汽油机先进燃烧技术综述

汽油发动机燃烧研究进展
Alex C. Alkidas
奥克兰大学、机电工程署、工程和计算机科学学院，罗切斯特，ＭＩ48309-4478，美国，
在线，２００７年９月１１日。

摘要
本文是关于汽油机上用于减少燃油消耗和发动机排放的最新燃烧研究进展，及其相关技术的一篇综述。

为了优化在转速/负荷范围内的燃烧，发动机应该以三种燃烧模式运行：分层充量点燃（SCSI）、均质充量点燃（HCSI）和均质充量压燃（HCCI）。

能够实现这一目标，最大程度降低油耗和排放的重要技术是：导向喷射直喷系统，灵活可变气门机构以及基于发动机控制的缸内压力。

关键词：汽油机；火花点火；DISI；HCCI；HCSI；HCSI；直喷；压燃；分层燃烧。

1.简介：
全世界绝大多数的乘用车都装载了进气道喷射（PFI），火花点火式汽油机。

尽管这类发动机取得了长足的进步，然而它的局限性根本不能克服，因此我们已经找到了能够克服其中一个或者更多局限的其它类型的汽油机。

让PFI，SI，汽油机性能变坏的基本局限是：（a）在部分负荷工况下导致很大泵气损失的节气门负荷控制方式；（b）在低速或者高负荷工况下汽油的爆震倾向导致了发动机压缩比的降低；（c）3效排气后处理系统要求发动机在化学当量空燃比的工况下运行，这就导致了由于产生高浓度的二氧化碳和水的聚合物而使混合气具有不好的特性（偏低率的比热）；（d）主要由于裂缝油气而导致较高的未燃碳氢排放；（e）由化学当量比燃烧引起的燃烧温度过高导致较高的NO排放量。

其中局限（a）-（c）使发动机的油耗极大的增加。

另一方面，较高的发动机HC和NO 排放物并不是问题，因为在化学当量工况下的发动机具有很高的三效催化转化效率。

能够解决上述问题、在乘用车用发动机上有巨大潜力的两种汽油机燃烧技术是直喷（DI）分层燃烧点燃技术（SCSI）和均匀充量压燃技术（HCCI）。

这些技术都使用了完全稀薄燃烧，并采取了高度稀释和无节气门操作。

和PFI汽油机相比，DI SCSI发动机极大地降低了燃油消耗和发动机排气中的NO排放量，在HC排放量上性能相当。

HCCI发动机在降低燃油消耗性能上和DI SCSI发动机相似，并且在NO排放量的降低上有着不俗的表现（经后处理之后，可减少90%以上），可是HCCI发动机却有着很高的HC排放量。

以上两种发动机技术所具有的共同缺点是它们受限制的转速/负荷范围（小负荷-中等负荷），这就要求发动机使用混合的燃烧模型，稀薄燃烧和较低的排气温度，要实现以上要求所使用的后处理技术与三效催化转换原理不同，这还有待成熟。

一个简单的混合燃烧模型发动机实例是两种模型DISI的混合，在较低负荷和转速工况下采用完全稀混合比的分层混合气，当发动机运行在全负荷、高转速工况下，采用均质混合气或者化学当量比混合气模型。

本文接下来会介绍更复杂的模型切换。

本文综述了了在DISI发动机上取得的研究进展，能够在分层燃烧工况下运行，提高燃油经济性，提高燃烧稳定性，以及降低发动机排放，同时综述了HCCI燃烧用于实现自动点火控制和过度散热率以及在扩大HCCI燃烧上限的研究进展。

加之，本文还讨论了先进汽油机在工作转速/负荷范围内使用不同的燃烧模型所需要的技术。

这次研究的仅仅是汽油机，因此只讨论压缩比较低的发动机，如13:1，虽然偶尔也有必要引用一下并没有考虑这一因素的著作。

而且由于重点在于研究燃烧，所以不会涉及排气后处理技术。

2.直接喷射火花点火发动机（DISI）
目前有两种主要的DISI技术的变型——“均质”DISI以化学当量比混合气运行，以及混
合的DISI模型，混合气在小负荷和低转速工况下以完全的等比稀薄混合气，而在更高的负荷和转速工况下使用“均质”模型。

