汽車專業(yè)教學(xué)資源庫 稀薄燃燒技術(shù)只能依靠分層燃燒嗎？馬自達(dá)又有什么新動向？快來看看吧。

如果要問稀薄燃燒是什么意思，恐怕連一個門外漢也能答個八九不離十。就大多技術(shù)而言，如果不求甚解，只想搞懂其最基本的科學(xué)原理都不是什么難事。以稀薄燃燒技術(shù)為例，一言以概之，就是利用稀混合氣驅(qū)動發(fā)動機(jī)做功的一種技術(shù)。再具體點(diǎn)說，如果發(fā)動機(jī)的空燃比大于18:1，我們便可以稱之為稀薄燃燒。當(dāng)然，實(shí)際采用稀薄燃燒技術(shù)的發(fā)動機(jī)空燃比可能遠(yuǎn)高于這一比值。

稀薄燃燒技術(shù)發(fā)展簡史

雖然時至今日，這項技術(shù)仍未在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)普及，不過要是談及歷史，稀薄燃燒技術(shù)早在40多年以前，便已成為發(fā)動機(jī)研發(fā)領(lǐng)域的“寵兒”。

上世紀(jì)70年代，受到石油危機(jī)及排放法規(guī)收緊的影響，人們開始對稀薄燃燒技術(shù)產(chǎn)生濃厚的興趣。從理論上來講，稀薄燃燒既實(shí)現(xiàn)了燃料的充分利用，又可大幅降低發(fā)動機(jī)的換氣損失，同時還能減少污染物的排放，可謂是一舉多得。

當(dāng)時，最先提出技術(shù)方案的是日本的豐田與本田兩家企業(yè)。由它們設(shè)計的一種帶有副燃燒室的發(fā)動機(jī)，便能實(shí)現(xiàn)利用稀薄混合氣驅(qū)動發(fā)動機(jī)做功，再用氧化催化器凈化排出的尾氣?？蛇z憾的是，由于從副燃燒室噴出火焰再傳導(dǎo)到主燃燒室，熱量損失過大，其最終的節(jié)油效果相比普通汽油機(jī)并未有明顯改善。

到了上世紀(jì)80年代，豐田、本田、通用等公司先后設(shè)計出了一種具有開口式燃燒室的稀薄燃燒發(fā)動機(jī)，用以取代此前的副燃燒室設(shè)計。這種燃燒室不僅在熱量損失上比原設(shè)計要小上很多，且對缸內(nèi)渦流的形成效果也更為出色。

與此同時，隨著燃料噴射更加精細(xì)化，以及各類傳感器的日趨成熟和精確，精密控制空燃比已成為可能。故在這一時期，微機(jī)控制電噴技術(shù)也逐漸在稀薄燃燒發(fā)動機(jī)中得到普及。其中最具代表性的莫過于豐田T-LCS（豐田稀薄燃燒系統(tǒng)），該系統(tǒng)采用了速度密度型汽油噴射裝置，能各種工況下，對噴油時間、噴油量及點(diǎn)火時間等參數(shù)進(jìn)行精確、高效調(diào)節(jié)，進(jìn)而使發(fā)動機(jī)擁有更為理想的工作狀態(tài)。

不過要說稀薄燃燒發(fā)動機(jī)真正嶄露頭角，那已經(jīng)是上世紀(jì)90年代后的事情了。

1996年日本三菱汽車率先在當(dāng)時的4G93 1.8L發(fā)動機(jī)改進(jìn)型上引入了現(xiàn)代電控缸內(nèi)燃油噴射系統(tǒng)，后又經(jīng)多次改良陸續(xù)推出了6G74及4G15等一系列缸內(nèi)直噴機(jī)型，使這一技術(shù)迅速成熟。

借此契機(jī)，將缸內(nèi)直噴技術(shù)與稀薄燃燒技術(shù)相結(jié)合，開始成為稀薄燃少技術(shù)研發(fā)的新寵。相較于采用氣道噴射稀薄燃燒技術(shù)，直噴稀薄燃燒技術(shù)在能量榨取上可謂是更加“窮兇極惡”。不僅將前者的優(yōu)點(diǎn)完整加以保留，且在動力輸出指標(biāo)上，也普遍要再高近一成。

殊途同歸的稀薄燃燒技術(shù)

那經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展演變，今天稀薄燃燒技術(shù)又是何種模樣呢？

首先，從技術(shù)角度來看，其主要呈現(xiàn)出兩大特點(diǎn)。

1.超稀薄燃燒愈發(fā)受到關(guān)注。如前幾年紅極一時的本田的i-VTEC I型直噴汽油發(fā)動機(jī)，其空燃比可達(dá)65:1，這要放在稀薄燃燒技術(shù)的發(fā)展初期，簡直就是癡人說夢。

