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因汽油和柴油两种燃料的理化特性不同，内燃机可以分成汽油机和柴油机两类。20世纪70年代以来，随着欧美等发达国家排放法规和油耗法规的实施，内燃机燃烧与排放控制技术取得了飞速发展，使内燃机燃油消耗率和有害排放有了大幅度的降低，但传统的火花点燃式汽油机和压燃式柴油机由于燃烧工：作方式的局限性，难以进一步提高燃料利用率或降低有害排放。

受汽油的辛烷值和爆震燃烧等因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比，造成发动机的热效率较低；汽油机缸内燃烧属均质预混合燃烧，燃烧的温度高，火焰传遍整个燃烧室的时间长，因而燃烧过程产生了较多的NO。和不完全燃烧产物CO和HC。另外，由于汽油机需要用节气门控制进气量来调节发动机的功率，部分负荷时的泵气损失增加使发动机的有效热效率进一步降低。柴油机的缸内燃烧属燃料在高温下的自燃，燃烧过程可分为预混燃烧和扩散燃烧。柴油在上止点前喷人汽缸，自燃着火需经过一段滞燃期，在滞燃期内形成的那部分混合气首先迅速燃烧(预混燃烧)，使柴油机缸内温度压力提高。随后，在高温和高压的环境下，喷雾形成的油束便扩散混合，并由扩散速度决定燃烧速度的方式燃尽剩余燃料(扩散燃烧)。尽管柴油机燃烧的平均空燃比在2．3以上，燃烧室内气体平均温度也较低，在1200～2000K之间，但由于燃料与空气的混合严重不均，而燃烧的局部可以认为仍然是以化学计量比为l的燃烧过程，火焰温度可高达2700K。燃烧过程中存在着已燃高温区、高温火焰区和未燃高温过浓区，已燃高温区有利于NO2生成，而在高温燃料过浓区，又由于缺氧而大量生成碳烟，柴油机的非均质燃烧特性使排放降低变得非常困难。

有鉴于此，研究者一直期望能将汽油机均质燃烧和柴油机燃烧的高压缩比燃烧的优势结合在一起，相互取长补短。随着电子控制技术的进步和在内燃机中应用的发展，人们的这一愿望终于变成现实，这就是近年来迅速发展起来的汽油缸内直喷(gasoline direct injection)发动机和均质充量压燃(homogenous charge compression ignition)发动机。 5．1 汽油缸内直喷分层燃烧发动机

汽油机的功率是通过改变节气门开度调整发动机的进气量来实现的，届变量调节。在发动机中低负荷时，为了减小发动机的功率，节气门开度减小以减少进气量，进气节流使发动机的泵气损失增加，发动机的燃油经济性变差。此外，受汽油的辛烷值的限制，汽油机的压缩比较小，使得循环的理论热效率降低。以上两方面的因素就是汽油机燃油消耗较柴油机高的原因。在燃烧与排放方面，汽油机吸入汽缸内的可燃混合气是被火花塞点燃的，燃烧以火焰传播的方式进行；为了进行排气的三效催化后处理，发动机需燃用化学计量比的混合气，因此发动机缸内燃烧温度较高，NOx的生成与排放多；末端混合气是未燃的，碳氢浓度高，随着燃烧的进行，缸内压力升高导致大量的未燃的燃料进入活塞顶岸等狭缝容积，这部分HC在膨胀行程溢出，部分被氧化，其余以未燃HC和CO的形式排出机外。因此，在过量空气系数y＝1附近工作的汽油机的机内生成与排出的CO、HC和NO：都较高。

如图5—1所示为某发动机部分负荷工况下的CO、HC和NO，有害排放浓度随空燃比的

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变化，若发动机采用分层稀燃(稀薄燃烧)方式工作，则能够大大降低机内生成的CO、HC和NO。排放。发动机稀燃时，由于混合气中的氧气较多，燃料燃烧比较充分，同时燃烧温度也有所降低，所以CO、HC和NO，有害排放都减少(图中实线)。稀燃时的混合气和燃气的比热容较小，压缩指数n升高，再加上进气节流造成的泵气损失减少，因而能够提高发动机的热效率，改善发动机的燃油经济性。

汽油机是火花点燃的，稀燃时虽然混合气的浓度仍在稀火焰传播极限以上，但火焰传播速度变慢，发动机燃用稀的混合气时一方面需要高的点火能量(见2．3节)，火核的形成或火焰的发展期延长，有可能导致较大的燃烧循环变动，另一方面由于稀混合气的火焰传播速度降低，使燃烧持续期延长，发动机的热效率有可能下降。如果提高混合气的温度和压力，则可以克服上述稀燃发动机燃烧过程的不足，于是分层燃烧稀燃发动机应运而生。

发动机的分层燃烧就是在火花塞处形成空燃比A/F=12.0~13.5易于着火的浓混合气，由火花塞处向外，混合气的空燃比依次增加，燃料的浓度变稀，燃烧过程中利用内层已燃混合气的能量，提高外邻层较稀混合气的温度和压力，提高火焰传播速度和燃烧的稳定性，依次类推，直至最外层的空气，则整体上燃烧速度加快，燃烧循环波动率减小，使分层稀燃发动机的性能得以改善提高。

稀燃汽油机按技术的构成可分为进气道汽油喷射式和缸内汽油直接喷射(D1)式两类，通常将进气道喷射式稀燃汽油机称为稀燃汽油机(lean burn gasoline engine)，将缸内直喷式稀燃汽油机称为直喷式汽油机(gasolinedirect injection engine，GDI发动机)。无论是稀燃汽油机还是直喷式汽油机，它们的核心技术要领都是要依靠气流运动和燃油喷射相结合，形成以火花塞为中心由浓到稀的混合气分层。