混合的DISI模型拥有最高的燃油经济效益潜力。

因此我们只讨论混合模型的DISI发动机。

使用稀薄燃烧，泵气损失和传热损失都会减少，并且由于改善的热力学工况，循环效率提高。

加之，DISI发动机由于将燃油直接喷射到气缸中而具有附加的充量冷却效果，这使得发动机压缩比得到提高。

压缩比的显著提高将大大提高循环效率。

在小负荷，低转速工况下以分层充量，稀薄混合气运行，而在更高的转速和负荷工况下以“均质”充量运行。

均质充量工况可以分为两部分，中等负荷区域的完全稀薄混合气或者高度稀薄混合气，更高负荷区域的化学当量空燃比混合气或者更浓的混合气。

在一些情况中，不考虑中等负荷工况，而且当发动机运行在全负荷工况下时，既不使用稀薄分层模型，也不使用化学当量比或者更浓的混合气模型。

除最高负荷工况以外，废气再循环被广泛的用于控制NO x排放。

使用过量空气和EGR稀释的程度主要取决于最大化燃油经济性的要求，并在同时保证排放和和燃烧稳定性维持在可以接受的水平上。

图1 直喷点燃发动机运行模型[1].
直喷火花点火发动机的燃烧系统在广义上分为三种类型，如图2所示，根据控制混合气形成的机械结构：气流导向，壁面导向和喷射导向。

在气流导向和壁面导向的燃烧系统中，喷油器放置在距火花塞很远的位置上，燃油喷雾被精确定义的缸内气体流动或者与活塞燃烧室的相互作用组织向火花塞方向流动。

在喷雾导向燃烧系统中，喷油器和火花塞的近距离布置提供了燃油准备和点火之间强大的连接。

图2. 直喷点火发动机燃烧系统分类 [6].
产品化的第一代DISI发动机的发展主要采用壁面导向燃烧系统，然而，在第二代DISI 发动机上最有可能使用喷射导向系统，由于它所具有附加的使燃油经济性提升，使稀薄燃烧工况范围更广以及使发动机排放得到改善的潜力。

壁面或者充量流动导向系统的SIDI发动机相对于进气道喷射发动机来说具有燃油经济性优势的主要原因是：更低的泵气损失，由于使用稀燃使混合气特性更好，由于更低的充量温度使热耗损更低，直接喷射的充量冷却效果使压缩比更高。

如果没有更低的燃烧效率，逐步燃烧损失和更高的摩擦损失SIDI发动机燃油经济性的优势会更大。

在喷雾导向的SIDI发动机实例中，燃烧效率损失和逐步燃烧损失都变得更小，使喷雾导向系统相对壁面或者充量导向系统在燃油经济性上有了质的提高。

图3清楚地说明了许多专家实测过的分层DISI燃烧的次优阶段，比较了了各种分层和均质燃烧系统的热扩散过程。

与均质火花点火（最优阶段）相比较，两种燃烧系统中，分层燃烧系统是更先进的，均质燃烧系统导致了无用功的增加，结果使发动机效率降低。

图三也对早在上文讨论过的喷雾导向系统相对于壁面导向系统的进程优势有所说明。

发动机模拟计算比较一款压缩比11.2的DISI发动机和相应的一款压缩比9.4的进气道喷射发动机，结果显示DISI发动机的制动效率高出进气道喷射发动机15%，从而在FTP循环中有高出进气道喷射式发动机燃油经济性15%的优势。

图4展示了影响燃油经济性各种因素的作用。

提高DISI发动机燃油经济性的有力因素是从压缩比（CR），混合气传热特性以及泵吸几方面获得；消极影响因素则是从燃烧，摩擦两方面获得。

图四的结果显示，DISI发动机和进气道喷射式发动机相比，使其具有燃油经济性优势的最主要因素是泵吸过程，表现出大约10%的燃油经济性优势，同时混合气特性（~7.5%），热传导（~2%）和压缩比（~3%）也
分别具有如图所示优势。

