实现稀薄燃烧的关键技术有哪些

A. 内燃机的巨大提升，通向50%热效率之路。

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虽然我国是全球最为积极推进电动车普及的国家，但是考虑到电动车天生的补充能量劣势和里程焦虑，我国仍然非常现实的推出了低油耗车型奖励方案。具体已经在笔者的前面一篇文字里做了描述。详见《工信部出的奥数题，解出来你就知道燃油车5年后还有戏吗》。

这一方案对能够带来巨大油耗降低的混合动力车型是一个前所未见的利好，同时也鼓励各厂家进一步挖掘内燃机的潜力，做好燃油车油耗降低工作。

说起挖掘内燃机的潜力，首当其冲的就是本田和丰田，早在2015年丰田就在其SAE文献中发表了实现45%热效率发动机的技术。

在那个时候，丰田使用了一台2.0升的四缸实验样机，样机参数如下图所示

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

B. 什么是发动机的稀薄燃烧技术

一、稀燃是指发动机可以燃用汽油蒸气含量很低的可燃混合气。
二、从理论上讲，混合气越稀，越接近于空气循环，绝热指数k值越大，热效率越高。但事实上，当过量空气系数>1.05～1.15之后，油耗反而增加。这是由于：混合气过稀时，燃烧速度过于缓慢，等容燃烧速度下降，补燃增加，热功转换的有效性下降；燃烧速度下降，混合气发热量和分子改变系数减小，指示功减小，机械效率下降；混合气过稀，发动机对混合气分配的均匀性和汽油、空气及废气三者的混合均匀性变得更加敏感，循环变动率增加，个别缸失火的机率增加等

C. 追求更高热效率 实现稀薄燃烧 本田和马自达不同的技术路线

发动机的热效率越高，单位燃油所释放的能量就越多，能耗和排放就越少。在如今的节能减排的大目标下，为了让内燃机再为人类多服役一些时间，提高发动机热效率成为各大车厂重点研发方向，其中日系车企在技术方面的追求更有成果。

现在大多数发动机热效率在30%~38%之间，部分日系车企可以将热效率做到40%以上。其中丰田的Dynamic Force系列2.5L发动机，热效率为40~41%，搭载在第八代凯美瑞上。本田新款的雅阁混合动力2.0L汽油机实现了40.6％的最高热效率。

不过，在技术储备上，本田和马自达都宣布已经在实验室完成了更高热效率的机器。近期，本田宣布发动机样机上达到了47.2%的热效率，而马自达的第二代创驰蓝天技术据称热效率可以达到50%。那么，我们来看看这两家技术控玩家都是怎么实现的？

本田——来自F1赛车的预燃室技术提高空燃比

为了提高热效率，本田采用了在F1赛车上广泛使用的预燃室（副燃烧室）技术。与常见的理论空燃比（14.7）的燃烧相比，空燃比超过30的稀薄混合气体的燃烧，可以使热效率快速提升。同时降低燃烧温度，使氮氧化物的排放也可以进一步降低。而当混合气体变得超稀薄时，会难以点燃并且难以稳定的燃烧。本田通过采用F1赛车中的预燃室（副燃烧室）技术来实现超稀薄燃烧。

预燃室可以看做是一个把火花塞包裹住，并有许多小孔的金属盖。同时在预燃室中增加一个直接喷射器，确保预燃室中混合气可以燃烧。预燃室中的混合气先被点燃，火焰从小孔中弹出进入气缸。类似于多点点火的形式，可以让气缸中的超稀薄混合气快速燃烧。

