理論空燃比よりも希薄（空気過剰）側で燃焼させる方式．リーンバーンともいう．通常のガソリンエンジンでは，シリンダ内に供給される燃料と空気の混合気の割合（空燃比）は理論空燃比（約14.7）に制御し，排ガスについては三元触媒によってCO，HC，NOxを同時に効率よく浄化している．この理論空燃比制御＋三元触媒浄化システムは，排気ガス浄化という観点からは有効な手段ではあるが，燃費改善という観点からは改良の余地が残されている．希薄燃焼方式では，作動ガス量が増加してポンピング損失が減少する，燃焼温度も低下するため冷却損失が減少し，比熱比も大きくなるなどの理由によって大幅な燃費改善が期待できる．この場合の課題はNOx低減にある．設定空燃比を理論空燃比より薄い側にシフトさせると三元触媒のNOx浄化率は急激に低下するため，エンジンから排出するNOxが規制値をクリアできるまで希薄化を進める必要がある．混合気が薄くなると燃焼速度は低下しトルク変動が大きくなるため，安定した希薄燃焼を実現させるには，シリンダ内の乱れを強化して燃焼を活性化する必要がある．通常タンブルやスワールを強化する手法を採用するが，点火プラグ近傍に濃い混合気を形成する層状給気方式を組合せた例もある．