另一方面，燃烧和摩擦分别导致DISI发动机约4%的燃油经济性损失。

4%的燃油经济性损失归咎于DISI燃烧，其中的1%由相位损失引起（非最佳相位的热损耗进程），另外的3%是由于燃烧效率的降低，这主要导致了HC排放的恶化。

令一方面，引起热传递损失2%的主要原因如下：由于在DISI 发动机中有更大的表面面积，这是由活塞坑和非平面活塞顶（使活塞表面增加40%）造成的，6.3%的燃油经济性提高是由于缸内气体温度的降低。

后者并没有考虑这样一个因素，就是应该将DISI发动机缸内热对流流量和进气道喷射式发动机跟多的关联起来，这是由于DISI发动机缸内更高的流动和更大的气体密度引起的更大的传热系数。

图3. 典型的分层和均质燃烧的热扩散过程[26].
图4。

让直喷点燃发动机燃油经济性比基础进气道喷射式发动机提高的各种因素的贡献[7]。

表1表述用于在暖机过程中模拟FTP循环的7点稳定工况测试系列。

这些工况点的选择是基于和2400kg车用以及4挡自动变速的匹配。

根据测试工况将测试点分成三类：怠速，小负荷和中等负荷。

在怠速工况和小负荷工况，燃烧室分层的，通过使用延迟喷油策略。

在中等负荷工况，燃烧是均质的，化学当量比的，通过使用提前喷油策略。

表格1还描述了在每个工况点所取得燃油经济性提高的百分点。

正如我们所期望的，DI分层燃烧比PFI发动机燃油经济性高出19-23个百分点，DI均质，化学当量比燃烧要高出约7个百分点。

对于怠速附近工况，使DISI发动机的燃油经济性优势高于PFI发动机的最主要因素是泵气过程，同时也受混合气特性和热损耗的影响。

在这些工况中燃烧和摩擦对燃油经济性有着极其不利的影响。

在小负荷工况取得DISI发动机燃油经济性提高的原因是在PFI发动机中随着负荷的增加节气损失降低使泵气损失被减小。

然而，在DISI发动机中混合气特性对于燃油经济性提高的贡献相对于怠速负荷时有所提高，此时此刻几乎和泵气过程的作用相当。

DISI传热的积极作用仍旧十分明显，当燃烧和摩擦的消极作用被降低时。

最后，在中等负荷
工况下，使用提前喷油策略，混合气特性对燃油经济性提高作用最大，同时压缩比和泵吸作
用也起到一定作用。

正如我们所期望的，摩擦，传热和燃烧的影响很小。

补充说明一下，比
其他CR和不同活塞位置时，DISI发动机和PFI发动机的主要不同点，也是在这些工况下能
够影响发动机指示效率的是在DISI发动机上使用很高程度的EGR。

表1
稳定工况，单缸直喷点燃发动机7点模拟FTP测试[7]
Near-idl Light-lo Medium-l Test points:1234567 Speed, rev/min60084611331357140015201736
BMEP, kPa136115204401260445549 NMEP, kPa158133232291431484590 Time weighted, %19.738.9815.299.91 6.09 4.97 3.28 Combustion mode Stratified Stratified Homogen eous
FE % improvement20.219.420.422.9 5.6 6.77.3上述结果表明，显而易见可以通过排除燃烧损失和接近最佳相位以及提高发动机燃烧效
率使燃烧达到与PFI发动机相对应的水平，并通过使燃烧室表面积减少和缸内气体流动减少
而降低热损失，这样可以期望得到5-7个百分点的燃油经济性的提升。