采用了预燃室的技术，本田能够实现采用空燃比接近40的超稀薄混合气体稳定燃烧。相比较传统的火花塞点火发动机，燃烧速度大大提高。

马自达——第二代创驰蓝天（SKYACTIV-X）汽油压燃技术

同样是增大空燃比实现稀薄燃烧，马自达第二代创驰蓝天发动机采用另外一个技术路线——火花塞控制的压燃点火技术。将传统的汽油机火花塞点火和柴油机的压燃点火方式相结合。压燃的点火方式可以使得气缸内的混合气体基本上同时燃烧，即实现真正意思上的均质燃烧，对于燃烧质量提升明显，能够将燃料燃烧更充足，降低了颗粒物的排放和积碳的形成，燃烧也较稳定。不过，汽油机的压燃点火难以控制，易产生爆震。

为了解决这个问题，马自达采用火花塞来控制压燃的时机。刚开始先将燃油压力达到300~400bar（为目前直喷发动机喷油压力的两倍）的汽油喷入气缸，喷油量小于正常喷油量，使空燃比远远大于理论空燃比，可以达到36.8:1。而此时缸内大部分为过高空燃比的混合气不能被直接点燃，需要随着压力的升高被压燃。火花塞周围存在一部分较浓的混合气，火花塞点燃这部分混合气， 使缸内压力升高从而触发其他混合气压燃。为了提升进气压力，装配一台机械增压器实现进气压力的控制。

这项技术在不同工况下，会对点火方式进行改变。高转速工况下，发动机依然采用传统的点火方式进行点火，可以实现压燃和引燃的平稳过渡。

侃弟点评：

提高热效率的核心在于提高空燃比，也就是实现所谓的稀薄燃烧技术。我们可以看到，本田与马自达这两项最新技术，空燃比都远大于理论值，让单位燃料接触到更多的空气，就是压榨燃料能量极限的方法。当然，从技术实现的角度看，对于稀薄混合气体压缩的压力值、点燃方式都有更高的要求，两家企业采用了不同的技术路线，侃弟更看好本田的技术方式，理由是结构相对简单、控制系统也没那么复杂，而且在F1上已经得到验证。马自达的技术更理想，燃烧也更充分，但显然控制上更加复杂。

D. 稀薄燃烧

发动机气缸内燃烧的空气和燃料的质量之比被称为空燃比。在汽油刚好能够完全燃烧时，其空燃比为14.7:1，这个值也被称为理论空燃比。稀薄燃烧，顾名思义，就是说燃烧时空气中的燃料很稀薄。在空燃比大于18:1时，就可以将气缸内的燃烧状态称之为稀薄燃烧。

稀薄燃烧的最大特点就是燃烧效率高，经济的同时还可以提升发动机的功率输出。因为在稀薄燃烧的条件下，由混合气点火比理论空燃比条件下困难，暴燃也就更不容易发生，因此可以采用较高的压缩比设计以提高热能转换效率。再加上汽油能在过量的空气里充分燃烧，所以在这些条件的支持下能榨取每滴汽油的所有能量。不过，稀薄燃烧也不是完美的，它也有自己的缺陷。在稀薄燃烧的情况下，废气中会有很多残留的氧气，同时排气的温度也较低，这两方面的原因使得三元催化器对氮氧化物的转化率不高，从而增加了氮氧化物的排放。

缸内直喷是实现稀薄燃烧最好的方法。采用歧管喷射时，空燃比的上限为27：1，而使用直喷时，空燃比甚至可以达到50：1以上。缸内直喷发动机在低负荷时，就处于稀薄燃烧的状态，在高效节能的同时，也排放了更多的氮氧化物。同时，在微粒排放方面，由于油气混合时间较短，形成局部过浓区域可能性更大，所以直喷发动机的微粒排放要多于歧管喷射发动机。

E. 超稀薄燃烧——未来提高发动机热效率的核心技术

研究人员通过仿真分析，对配备了火花点燃预燃室（pre-chamber）发动机的插电式混合动力汽车（PHEV）进行了优化设计，从而减少其CO2排放，并满足欧6d法规的限值要求。