2.結(jié)構(gòu)大幅精簡，控制漸成核心。無論是本田的VETC-i，還是三菱的MVV，與早期的稀薄燃燒系統(tǒng)相比，其自身構(gòu)造都得到了相當(dāng)程度上的簡化，并逐漸趨于穩(wěn)定。利用多氣門及精確噴射控制，繁冗的硬件結(jié)構(gòu)被塵封史冊，取而代之的是對軟件方面的不斷優(yōu)化。

其次，雖然當(dāng)今的稀薄燃燒技術(shù)稱得上是遍地開花，叫法各異，但實(shí)際上若以噴油方式對其加以分門別類，卻又基本上可劃歸為氣道噴射稀薄燃燒（PFI）與缸內(nèi)直噴稀薄燃燒（GDI）兩種實(shí)現(xiàn)形式。

話說到此，我們先不急于對二者進(jìn)行點(diǎn)評，而是將目光移至另一項技術(shù)身上——分層燃燒。因為，無論是PFI還是GDI，都是在該技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)化得來的。

眾所周知，混合氣中如果汽油含量越低，就越難被引燃，而采用稀薄燃燒的發(fā)動機(jī)其空燃比往往可以達(dá)到25:1甚至更高，因此，就必須對混合氣加以分層，使靠近火花塞部分的混合氣具有較高的空燃比，以利于點(diǎn)火，這就催生出了分層燃燒技術(shù)。

目前，為達(dá)到分層燃燒的所采取的技術(shù)手段主要有以下三種：

1.采用多次噴射技術(shù)，使混合氣濃度加以區(qū)分。

2.利用燃燒室壁面結(jié)構(gòu)，令混合氣產(chǎn)生滾流，進(jìn)而產(chǎn)生濃度差異。

3.通過可變進(jìn)氣技術(shù)，在發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，對部分進(jìn)氣道實(shí)施截流，以增大進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，促使混合氣分層的形成。

一般來說氣道噴射稀薄燃燒（PFI）發(fā)動機(jī)多采用第三種技術(shù)方案，而直噴稀薄燃燒（GDI）發(fā)動機(jī)則對前兩種實(shí)現(xiàn)手段更為青睞。

明晰了什么分層燃燒后，我們再將話題重新回到PFI與GDI兩種稀薄燃燒門類上。其實(shí)，單純從市場發(fā)展去市場看，目前后者已成為了當(dāng)今市場中的絕對主流，這點(diǎn)很容易理解，因為缸內(nèi)直噴技術(shù)本身已是一種潮流。不過，話雖如此，但二者之間還是有諸如共性可循，尤其是在尾氣處理方面所受到的技術(shù)制約基本趨于一致。

車云菌前面已經(jīng)介紹過，稀薄燃燒技術(shù)對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的提升及減少污染物的生成都大有裨益，可隨著空燃比的增加，發(fā)動機(jī)尾氣中NOx的處理難度也會隨之增大。

由于三元催化器需要借助排氣中的HC或CO進(jìn)行NOx還原反應(yīng)，而隨著空燃比的增加，混合氣燃燒溫度降低會抑制HC和CO的生成，使得NOx的還原反應(yīng)便無法進(jìn)行，因此，稀薄燃燒發(fā)動機(jī)通常需要增加額外的NOx吸儲型催化轉(zhuǎn)化器來解決這一問題。

可難題也隨之出現(xiàn)，NOx吸儲型催化轉(zhuǎn)化器對于錳、硫這兩種元素十分排斥，如果廢氣中含量過高，則會使NOx吸儲型催化轉(zhuǎn)化器中毒，進(jìn)而失去催化效能，故采用稀薄燃燒技術(shù)的發(fā)動機(jī)還需額外增加與之相對應(yīng)的處理環(huán)節(jié)。

以硫元素的處理為例，降低其含量的方法主要有兩種方式，要么從源頭遏制，采用低硫含量的汽油，不過這種汽油并不是到處都能買到，而且不受整車廠商控制，所以實(shí)現(xiàn)起來難度極大。

另外就是后期設(shè)法補(bǔ)救，如大眾便通過將催化劑反應(yīng)溫度提高到650度以上方式，使硫通過燃燒而加以消除。

可這種做法也頗具局限性，尤其是過于依賴發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)車輛保持高速行駛時，保持這樣高的催化劑溫度尚容易實(shí)現(xiàn)。但在市內(nèi)低速行駛時，催化劑的溫度便會下降，進(jìn)而導(dǎo)致附著在催化劑中的硫無法被完全燒除。因此，像一些汽油硫含量比較高的國家，如主要從中東進(jìn)口石油的中國，稀薄燃燒技術(shù)的推廣就飽受制約。