分层充量，喷雾导向DISI发动机提供更多的保障以实现和优化上述目标。

这个系统的
优点在于喷油器放置位置接近火花塞，这样燃烧过程和相对应的壁面导向系统相比并没有没
有先进多少，由于它的燃烧过程更接近于理想过程，所以它能更好的控制活塞坑中的燃油，
这样能够确保降低碳氢化合物的排放，所以它具有更高的燃烧效率，这要求活塞坑设计的要
简单，要浅，重要的是减小表面积，它同时要求很小甚至没有缸内气体流动。

图5是一个活塞坑，火花塞和喷油器的部分视图，图中还显示了在一台喷雾导向DISI
可视发动机燃烧室中的燃油喷雾和水蒸气，用于分层燃烧工况点。

压电输出开关打开，喷油
器（油压达到20MPa），喷出两组相继的燃油。

非常重要的一点，照片中显示没有液体燃料
出现在坑型壁面的现象。

这和Raimann et al.[13]的发现相吻合，这有很大可能是由于压电喷
射的穿透力偏低引起的现象。

活塞表面的油滴是排气中HC和烟尘的来源。

图5.照片显示了分层工况时燃烧的几何形状和燃油喷雾以及水汽分布[10].
Frohlich和Borgmann论证了一辆搭载了使用喷雾导向燃烧系统和压电喷油器发动机的
车辆和一辆相应的搭载了PFI发动机的车辆相比具有能搞提高燃油经济性超过20个百分点
的潜力，并且有提高动力性能超过60 kW/L的可能性。

Wirth et al.[3]在一款2L，I4喷雾导向，
使用多孔喷油器的SIDI发动机上进行测试。

基于在相关转速和负荷区域内的发动机全脉谱
图，他们设计了如下的新欧洲行驶工况燃油经济性收益，超过相应的无EGR的PFI发动机：
和使用双VCT的PFI发动机相比4个百分点，和使用壁面导向的SIDI发动机相比11个百分
点，和使用喷雾导向的SIDI发动机相比15.5个百分点。

Van Der Wege et al. [4]开发出一款使
用大锥角（80o），向外开启，以公称压力20MPa运行的轴针式喷油器的喷雾导向，SIDI燃烧
系统。

在这个被称作涡致分层燃烧（VISC）的燃烧系统中，，最佳点火位置在燃油喷雾以外
的再流通区域，这样就提供了防止任何燃油浸湿火花塞的好处。

和被期望的喷雾导向系统的
特性相比平[11,12]，他们发现提高缸内涡流比达到约1.5时会使燃烧稳定性和燃烧效率有所提高，燃油消耗有所降低，还能消除失火（基于300个循环）。

喷雾导向SIDI发动机在油耗方面和基础的PFI发动机相比降低18百分点，和壁面导向SIDI发动机相比降低6个百分点，测试循环超过了一个模拟的稳定工况，忽略冷启动和瞬态工况。

在部分负荷工况下喷雾导向和壁面导向发动机相比，结果在NSFC上降低11.2个百分点，在碳氢排放方面减少60%。

基于上述研究结果，很明显喷雾导向燃烧系统有超过了壁面导向和气体导向燃烧系统的燃油经济性优势，但是从某种程度上来说它的燃烧稳定性较低（较高的COV和IMEP），和其他SIDI发动机一样和PFI火花点火发动机相比产生了较高的HC排放。