高效的火花点燃式发动机可通过1个能在超稀薄（过量空气系数λ大于2）的工况下使火焰传播过程保持稳定，该目标通过主动型预燃室点火系统即可实现。在采用高效添加剂的稀薄燃烧汽油机（EAGLE）的地平线2020（H2020）项目中，研究人员通过一维模拟（1D）进行仿真分析，以证明该类机型具有使最高效率达到50%的潜力。EAGLE发动机配装于PHEV车型，并可满足欧6d法规排放限值，并使其在全球轻型汽车测试循环（WLTC）运行条件下的CO2排放低于50g/km。

该研究团队评估了1款得以有效定义的数控策略，目的是确保发动机在不同工况下，能以最高有效热效率（brakethermalefficiency，BTE）运行。整个发动机运行特性图能通过这种方法进行计算，并在2000r/min全负荷转速下实现50%的最高效率。

除了在上文所述的λ﹤2的工况范围，在运行特性图上的大多数工况范围内，样机所产生的NOx均相对较低。尽管能提供大量的过量空气，但由于缸内低温和狭隙效应等原因，HC的排放量依然不容忽视。

车辆仿真

该研究团队采用1个自主开发的软件来完成车辆仿真。研究人员将先前用于1D仿真的BTE特性图及电动压缩机功率消耗特性图应用到了汽车模型中。电动压缩机的电吸收功能（electricalabsorption）被认为是电池上的1类额外负荷。研究人员通过采用高效的热电转移策略（ETESS），对汽车行驶所需热电单元的替代利用进行了规定。这2种模式的选择主要在于发动机的有效燃油耗和以纯电动工况行驶时的当量燃油耗之间的比较。与庞特里亚金最小化原理（Pontryaginminimumprinciple）等传统策略相比，ETESS可有效减少计算结果。团队完成了针对WLTC测试循环的车辆仿真，据此评估得出的CO2排放值约为86g/km。这项结果表明HEV即使采用1台非常高效的内燃机（BTE﹥50%），也难以满足欧盟2025年81g/km的CO2排放目标值，而采用PHEV依然仅是为了满足法规要求。在本方案中，产生的CO2排放值约为44g/km，明显低于EAGLE的50g/km的目标值。

该研究团队还提供了1种针对样机的精确分析，其目的是为了评估1辆搭载了超稀薄预燃室发动机的PHEV的BTE、CO2及排放污染物。在WLTC测试循环下对车辆性能的评估表明，该车型的NOx及CO排放水平完全低于欧6d法规限值，但同时需要配备1款后处理系统来减少HC排放。该团队将继续开展研究，以设计出具有更高效率的内燃机。

作者：FABIOBOZZA

整理：王少辉

编辑：伍赛特

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F. 直喷汽油机稀燃技术的原理是什么

直喷汽油机稀燃技术的原理：缸内直喷汽油机稀薄燃烧技术分为均质稀燃和分层稀燃两种燃烧模式。中小负荷时，在压缩行程后期开始喷油，通过与燃烧系统的合理配合，在火花塞附近形成较浓的可燃混合气，在远离火花塞的区域形成稀薄分层混合气；大负荷及全负荷时，在早期进气行程中将燃油喷入气缸，使燃油有足够时间与空气混合，形成完全的均质化计量比进行燃烧。另外，也有的采用分段喷油技术分层混合气，即在进气早期开始喷油，使燃油在气缸中均匀分布，在进气后期再次喷油，最终在火花塞附近形成较浓的可燃混合气，这种将一个循环中的喷油量分两次喷入气缸的方法可以很好地实现混合气的分层。

