Гомогенная топливо-воздушная смесь – это смесь, однородная по своему составу. Кроме гомогенной смеси используется послойная смесь, в которой окислитель и топливо расположены послойно.

В связи с существующим дефицитом нефти на планете, а также проблемами экологии, на сегодня достаточно остро стоят проблемы повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания. Из теории двигателей следует – чем выше давление в цилиндре перед воспламенением смеси, тем больше отдача двигателя. А давление в цилиндре зависит от того, сколько воздуха попадет в него за время такта впуска: чем больше воздуха, тем больше будет давление, когда его сожмет поршень. Поэтому выгодно, чтобы даже на малых нагрузках, когда не нужно сжигать много топлива, в цилиндр все равно попадало много воздуха – больше будет давление в конце такта сжатия. Но также известно, что для полного сгорания бензина необходимо, чтобы на каждый грамм топлива в цилиндре приходилось 14,7 грамма воздуха. Если воздуха будет больше, такая смесь называется бедной. В отличие от дизеля в бензиновом двигателе работа на очень бедных смесях затруднена тем, что смесь воздуха и топлива здесь поджигается искрой свечи зажигания. И если соотношение воздуха и топлива в смеси будет больше 17:1 (больше 17 частей воздуха на 1 часть бензина), возникают проблемы с воспламенением от свечи. Данная проблема может быть эффективно решена при помощи непосредственного впрыска. Ведь форсунка здесь подает топливо не в поток воздуха на впуске, а непосредственно в цилиндр, и мы можем сделать так, чтобы при общем «бедном» соотношении воздуха и топлива в цилиндре около свечи оказалось более «богатое» облако смеси, которое хорошо воспламеняется.

Система непосредственного впрыска предполагает как минимум два режима работы – работа с послойной смесью при малых нагрузках в экономичном режиме, и работа с гомогенной смесью при больших нагрузках (разгон, движение на высоких оборотах, с высокой скоростью).

Переключение между этими режимами осуществляется разными способами. Например, в моторах FSI (Fuel Stratified Injection) предусмотрена специальная заслонка на впуске, которая в режиме послойного распределения закрывается. В режиме гомогенного смесеобразования заслонка на впуске полностью открыта. В результате воздух поступает в цилиндр равномерно и широким потоком. В этот поток, еще во время такта впуска, и впрыскивается основная порция топлива. В горячем цилиндре оно испаряется и хорошо перемешивается с воздухом – образуется равномерная топливовоздушная смесь по всему цилиндру. Можно встретить иные способы переключения режимов впрыска – например, специальные двухрежимные форсунки, которые могут впрыскивать топливо в цилиндр либо компактным узким факелом (для послойного распределения), либо равномерным широким конусом (для образования гомогенной смеси).В зависимости от нагрузки на двигатель и других условий, система управления может выбрать один из имеющихся вариантов работы двигателя: работа на бедной послойной смеси с добавкой отработавших газов; работа на бедной гомогенной смеси без добавки отработавших газов; работа на гомогенной стехиометрической смеси с добавкой отработавших газов; работа на гомогенной стехиометрической смеси без добавки отработавших газов.Что можно наглядно посмотреть на рисунке 1:

На рисунке 1 приведен пример устройства предназначенного для образования гомогенной топливо-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания.

Изображенное на рисунке 1 устройство содержит корпус вихревой камеры 1 с внутренними отверстиями 2, цилиндрическую золотниковую заслонку 3 с тангенциальными регулирующими каналами 4, верхняя часть корпуса 1 снабжена крышкой 5, а нижняя- выходным отверстием 6. Золотниковая заслонка 3 вокруг своей оси поворачивается поворотным рычагом 7. Стенки корпуса 1, золотниковая заслонка 3 и крышка 5 образуют вихревую камеру 8. На верхней крышке 5 установлен корпус испарителя 9, верхняя часть которого соединена с улиткой 10, во входном воздушном канале 11 которой установлена дроссельная заслонка 12. Входной воздушный канал 11 тангенциально сообщается с проходным каналом 13, имеющим цилиндрический 14, конический 15 и выходной 16 участки, образуя испарительную камеру. Выходной участок 16 проходного канала 13 (сопло) соединен с вихревой камерой 8. В цилиндрической части проходного канала 13 установлена топливная форсунка 17. Как вихревая камера 8, так и улитка 10 снабжены сверхзвуковыми соплами Ловаля 18 и 19 соответственно. На наружной стенке корпуса испарителя 9 установлены саморегулирующиеся электронагревательные элементы 20, причем элементы 20 расположены по нисходящей кривой так, что на внутренней стенке проходного канала 13 создается равномерное поле температур. На рисунке 2 изображен пример сгорания гомогенной смеси:

1 — пространственная зона камеры сгорания, заполненная инертными газами или воздухом;
2 — ограниченная пространственная зона камеры сгорания, заполненная гомогенной топливо-воздушной смесью.

На рисунке 1 изображена реализация тубулентного сгорания гомогенной смеси, где показано, что концентрация топлива уменьшается к переферии факела,а температура возрастает: