汽油机的燃烧理论
汽油发动机正常燃烧的条件是正确的空燃比、正确的点火正时和点火能量、正确的缸压、正确的配气正时。
混合气的成分不同，对发动机动力性和经济性、排放污染有较大影响。而混合气的成分通常用“空燃比”或“过量空气系数λ”表示。汽油发动机正常燃烧对空燃比的要求如下所述。
1.空燃比和过量空气系数λ
空燃比和过量空气系数λ两个术语都是表示混合气浓稀程度的术语，在表示混合气浓稀程度时根据具体使用场合选用不同的表达方式更为方便。
内燃机的设计都是通过燃烧有机燃料来产生动力，汽油是有机的碳氢燃料，由于是多种碳氢有机物的混合物，所以无化学分子式。燃烧过程将空气中的O2和燃料中的H和C相结合。在汽油发动机中，火花塞点火开始燃烧过程，燃烧过程将持续0.001～0.01 s。
理论上，充分燃烧过程发生的基本化学反应为：
H+C+O2+火花＝＝热量+H2 O+CO2
如果燃烧过程完全，所有的HC与所有可用的O2完全结合，恰好完成燃烧的空气和燃料的比例被称为理论空燃比，汽油的理论空燃比以质量比表示为14.7∶1（空气比汽油），或用体积比表示为1 L燃油完全燃烧大约需要9 500 L空气。
按理论上空气和汽油充分燃烧过程发生的基本化学方程确定空气和汽油的混合比，即空气质量与汽油质量比，称为“空燃比”，通常用A/F表示。
汽油完全燃烧并生成CO2和H2 O时的空燃比称为“理论空燃比”，约为14.7。在实际的发动机燃烧过程中，燃烧1 kg汽油所消耗的空气不一定就是理论所需求的空气量，它与发动机的结构与使用工况密切相关，所供实际空气量可能大于或小于理论空气量。所以也可以用实际空气量与理论空气量14.7的比值称为“过量空气系数λ”，其用公式表示为：
若λ＞1，表示所供的空气量大于理论空气量，这种混合气称为稀混合气。
若λ＜1，表示空气量不足以燃料完全燃烧，这种混合气称为浓混合气。
λ=1和空燃比14.7是相同的混合气浓度。
实际上由于诸多因素的影响，燃烧过程发生的基本化学反应为：
H+C+O2+N2+其他化学物质+火花＝＝热量+H2O+CO+CO2+HC+NO x+其他化学物质
2.不考虑排放达标的情况下空燃比对发动机动力性和经济性的影响
过量空气系数λ表示实际的空燃比与理论空燃比（14.7∶1）的差异程度。图5-1所示为空燃比与输出功率、油耗率的关系。
从图5-1中可知：
λ＜1为空气不足，形成浓的混合气。在λ为0.85～0.95时发动机发出最大的输出功率。λ＞1为在此范围内具有过量空气或称为稀燃混合气。该过量空气系数标志减少燃油消耗和发动机功率降低。λ能达到的最大值即所谓的“稀燃极限”，它在很大程度上依赖于发动机设计和所采用的混合气形成系统。在混合气稀燃极限时，混合气不再能点着，发生燃烧失火，从而明显地增加运转的不均匀性。
图5-1 空燃比与输出功率和油耗率的关系
a—浓混合气（缺少空气）b—稀混合气（空气过量）
进气管喷射的汽油发动机在缺少空气5%～10%（λ=0.95～0.85）的情况下能得到最大的功率输出。在过量空气为10%～20%（λ=1.1～1.2）的情况下达到最低的燃油消耗。
若采用极高压力喷射与空气对冲，则可以很好地充分混合，点燃后不发生燃烧的不连续，发动机运转得也较稳定。若想点燃混合气，则需在火花塞附近创造低于“稀燃极限”的混合气。
3.在考虑排放达标的情况下对空燃比的要求
汽油发动机的燃油消耗率基本上取决于空燃比。为了保证真正的完全燃烧必须保证有过量空气，从而达到尽可能低的燃油消耗。这受到混合气的着火能力和燃烧时间的限制。
空燃比也对排气后处理系统的效率具有决定性的影响。三元催化转换器代表着这一先进技术，该催化转换器能减少98%以上的有害排放成分。为使三元催化转换器运行，发动机在正常的温度工况下必须准确地保持过量空气系数为1。为此必须准确地确定吸入的空气量和准确地计量供给的燃油质量。
为减少有害物质排放，现有的采用燃烧室外形成混合气的系统，只要发动机运行工况允许，均采用理论空燃比工作。某些运行工况需要对空燃比进行专门校正。如当发动机在冷态时，水温在80℃以下，混合气应较浓；节气门的突然开大时，混合气要加浓；节气门的突然关小时，混合气要变稀或断油；大负荷时应加浓。
为满足以上要求，混合气形成系统必须具备混合精确和混合均匀两个功能。电脑控制的进气管喷射发动机能精确地喷射燃油量，可按不同工况的空燃比喷油，可达到混合气形成的精确的一个条件。空气和燃油要充分均匀地分布在燃烧室内是充分燃烧的另一个条件，这就必须达到高度燃油雾化。否则，大的油滴将沉淀在进气管或燃烧室壁上，这些大的油滴不能完全燃烧，从而导致碳氢化合物排放量增加。电脑控制的燃油喷射系统提高了喷油压力，汽油和空气的对冲大大增强，可达到高度燃油雾化。
燃油喷射系统的功能在于供给尽可能适合发动机相应工况空燃比的混合气。喷射系统，特别是电子系统能较好地将混合气成分保持在规定的很窄的范围内。这有利于燃油消耗、驾驶性能和功率输出。
（1）直接喷射不稀燃的发动机
近几年来汽油机发展日新月异，以前在技术、材料和生产成本上的问题被一一解决。像柴油机一样，在气缸内部形成混合气的系统（燃油直接喷入燃烧室内的极高压喷射系统）也称缸内直接喷射或直接喷射，它很好地将汽油进一步雾化并充分混合，从而降低燃油消耗，这种系统的重要性越来越突显。
（2）直接喷射和分层进气的稀燃发动机
缸内直接喷射很好地将汽油进一步雾化并充分混合，由于能充分混合，稀燃极限的中断燃烧情况消失，从而降低了燃油消耗。直接喷射具有不同的燃烧条件，使稀燃极限极大提高。因此这些发动机可在部分负荷工况时以极高的过量空气系数（λ高达4.0）条件下运行。