G. 发动机稀燃技术名词解释

发动机稀燃技术
稀燃是稀薄燃烧的简称，
指发动机在实际空燃比大于理论空燃比的情况下的燃烧，空燃比可达25:1，甚至更高。
稀薄燃烧不仅使燃料的燃烧更加完全，而且也减少了换气损失，同时辅以相应的排放控制措施，大大降低了汽油机的有害排放物，因此具有良好的经济性和排放性能。
稀薄燃烧可以提高发动机燃料经济性的主要原因是，由于稀混合气中的汽油分子有更多的机会与空气中氧分子接触，燃烧完全。采用稀混合气，由于气缸内压力低、温度低，不易发生爆燃，则可以提高热效率。
燃用稀混合气，由于其燃烧后最高温度降低，一方面使通过汽缸壁的传热损失较小，另一方面燃烧产物的离解损失减少，使热效率得以提高。且当采用稀薄混合气燃烧时，由于进入缸内空气的量增加，减小了泵吸损失，这对汽油机部分负荷经济性的改善非常有利。另外，稀薄燃烧时燃烧室内的主要成分O2和N2的比热容较小，多变指数K
较高，因为发动机的热效率高，燃油经济性好。从理论上讲，混合气越稀，热效率越高。但就普通发动机来说，当过量空气系数α
>1.05~1.15后，油耗反而增加。这是由于混合气过稀时，发动机混合气分配的均匀性变得更加敏感，循环变动率增加，个别缸失火的概率增加；等等，如果不解决这些问题，盲目地调稀混合气，不但不能发挥稀混合气理论上的优势，反而会费油。
1、
燃用混合气的技术途径
1）
使汽油充分雾化，对均质燃烧要保证混合气均匀及各缸混合气分配均匀。消除局部区域混合气偏稀的现象，避免电喷发动机调整时的有意加浓；同时，使缸内混合气的实际含量有所增加，失火及不稳定现象就会大大减少，发动机便可以在较稀混合气含量的条件下工作。要是汽油充分雾化，可以在预热、增加进气流的速度、增强进气流的扰动、增加汽油的乳化度以及使汽油分子磁化等方面采取措施。
2）
采用结构紧凑的燃烧室。使压缩时形成挤流，以提高燃烧速度，从而提高燃烧效率，减少热损失。一般采用火花塞放在正中的半球形或蓬顶形燃烧室，或其他紧凑型的燃烧室。
3）
加快燃烧速度。这是稀燃技术的必要条件和实施的基础。提高燃烧速度的主要措施是组织缸内的气体运动和调高压缩比。
4）
提高点火能量，延长点火的持续时间。对于常规含量的混合气而言，普通点火系所提供的点火能量已经足够，但燃用稀混合气就应当设法提高点火能量。高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度提高，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多级火花塞装置来达到上述目的。
5）
采用分层燃烧技术。如果稀燃技术的混合比达到25:1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。如果在火花塞附近的局部区域内供给适宜点火的浓混合气，而在其他区域供给相当稀的混合气，也可以实现稀混合气燃烧。在这种情况下，即使采用普通点火器，也能很快地点燃很稀的混合气，于是火焰得以传播并遍及整个燃烧室。
把采用上述方式工作的汽油机成为分层充气汽油机或分层燃烧汽油机。分层充气是稀混合气燃烧的主要手段，绝大多数稀燃发动机都是采用分层充气方案。
2、
分层燃烧系统分层燃烧系统基本均采用燃油喷射技术。按照燃油喷射的不同形式，将分层稀燃系统分为气道喷射（PFI）稀燃系统和直接喷射（GDI）稀燃系统；
按照混合气的不同组织方式，将分层稀燃系统分为轴向分层稀燃系统和纵向（滚流）分层稀燃系统。
稀燃汽油机一般可分为进气道燃油喷射式和缸内燃油喷射式两类。
一般情况下, 将进气道燃油喷射式汽油机称为稀燃汽油机将缸内燃油喷射式汽油机称为直喷式汽油机。
3、 稀燃技术的发展20世纪70年代初有人开始研究稀燃技术。日本的丰田及本田公司首先探索了一种带副燃烧室, 由稀混合气, 用催化剂净化排气的发动机。但这种燃烧方式由于从副燃烧室喷出火焰会造成热能损失,对改善燃油经济性的效果不明显。自此以后, 随着进气口的改进, 气缸内旋涡生成技术的进步, 由通用、福特、丰田、
本田、日产等汽车公司先后研制成的开口式燃烧室可以形成比带副燃烧室还好的稀薄混合气燃烧, 并且随着进气口燃料喷射技术的发展和稀混合气传感器技术的开发, 精密控制空燃比已成为可能。80 年代中期, 丰田正式使稀混合气发动机( T- LCS) 产品化
, 三菱、本田也相继将其产品产品化。进入90 年代, 三菱汽车公司研制出的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一步。目前, 各大公司都拥有自己的稀燃技术, 其共同点都是利用缸内涡流运动, 使聚集在火花塞附近的混合气最浓, 先被点燃后迅速向外层推进燃烧
,并有较高的压缩比。早期的稀燃系统如丰田TGP燃烧系统、本田分层燃烧系统CVCC 等结构较为复杂影响因素多, 难控制, 不易在所有工况下都获得较好的性能, 所以虽 有不错的试验结果却很难应用于产品而现代的稀燃系统, 如三菱的MVV、韩国现代的HMC
发动机等大都采用多气门技术和电控燃油喷射技术, 具有结构简单、易于控制、可靠性高和各工况下都能获得较高性能等优点, 使得许多稀燃技术具有了实用价值。望采纳