未來稀薄燃燒技術(shù)的寵兒——HCCI

那是否稀薄燃燒就一定要采用分層燃燒的方式呢？車云菌在很多論壇中潛水的時候就發(fā)現(xiàn)持這種觀點(diǎn)的人并不在少數(shù)。其實(shí)如果要放在稀薄燃燒技術(shù)剛剛興起的年代確實(shí)可以得出這一結(jié)論。不過，現(xiàn)而今隨著HCCI（均質(zhì)稀薄壓燃技術(shù)）的聲名鵲起，在均質(zhì)混合氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒早已成為一種可能。

簡單來說，HCCI就是一種令汽油機(jī)采用壓燃點(diǎn)火方式來實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒的獨(dú)特技術(shù)。該技術(shù)在上世紀(jì)90年代初便已被提出并開始實(shí)驗，只不過由于當(dāng)時的電子控制技術(shù)沒有現(xiàn)在成熟，所以并不為外界所熟知。

相比于分層稀薄燃燒的擴(kuò)散引燃燃燒方式，HCCI技術(shù)的好處顯而易見。

首先，HCCI可使所有燃料幾乎在同一時刻被壓燃，從而消除了火焰擴(kuò)散中的能量損失，使得發(fā)動機(jī)整體燃效得以進(jìn)一步提升。

其次，由于壓燃點(diǎn)火不再需要火花塞，故長期困擾汽油機(jī)的炙熱區(qū)的頑疾也將得到根治。

另外，HCCI還可以按照變質(zhì)調(diào)節(jié)的方式，直接通過調(diào)節(jié)噴油量來調(diào)節(jié)扭矩，不再需要節(jié)氣門，令發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的泵氣損失顯著降低。

當(dāng)然，作為一項新興技術(shù)，HCCI所遭遇的技術(shù)瓶頸同樣不比優(yōu)點(diǎn)少。

其一，由于吸入的混合氣只有在高溫、高壓下才能實(shí)現(xiàn)壓燃，因此其很難與渦輪增壓技術(shù)相搭配。

其二，HCCI的燃燒速度絕對不能太快，否則極易引發(fā)爆缸。

第三，由于壓燃方式更易引發(fā)NOx及CO生成，因此，對燃燒溫度必須加以控制，這間接導(dǎo)致了HCCI所適用的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間較為狹小。

為了削弱以上弊病，幾乎所有的發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠商都會將廢氣再循環(huán)技術(shù)作為HCCI的固定搭配，而這一技術(shù)的一個前提條件就是點(diǎn)火時間可變。

雖然在廢氣再循環(huán)的實(shí)現(xiàn)方式上，每個廠商都有各自的門道，但均需遵循一點(diǎn)原則，即廢氣所占混合氣的比例不得低于50%。只有這樣，廢氣才能在加熱混合氣及調(diào)節(jié)缸內(nèi)溫度之余，一并實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)火延時的有效調(diào)節(jié)。

在HCCI實(shí)用化方面，馬自達(dá)或?qū)⒊蔀榈谝粋€吃螃蟹的整車制造商。據(jù)此前媒體報道，其正在研發(fā)第二代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(jī)便會應(yīng)用該技術(shù)。但即便如此，第二代馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(jī)也不會完全實(shí)現(xiàn)HCCI，點(diǎn)火系統(tǒng)也可能會繼續(xù)保留，HCCI只有在部分工況時應(yīng)用。

說到這兒，有些人可能會在潛意識中悟到什么。是的，對于稀薄燃燒技術(shù)，日系品牌總是迫不及待地尋求落地，而歐美品牌卻顯得并不那般心急。這究竟是所為何故呢？

簡單來講，可將其歸結(jié)于造車?yán)砟钌系牟町?。日系廠商向來對燃油經(jīng)濟(jì)性頗為看重，所以只要是對降低油耗大有裨益的技術(shù)，越快實(shí)現(xiàn)落地，就越符合廠商心中的預(yù)期，即便是多花上一些錢也在所不惜。

可歐美車企則不然，相比于油耗降個百分之幾，它們更關(guān)注車輛的動力性。就像HCCI技術(shù)那樣，稀薄燃燒對動力的貢獻(xiàn)幾乎為零，甚至還可能出現(xiàn)負(fù)值。因此，權(quán)衡再三，只要不是被法規(guī)倒逼到必須為之的地步，歐美品牌還是更傾向于采取穩(wěn)扎穩(wěn)打的技術(shù)推進(jìn)策略。