一个可能影响到喷雾导向SIDI燃烧系统发动机将来应用的重要问题是在强燃烧时点火正时的范围相对来说较窄。

表6说明对于给定的最终喷油正时，能够获得可接受的燃烧稳定性水平（平均有效压力的变异系数小于5%）的点火正时范围仅有4o；的确是很窄的范围。

然而如果喷油和点火正时一起扫描是和最终喷油以及点火保持在4o到5o有很到区别的，基于燃烧稳定性能够接受的运行范围大大拓宽（点火正时范围到15o）。

表6的变异系数结果显示最佳的工况出现在EOI正时37o bTDC，点火正时33o bTDC时。

为了达到最佳变异系数进行这样的正时设置，燃油消耗量和HC排放量都达到最小，在30000个循环内显示没有失火。

图6.不同的喷油正时作为点火正时功能的燃烧稳定性[12].
变异系数的提高，在一些程度上偏离的最佳的点火正时，这导致是活的发生，而且失火频率迅速升高。

在这里，应该说明失火频率不一定为零，（10000循环一次或者更少），甚至对于非常先进的喷雾导向DISI系统运行在最佳的分层工况来说。

3.均质充量压缩点燃（HCCI）发动机
在均质充量，压缩点燃发动机中燃油和空气是预混合的从而形成均质混合气，然后通过压缩自动点火。

点火和随后充量的燃烧是主要由化学动力性特性控制的，这就进一步表示了气体温度和气体压力因素对燃烧过程有着很大程度的影响。

而且，自动点火出现在燃烧室的各个位置（多点点火），如果未经制止的话，这就可能引起极高的热耗散率，因此产生很高的增压比。

对于HCCI发动机来说，点火不能直接控制，这点和火花点火发动机以及缸内直喷柴油机相似。

因此，一个关键的挑战是在很宽的发动机运行工况范围内控制燃烧的开始。

HCCI燃烧模型的发动机被限制工作在中等负荷范围内。

在小负荷工况由于较低的气体温度和相应的比率（偏低的燃油聚合物），发动机点火困难，燃烧效率下降。

后者是由于缸内裂缝碳氢混合物的氧化作用以及CO到CO2转换效率降低引起的。

在高负荷工况下，发动机自动点火控制困难，导致了过高的缸内压力升高，这可能引起的燃烧噪声、敲击和发动机损坏。

表7说明了4缸发动机HCCI燃烧模型的区域并和现有的SI燃烧模型发动机在百分比的改变上做出比较：（a）制动燃油消耗（BSFC），（b）NO x排放和（c）未燃HC排放。

结果清楚地表明了HCCI燃烧模型更大程度的减少了燃油消耗量，在NO x上更有着不俗的表现，
可是在HC排放的增加上却也同样让人印象深刻。

用于控制汽油机自动点火并且拓展HCCI燃烧模型的方法是
1.预热进气充量
2.压缩比
3.废气再循环（EGR）
4.残余废气（内部EGR）
5.直接喷射
6.在负的气门重叠角时期直接喷油
7.火花辅助点火
图7.平均有效压力和转速显示了(a) 制动燃油消耗量; (b) NO x;(c) HC ；降低的百分数[37].
进气预热是改善和控制自动点火的一种有效方法。

表8所示压缩比15，显示预热进气温度和空燃比坐标下的HCCI燃烧模型稳定的燃烧区域。

在这些工况，在空燃比30附近，进气预热温度415k时达到最大的平均有效压力400KPa。

图8. 稳定的均质压燃燃烧区域显示固定的平均有效压力值线[19].
在大多数研究中，进气预热使用的是电能，这会车辆应用中寄生的能量损失。

然而，当前，有两种学术研究使用了废气余热来预热进气。

在Yang et al. [20]的研究中，冷却液浪费的热能也被利用。

在相关的研究中，Milova-novic et al. [38]的工作中值得注意的是他使用了冷却液温度控制扩大了HCCI运行工况的限制。

把冷却液温度从90o C提高到125o C能扩展更低的限制到28%；把冷却液温度从90o C降低到65o C能扩展更高的限制14%。

提高压缩比来减轻自动点火控制的困难，并扩大HCCI燃烧模型的范围，因此我们希望能HCCI发动机应该有更高的压缩比。

然而，现实并非如此。

Najt，Foster [16] 和Thring [17]三位学者都指出较低压缩比的发动机会是一个很好的使HCCI燃烧顺利的折中办法。

Christensen et al. [39]也提供了确凿的证据，他发现各种在HCCI发动机中，加入辛烷值由0到100的燃用燃料（异辛烷和正庚烷的混合物）时压缩比的燃烧效率随着压缩比的提高线性减小。