H. 什么是汽车发动机稀薄燃烧技术，对车的实用性能有什么影响

稀薄燃烧我觉得是一种发动机的工作方式，我们基本都知道汽车发动机工作的情况下需要合适的空燃比铺助，大多数状况下，当空燃比为14.7:1时汽油正好能够被完全燃烧，不过当空气量变大、燃料变少的情况下，空气中的燃油那么就会十分稀薄，大多数在空燃比大于18:1时即可称其为“稀薄燃烧”，那么稀薄燃烧有什么优点呢?
稀薄燃烧的优势：
稀薄燃烧最大的优点就是燃烧效率更高。当前的稀薄燃烧技术大多数能够在空燃比为40:1时，也能实现混合气体燃烧，因为这个时候的汽油浓度不正常低，但汽油能在过量的空气里充分燃烧，理所当然燃油的借助于率就更高，等于变相节约了燃油，并且燃烧流程中汽车发动机压缩比相当高、燃烧温度很低，这样就影响到尾气排放下降，有损害物质含量显着下降，在兼顾合理性的与此同时还保障了排放。
总体来看，稀薄燃烧技术是一种充分借助于资源的技术手段，能够以其超高的空燃比对燃油合理性做出巨大的提高，而当前的稀薄燃烧技术关键是通过歧管喷射和缸内直喷来实现的，就实际效果而言，缸内直喷已经成为流行且不可撼动。
稀薄燃烧的缺陷：
整体而言，虽然稀薄燃烧是一种公认的，能够有效果下降汽车排放、提高机械效率的手段，不过技术缺陷还是有的。作为燃油机的续命稻草之一，稀薄燃烧的也并不是是完美的，由于当混合气体浓度下降的情况下，其火焰的传播速度会变慢，真正做到完全燃烧还比较难，火焰的传播速度变慢带来的弊端还可以影响到发动机的循环变动添加，汽车的整体性能也可能会受到影响。

I. 稀薄燃烧的优点和缺点

稀薄燃烧实际上是发动机的一种工作模式。我们都知道汽车发动机工作时，需要适当的空燃油比。一般当空燃料比为14.7:1时，汽油可以完全燃烧，但当空气体体积增大，燃料减少时，空

稀薄燃烧的优点:

稀薄燃烧的最大优点是燃烧效率更高。目前稀燃技术一般在空燃烧比为40:1时就能实现混合气燃烧。由于此时的汽油浓度极低，但汽油在过量的空气体中可以充分燃烧，燃料利用率较高，相当于变相省油，而且汽车发动机压缩比相当高，燃烧时燃烧温度很低，导致尾气排放减少。

一般来说，稀薄燃烧技术是一种充分利用资源的技术手段，以其超高的空燃油比可以大大提高燃油经济性。然而，目前的稀薄燃烧技术主要是通过歧管喷射和缸内直喷来实现的。就实际效果而言，缸内直喷已经成为主流，不可动摇。

