形活塞頂配合，形成進氣渦旋。
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什麼是均質稀燃？
均質稀燃模式混合氣形成時間長，燃燒均勻，透過精確控制噴油，可以達到較低的混合氣濃度。均質稀燃的點火時間選擇範圍寬泛，有很好的燃油經濟性。
均質稀燃與分層燃燒的進氣過程相同，油氣混合時間加長，形成均質混合氣。燃燒發生在整個燃燒室內，對點火時間的要求沒分層燃燒那麼嚴格。均質稀燃的空燃比大於1。
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什麼是均質燃燒？
均質燃燒能充分發揮動態響應好、轉矩和功率高的特點。均質燃燒進氣過程中節氣門位置由油門踏板決定，進氣歧管中的翻板位置視不同情況而定。當中等負荷時，翻板依然是關閉的，有利於形成強烈的進氣旋流，利於混合氣的形成與霧化。當高速大負荷時，翻板開啟，增大進氣量，讓更多的空氣參與燃燒。均質燃燒的噴油、混合氣形成與燃燒和均質稀燃模式基本一樣。均質燃燒情況下空燃比小於或等於1。
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什麼是稀薄燃燒技術GDI？
（1）缸內直噴概述
缸內噴注式汽油發動機與一般汽油發動機的主要區別在於汽油噴射的位置，目前一般汽油發動機上所用的汽油電控噴射系統，是將汽油噴入進氣歧管或進氣管道上，與空氣混合成混合氣後再透過進氣門進入汽缸燃燒室內被點燃做功；而缸內噴注式汽油發動機，顧名思義是在汽缸內噴注汽油，它將噴油嘴安裝在燃燒室內，將汽油直接噴注在汽缸燃燒室內，空氣則透過進氣門進入燃燒室與汽油混合成混合氣被點燃做功，這種形式與直噴式柴油機相似。
（2）缸內直噴優點
缸內噴注式汽油發動機的優點是油耗量低，升功率大。混合比達到40∶1（一般汽油發動機的混合比是15∶1），也就是人們所說的“稀燃”。發動機的活塞頂部一半是球形，另一半是壁面，空氣從氣門衝進來後，在活塞的壓縮下形成一股渦流運動，當壓縮行程行將結束時，在燃燒室頂部的噴油嘴開始噴油，汽油與空氣在渦流運動的作用下形成混合氣，這種急速旋轉的混合氣是分層次的，越接近火花塞越濃，易於點火做功。由於缸內噴注壓縮比達到12∶1，與同體積的一般發動機相比，功率與轉矩都提高了10％。
（3）GDI燃油噴射系統
GDI通常劃分了負荷區，因此要求GDI燃油噴射系統至少能提供2～3種不同的操作模式，以適應不同的負荷要求。GDI要求噴油器霧化水平高，能在較窄的脈衝寬度內噴出所要求的燃油，以確保晚噴，實施分層燃燒。由於噴油器位於缸內，工作條件惡劣，因此要對嘴端沉積物生成和高溫有更強的抵抗能力。此外，噴油器的噴霧特性對GDI發動機的燃燒過程影響較大。
（4）GDI噴油器
GDI採用的噴油器主要有兩種型別：
① 空氣輔助噴油器其噴油原理是先將燃油供入噴油器油室，再充以高壓空氣，從而突破閥座彈力形成噴射。
② 高壓旋流噴油器這種噴油器的特點是，在噴油嘴的頭部設有一個特殊的渦流腔，透過該腔可產生一股強渦流，不僅對噴油嘴噴孔具有自潔作用，使其可靠性得到提高，而且能使燃油噴束的一部分動能直接轉化為水平的旋轉動能，從而降低油束的穿透度，避免其沾溼活塞和缸套壁面。在早噴時噴霧形狀是適宜均質混合的中空擴散型，在晚噴時是適宜分層燃燒的緊湊型。噴油壓力主要影響霧化質量和貫穿速度，較適當的噴油壓力為5～10MPa（最高為12MPa）。
（5）缸內流場的結構
在進氣衝程與壓縮衝程中的瞬態缸內流場是GDI的一關鍵因素。在GDI發動機中，流場的三個重要因素是平均流體結構的穩定性、壓縮衝程中紊流的發展和點火區域的流場平均速度，能較長時間地保持平均流體結構的流場將有利於分層。在汽油機中可採用的流場結構有滾流、渦流和擠流三種。
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GDI和FSI有什麼區別？
（1）關聯
分層燃燒技術和缸內直噴技術一直是相關聯的。分層燃燒的真正目的是可以實現較稀混合氣的點燃，要實現分層燃燒，必須基於缸內直噴，對於缸外噴射的發動機，是無法實現分層燃燒的。而設計缸內直噴的主要目的則是實現稀薄燃燒。而發動機的稀薄燃燒技術是為了讓混合氣更加充分燃燒，達到降低油耗和排放的目的。
（2）區別
GDI：
三菱GDI採用直接噴射，噴油器置於汽缸頂部，離火花塞和進氣門位置很近。在發動機進氣行程中，它也會噴油，但噴油量非常少，在活塞向下運動到底部並向上壓縮時，汽缸內的空氣已經得到完全混合，這與缸外噴射的道理相同。但這時候的混合氣是不能被點燃的，因為濃度實在是太低了，預先達到這種濃度，只是為第二次噴油點燃缸內氣體並充分燃燒做準備。當活塞即將到達上頂點，噴油器開始第二次噴油，因為噴出的燃油是漏斗形，越是靠近噴油器的地方，濃度就越高，而火花塞離噴油器很近，顯然此時在火花塞附近的燃油濃度是很高的，比其他部位的混合氣濃度要高，從而實現不同區域出現不同混合氣，也就是所謂分層。由於火花塞附近的混合氣較濃，很容易被點燃，這部分點燃的氣體會繼續引燃剩餘的混合氣，從而達到分層點火燃燒的目的。
FSI：
大眾的FSI噴油是間接式的。它把噴油器安放在進氣門附近，同樣是兩次噴油，但噴油物件是對準活塞，而且在活塞上有個U形槽，燃油噴射出來後，會隨著凹槽轉變方向，目的地也是火花塞附近。因此也會在火花塞附近形成較濃的混合氣，達到燃油分層的目的。大眾FSI的目的似乎很單純，就是想要節油，活塞上的U形槽有助於產生更多的缸內渦流，使混合氣混合充分。
