作为飞跃性提高汽油发动机热效率的稀薄燃烧技术，引人注目的一个实现手段就是副燃烧室燃烧技术。其成本低，又可大幅减少二氧化碳(CO2)排放量，极有可能成为2020年以后的主流发动机技术。

就是这个副燃烧室燃烧技术，著名汽车工程公司德国IAV近期开发出了低成本的实现方法。IAV的副燃烧室燃烧技术，能够燃烧过剩空气率超过2的超稀薄混合气体，CO2排放量也可减少7～8%(WLTC模式下的测试值)。与在副燃烧室燃烧技术领域先行一步的德国马勒(Mahle)公司相比，IAV的技术可以低成本制造，且能提高尾气排放性能。

IAV的副燃烧室燃烧技术，给火花塞的顶端部分扣上了金属帽，金属帽内的空间变为副燃烧室。其附近设置了空气辅助喷嘴，将混合燃气喷入副燃烧室内（出处：IAV）

对于4缸发动机而言，IAV预估导入副燃烧室的追加成本仅20～30欧元(约2600～3900日元)。欧洲现在销售的轿车，CO2排放量平均约为130g/km。采用IAV的新技术减少1g/km尾气的成本仅为2～3欧元(约260～390日元)。近来的尾气改进技术，1g/km尾气的改进成本都需要IAV的近10倍费用，所以IAV的技术“可以说性价比”极高。

副燃烧室技术的关键是将火花塞的先端放进被称为副燃烧室的小空间内点火。然后通过设置在副燃烧室上的多个小孔喷射出的高速火焰到达主燃烧室，并让其中的超稀薄混合燃气燃烧。

图为丰田的“TS050 HYBRID”混合动力赛车。该车在2018年6月的“勒曼24小时耐力赛”中首次获得了冠军。其中，为了提高发动机的热效率，就采用了副燃烧室技术(照片:丰田)。

国际方面，副燃烧室燃烧技术近几年来由德国戴姆勒(Daimler)和意大利法拉利(Ferrari)等公司率先采用在“F1”赛车上，从而获得了人们的关注。

日本方面，丰田在“WEC(国际汽联世界耐力锦标赛)”的竞技车上采用了副燃烧室技术，并打算转用到市售车上。而曾经开发出与副燃烧室技术类似的“CVCC(复合涡流调速燃烧技术)”技术，让世界为之震惊的本田，现在也在热心研究副燃烧室技术。

成本为什么能便宜下来

IAV新开发的部件只有两个，在火花塞的顶端附近安装的金属帽和喷射燃料及空气混合气体的空气辅助喷嘴。IAV在实验中，针对1缸发动机在低～中负荷区域，让过剩空气率超过2的超稀薄混合燃气成功地实现了燃烧。

副燃烧室的构造。从金属帽的孔中喷射出来的高速火焰扩展到主燃烧室（出处：IAV）

套在火花塞顶端的金属帽内空间构成副燃烧室。空气辅助喷嘴设置在副燃烧室附近，喷嘴向副燃烧室内喷射混合气体，火花塞点火。从金属帽上的多个小孔中出来的高速火焰在主燃烧室扩展开来，点燃主燃烧室中不易燃烧的稀薄混合气体。而向主燃烧室提供燃料的，则是传统的PFI（port fuel injection歧管喷射）。

之所以能够降低成本，主要是因为金属帽和空气辅助喷嘴的成本较低。一个金属帽的成本仅约1欧元。

空气辅助喷嘴虽然近来汽车发动机中少有使用，但是作为燃料微粒化技术在过往是使用过的，所以难度不高。而与成本直接相关的喷射压力又较低，为0.5M～1MPa，所以每个空气辅助喷嘴在10欧元以下就可造出。

在副燃烧室技术领域先行的是马勒（Mahle）公司，曾经开发出了被称为“Jet Ignition”的技术，并提供给了竞技车辆。IAV的技术与Mahle的最大不同，是向副燃烧室内提供燃料的方法。IAV使用空气辅助喷嘴，而Mahle使用的是直喷喷嘴。

Mahle的副燃烧室技术。用直喷喷嘴向副燃烧室内喷射燃料（出处：Mahle）

直喷式的喷射压力要高，成本容易上升。而且燃料容易附着在副燃料室的内壁上，有可能导致尾气中的颗粒增加。就成本和尾气两方面而言，IAV的技术更加有利。但IAV方式也存在着混合气体到达副燃烧室之前，燃料附着管壁上，导致燃效下降的可能性。