稀薄燃烧的缺陷:

作为燃油发动机的维持生命的吸管之一，稀薄燃烧也并不完美，因为当混合气体浓度降低时，其火焰传播速度会变慢，仍然很难实现完全燃烧。火焰传播速度慢带来的弊端也会导致发动机的循环变化增加，汽车的整体性能也会受到影响。

总的来说，虽然稀薄燃烧是公认的能有效降低汽车排放、提高机械效率的方法，但技术缺陷依然存在。

J. 汽车稀薄燃烧技术的背景及其有什么意义急啊

什么叫稀燃？顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量低，汽油与空气之比可达1：25以上。

其实，在20多年前就已经有人在研究稀燃技术。面对21世纪70年代初欧美国家的排放规定以及石油危机引起的降低油耗的需求，人们探索了由稀混合气运行，用氧化催化剂净化排气的方法，采用了一种带副燃烧室的发动机。

这种由丰田及本田公司发明的燃烧方式由于从副燃烧室喷出火焰会造成热能损失，稀混合气发动机改进对油耗的效果不明显。

从那以后，随着进气口的改进，气缸内旋涡生成技术的进步，由通用、福特、丰田、本田、日产等汽车公司先后搞成的开口式燃烧室可以形成比带副燃烧室还好的稀薄混合气燃烧，并且随着进气口燃料喷射技术的发展和稀混合气传感器技术的开发，精密控制空燃比已成为可能。80年代中期，丰田正式使稀混合气发动机（T－LCS）产品化，三菱、本田也相继将其产品实行产品化。

进入90年代，三菱汽车公司研制出来的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一步。目前，各大公司都拥有自己的稀燃技术，其共同点都是利用缸内涡流运动，使聚集在火花塞附近的混合气最浓，先被点燃后迅速向外层推进燃烧，并有较高的压缩比。

比较着名的三菱缸内喷注汽油机（GDI），可令混合比达到40:1。它采用立式吸气口方式，从气缸盖的上方吸气的独特方式产生强大的下沉气流。这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成纵向涡旋转流。在高压旋转喷注器的作用下，压缩过程后期被直接喷注进气缸内的燃料形成浓密的喷雾，喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化。

这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近，在火花塞四周形成较浓的层状混和状态。这种混合状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄，但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布，因此能保证点火并实现稳定燃烧。

大众的直喷汽油发动机（FSI），则是采用了一个高压泵，汽油通过一个分流轨道（共轨）到达电磁控制的高压喷射气门。它的特点是在进气道中已经产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室内，以分层填充的方式推动，使混合气体集中在位于燃烧室中央的火花塞周围。

本田最新的VTEC发动机也将采用稀燃技术。这款取名为VTEC－i 2.0升发动机将比一般本田发动机省油20%，其特点是将VTEC技术与稀燃技术相结合，也是当低转速时令其中一组进气门关闭，在燃烧室内形成一道稀薄的混合气体涡流，层状分布集结在火花塞周围作点燃引爆，从而起到稀薄燃烧作用。

综上所述，汽车汽油发动机实现稀燃的关键技术归纳起来有以下三个主要方面：

一、提高压缩比

采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13：1左右，促使燃烧速度加快。

二、分层燃烧

如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。

为了提高燃烧的稳定性，降低氮氧化物（NOx），现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，进气初期喷油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃，实现分层燃烧。

三、高能点火

高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。

以上三点只是对整体汽油发动机稀燃技术而言，具体到某种机型会有所偏重。因为各种汽油发动机稀燃方式的技术措施不完全一样，甚至同一部发动机在不同的工况下稀燃方式也会不完全一样。有些着重缸内气流运动及燃油分布的配合，重点在分层燃烧。有些着重加大点火能量、增快火焰传播速度和缩短火焰传播距离，重点在高能点火。