燃烧效率的降低直接增加了发动机的燃油消耗量，导致了HC化合物的增加，同时随着压缩比的提高HC和CO的氧化率也有所降低。

氧化率的降低，反过来又导致了在做功行程的后燃时期偏低的气体温度。

通过燃烧产物稀释充量，或者使用废气再循环或者使用缸内气体捕捉，残余废气，很有可能是使自动点火变得简单易控，同时扩大HCCI燃烧模型适用的转速和负荷的最有效的方法。

Zhao et al. [40]在Ladommatos et al. [41]的关于柴油机的著作基础上，测试了燃烧废气再循环在四缸汽油机自动点火控制上起到的作用。

考虑到的作用是：（a）增加了进气道充量温度（加热效果）；（b）降低了氧气浓度（稀释作用）；（c）提高了混合物的热特性（热容作用）；（d）包括了CO2和H2O的循环废气的化学作用（化学作用）；（e）循环燃烧气体的分层（分层作用）。

他们发现[40]稀释和和热容效果起到了降低了热耗散率和延长了燃烧持续时间的作用，本质上是和Dec [42]所获得计算结果相吻合的。

另外，他们阐述了加热效果的主要作用是自动点火的提前正时，残余废气分层的主要作用是使HCCI燃烧变得容易。

相比之下，Law et al. [43]指出，残余废气存在的反应特性简化了自动点火，惰性气体降低了燃烧比率（稀释效果）。

上文中有提到，HCCI燃烧受化学性质控制，缸内温度和混合物起到了很大的影响作用。

循环燃烧废气的作用是提供足够高的温度使自动点火更加容易同时要保持燃烧温度足够低并提供足够稀的氧化特性，例如热耗散率的降低。

对于拥有可变气门驱动的机械结构的发动机，捕捉大量残余废气可以通过不同的办法实现，广义上可以分为两类，叫作：再压缩或者排气保留策略和再吸气和排气保留策略。

在再压缩策略中，通常被称作负的气门重叠策略，残余废气被捕捉在缸内并在排气行程的最后阶段进行再压缩。

这是通过在排气行程中提前关闭排气门来实现的。

在再吸入策略中，一部分已经从气缸中排出的废气在进气行程中被重新吸入。

这种策略能通过几种方式实现。

例如，排气门在关闭后，在一部分进气行程中重新打开，来允许部分残留在排气道和歧管中的排气进入[22]，或者排气门（EVC）重新打开，迟于进气门关闭时刻，允许排气重新进入气缸。

两种残留废气控制策略都使用了Lawet al. [22]，应用了可变气门机构的单缸汽油机，运行在HCCI燃烧体制下。

这些策略被发现是大体相同的，尽管在再压缩方法中有一些残留废气的泵吸，可是这种情况出现的也非常小[22]。

另一方面，Caton et al. [27]综合研究表明，使用可变气门机构的单缸汽油机，压缩比为15.5时，再吸入策略使燃油消耗量和NO排放都有很大程度的降低，而在HC排放上却比再压缩策略高。

他们推断使用了可变气门升程控制的再吸入策略，产生了最好的负荷范围，油耗和排放性能的组合。

Law et al. [22],Liet al. [37], Kaahaania et al. [24], Koopmans和Denbratt[23], Hiraya et al.
[19], Fuerhapter et al. [26] and Caton et al. [27],等等以上这些人在研究中使用了再压缩或者负的气门重叠策略来控制在汽油机上的残余废气。

Law et al. [22], Kaahaania et al. [24], Fuerhapter et al. [26,30], and Caton et al. [27]等人在研究中使用了再吸入策略。

Dec [42]计算研究表明，调查方面的HCCI燃烧显示，在怠速和接近怠速的工况，由于较低的燃烧温度分散气体淬熄的CO和HC氧化反应受阻，导致大量的燃烧效率低下，相应的增加油耗和CO，HC排放。