还可以大幅提高压缩比

应用副燃烧室技术使得主燃烧室内的超稀薄混合气体燃烧的理由是因为，由副燃烧室的多个小孔喷射出来的火焰到达主燃烧室的缘故。这种状态接近“多点点火”的燃烧形态，稀薄混合气体也容易点火。再加上从小孔中喷射出来的火焰均为高速，所以主燃烧室更容易点燃。

燃烧形态接近多点点火。（出处：IAV）

之所以火焰能够高速，是因为副燃烧室容积小，一旦点火，副燃烧室内的压力会迅速增高的缘故。高压将火焰从小孔中强力推出，所以还加快了火焰的速度。实验中，燃烧速度提高了约3成。副燃烧室的容积仅仅只占燃烧室整体(主燃烧室和副燃烧室的合计)的约4%。

从燃烧室整体来看为稀薄混合气体，但副燃烧室内更重视点火性，室内实现的是混合气体的理论空燃比(也即stoichiometry，过剩空气率为1)。

达到理论空燃比，燃料的比率就要变高，通常认为这种状态下燃烧后会产生更多的氮氧化物(NOx)。但是在IAV的实验中，NOx的发生量在WLTC模式行驶时获得了低于限制值的结果。

这是因为副燃烧室的容积小，喷射的燃料微量所致。主燃烧室在过剩空气率在2以上的超稀薄混合气体中工作，IAV 工程部项目经理青木仁介绍说，就“燃烧室整体而言，NOx的发生量还是被抑制的”。

副燃烧室技术除了燃烧稀薄的混合气体外，还对提高压缩比，提高理论热效率有贡献。IAV在实验中确认，该技术的导入前后，压缩比从10.1提高到了11.7。

这是因为在副燃烧室技术中增加了控制爆震(异常燃烧)的功夫，实现了高压缩比。副燃烧室的小孔位置设置成了让喷射出来的火焰沿着主燃烧室的上侧向外侧壁面扩展的方式。

主燃烧室火焰扩展状态。(左)为导入副燃烧室技术，让火焰喷射到主燃烧室壁面附近。(右)为一般的火花塞点火，火焰以球状从中心向外扩散。（出处：IAV）

爆震容易在燃烧室的壁面附近残留未燃烧的混合气体（残留气体）。副燃烧室将多个火焰喷射到壁面附近，使得外侧的混合气体迅速燃烧，所以可以抑制残留气体的产生。

一般的发动机，如果在燃烧室中心附近由火花塞点火，火焰会以球状扩散。所以火焰到达壁面附近的混合气体时需要时间，容易产生残留气体。而此时如果上升中的活塞将残留气体压缩到壁面的话，就会瞬间自燃，产生爆震。

高负荷区从小孔中注入混合气体

IAV开发的技术中，发动机在低负荷区域实现超稀薄燃烧，在高负荷区域转换为理论空燃比燃烧。

这是因为在高负荷区域燃料的喷射量增加，过剩空气率低于2的缘故。低于2的话，就会导致NOx发生量大增，从而不能满足限制值的要求。在实验中，当气缸净平均有效压力(BMEP)达到0.9MPa以上时，就切换为了理论空燃比燃烧。

发动机负荷增大时切换为理论空燃比燃烧。（出处：IAV）

在实现理论空燃比燃烧的高负荷区，不使用空气辅助喷嘴，也能实现副燃烧室燃烧。

为了在不使用空气辅助喷嘴的情况下，在副燃烧室内加入混合气体，IAV考虑的是通过小孔将主燃烧室的混合气体注入副燃烧室内的方法。这个方法利用了主燃烧室内的气体流动，副燃烧室体积小，即使是小孔，也可以进入满足燃烧所需要的混合气体。

即使不设置给副燃烧室提供燃料的喷嘴，也可以提高燃效，IAV称这种方式为“被动式”。（出处：IAV）

IAV还认为即使不使用空气辅助喷嘴，仅仅是实现理论空燃比燃烧的副燃烧室技术，整车厂商也有很大的需求。这是因为只需追加金属帽，就能提高发动机的燃效的结果。IAV的实验显示，在WLTC模式下可以获得2～3%的CO2排放量削减效果。