上述结果在Dec [42]中被指出，HCCI燃烧有基本的小负荷限制。

同时，Dec [42]中提供了可能拓宽小负荷限制的方法：保持较高的本地当量比的燃料分层，可以使发动机效率没有损失，可能最小化影响发动机排放性能。

直接喷油，很有可能是理想的实现燃油分层的方法。

Marriott and Reitz [44]把重型，单缸柴油机改造为高压缩比（16.1：1）汽油直接喷射式发动机，表明燃料分层能够用于控制压缩点火燃烧，但并并非纯粹在发动机转速和负荷范围内。

分层由于较低的HC排放轻微的
提高了燃油效率，但是NO排放却非常的高。

Sjoberg et al. [29]也把一款高压缩比柴油机转换成汽油（85%柴油15%乙醇）直喷式发动机，结果显示燃料分层导致了燃烧效率和NO排放之间的矛盾。

在随后的研究中，Dec and Sjoberg [30] 发现燃料分层就像控制旋钮一样仅仅在HCCI燃烧水平低于它的时候有效，这导致了氧化反应的淬熄。

多重喷射是一个潜在的控制柴油机中燃烧和排放方法[46.47]。

在汽油直喷压燃发动机中，Marriott和Reitz[44]发现拆分喷射在降低热扩散率和扩大可运行的发动机速度负荷范围方面非常有效。

在过去的几年中几种不同的学术研究[33-36]在使用分流喷射策略的HCCI发动机上开展。

在这种策略中，第一次喷射，预喷射，在上止点之前，负的气门重叠时期，主喷射发生在上止点之后，进气阶段。

在负的气门重叠角时期，发动机燃烧室中只包括炙热的，燃烧产物（残留废气）。

预喷射的燃油经过改变，产生了自由基和其他中间产物，促进了主喷射时期喷射的燃油的自动点火。

Urushuhara et al. [34]发现在负的气门重叠角阶段单一喷射对超越发动机小负荷时的局限有着重要的作用。

多次喷射策略能够进一步扩大低负荷极限。

图9清楚的表明在负的气门重叠时期燃油喷射量（喷射时间：θinj=-390o）关于发动机负荷变化时的油耗量。

此外在该图中也叠加了在进气行程中（θinj=-290o）单次喷射的结果，用于作为评价多次喷射策略的参考。

喷射3 mm3燃油和1 mm3燃油相比来说，扩大了发动机小负荷极限而不影响油耗。

然而，在负的节气门重叠时期喷射全部的燃油（大约12 mm3）极大地增加了油耗，导致了非最佳的自动点火正时，和小负荷极限相联系。

在进气过程中单次喷射在大多数负荷工况下都有最高的油耗，最高工况除外。

图9.不同喷油正时策略的循环喷油量和平均有效压力(IT =θinj) [34].
Guohong et al. [36]发现在负的气门重叠时期多次喷射扩大了负荷范围，不仅仅在低负荷极限上，也在高负荷极限上。

此外，他们观察到了燃烧稳定性的改善。

Koopmans et al. [33]，发现了在主喷油阶段下喷射的燃油自动点火的巨大的进步，取决于负的气门重叠时期可用的氧气量和预喷射喷油量。

扩大HCCI燃烧低负荷极限的可行的一种方法是火花辅助。

一个可能期望火花所提供额外的点火能量应该点燃临街非可燃的燃料空气混合物，因此，一个可能看到在失火频率和燃烧稳定性方面的提升，不仅仅是在小负荷工况，而且，结果降低了发动机小负荷的极限。

另一方面，在较高的负荷，因为火花可能引起燃烧火焰传播而使效果不是很明显。

同意上述推测，Fuerhapter et al. [26]发现火花辅助提高了他们的DI HCCI发动机的燃烧稳定性，尤其是在较低的负荷，尽管存在火花不能点燃燃烧室内的高度稀薄混合气的因素。

另一方面他们发现火花并不显著的影响50%的大规模燃烧分数。

Hyvonen et al. [21]总结出火花点火能够有效的用于控制燃空比在0.26-0.42（λ范围：2.4-3.8）范围的燃料空气混合物.。