柴油机混合气形成与燃烧
柴油机可燃混合气的形成
柴油机可燃混合气的形成一、前言柴油机是一种利用压燃混合气燃烧的内燃机，与汽油机相比，其燃料为柴油，且没有点火系统。
在柴油机中，可燃混合气的形成过程十分重要，因为它决定了发动机的工作效率和排放物质的产生量。
本文将详细介绍柴油机可燃混合气的形成过程。
二、柴油喷射系统柴油喷射系统是柴油机中实现燃料喷射和混合气形成的关键部件。
其主要由高压泵、喷嘴、压力调节器和喷雾器等组成。
高压泵将柴油加压到高压状态，并通过喷嘴将其喷入气缸中，在高温高压下与空气混合形成可燃混合气。
三、空气滤清器空气滤清器是防止空气中杂质进入发动机的装置。
它通常采用纸质或聚酯纤维等材料制成，可以有效地过滤掉空气中的灰尘、颗粒物和其他污染物质，保证发动机的正常运行。
四、进气道进气道是将空气引入发动机的通道，其内部通常包括空气滤清器、节流门和增压器等部件。
空气首先通过空气滤清器被过滤，然后经过节流门控制进气量，并最终通过增压器增加压力，以提高可燃混合气的密度和温度。
五、喷油嘴喷油嘴是柴油喷射系统中的核心部件之一。
它通过高压泵将柴油喷入气缸中，在高温高压下与空气混合形成可燃混合气。
喷油嘴的结构和工作原理对可燃混合气的形成和燃烧过程有着重要影响。
六、燃料过滤器燃料过滤器是防止柴油中杂质进入发动机的装置。
它通常采用纸质或聚酯纤维等材料制成，可以有效地过滤掉柴油中的杂质和水分，保证发动机的正常运行。
七、可燃混合气的形成过程在柴油机中，可燃混合气的形成过程可以分为以下几个阶段：1. 空气进入气缸：空气首先通过空气滤清器和进气道进入发动机的气缸中。
2. 压缩空气：随着活塞向上运动，空气被压缩并加热。
这使得可燃混合气的密度和温度都得到了提高。
3. 燃油喷射：当活塞接近顶死点时，喷油嘴开始将柴油喷入气缸中。
柴油在高温高压下迅速雾化，并与空气混合形成可燃混合气。
4. 燃烧过程：当柴油与空气混合后，它们会在高温高压下自燃并产生爆发式反应。
这将产生大量的能量，并推动活塞向下运动，从而驱动发动机工作。
汽车发动机原理柴油机混合气形成与燃烧课件
柴油机与汽油机的比 较
燃料不同
汽油机使用汽油作为燃料，而柴油机使用柴油作 为燃料。
燃烧方式不同
汽油机采用点燃式燃烧方式，而柴油机采用压燃 式燃烧方式。
应用范围不同
汽油机主要用于小型车辆和家用轿车等领域，而 柴油机则主要用于大型车辆和重型机械等领域。
02
柴油机混合气形成原理
混合气的概念与形成过程
混合气的概念
混合气是指柴油机燃烧室内，空气与燃油进行均匀混合所形 成的可燃气体。
混合气的形成过程
在柴油机进气过程中，空气通过进气门进入气缸，同时喷油 器在压缩行程中将柴油喷入气缸，燃油在高温高压空气中蒸 发扩散，并与空气混合形成混合气。
燃油喷射过程与特点
燃油喷射过程
在柴油机压缩行程后期，喷油器 定时定量地将柴油喷入气缸，油 雾与空气混合形成可燃混合气。
表面处理优化
对燃烧室表面进行耐磨、耐腐蚀处理，如镀铬、喷涂耐高温材料等， 以提高燃烧室的使用寿命和稳定性。
温度控制优化
采用高效燃烧室温度控制技术，如冷却水套、热防护等，防止燃烧室 过热或局部高温，提高燃烧室的热效率和使用安全性。
提高燃油喷射与混合气形成效率的方法
多阶段燃油喷射 根据发动机的转速和负荷，采用多阶段燃油喷射技术，实 现燃油的分层喷射和分段燃烧，提高燃油利用率和动力输 出。
汽车发动机原理柴油 机混合气形成与燃烧 课件
01
汽车发动机概述
汽车发动机的类型与特点
汽油机
以汽油为燃料，通过点燃式方式进行 燃烧，具有轻便、低噪音、低油耗等 优点，但同时也存在排放污染较高的 问题。
柴油机
以柴油为燃料，通过压燃式方式进行 燃烧，具有高效率、低油耗、低排放 等优点，但同时也存在噪音较大、制 造成本较高等问题。
简述柴油机混合气的形成和燃烧过程的主要特点
简述柴油机混合气的形成和燃烧过程的主要特点
柴油机混合气的形成主要通过喷油器将柴油喷入气缸内，并与空气混合形成可燃的混合气。
在柴油机中，柴油的喷射是通过高压喷油系统实现的，喷油器会将柴油以高速喷入气缸内，形成小的液滴。
随着喷雾进一步扩散和混合，柴油蒸发成为气态，与周围的空气发生反应，形成高温、高压的混合气。
柴油机燃烧过程的主要特点有以下几点：
1. 自燃性：柴油机的燃烧过程是自燃的，即燃料不需要预先混合空气，在高温和高压的条件下，柴油会自发地点燃。
2. 气缸压力高：由于柴油机采用的是压燃式燃烧方式，混合气在气缸内的压力相对较高，通常达到较高的压缩比，从而增加了柴油机的热效率和功率。
3. 燃烧过程较长：相对于汽油机的燃烧过程来说，柴油机的燃烧速率较慢。
这是因为柴油燃料的自燃性会引起燃烧的延迟，混合气的蒸发和扩散时间相对较长。
4. 高温高压条件下生成大量烟雾：由于柴油燃烧过程中温度和压力较高，同时还有一部分未完全燃烧的碳氢化合物存在，因此柴油机的排放中常常会产生大量的烟雾和颗粒物。
综上所述，柴油机混合气的形成和燃烧过程具有高压、自燃、延迟燃烧和较高的烟雾排放等特点。
这些特点决定了柴油机在高负荷工况下有较高的热效率和牵引力，适用于重载和长途运输等场景。
发动机原理第六章柴油机混合气形成与燃烧
2．对柴油机燃烧室的要求：
① α小，但应燃烧完全及时； ② 适度的ΔP/ΔΦ和Pz值；以保证工作柔和，
平稳，可靠； ③ 排气品质好； ④ 变工况适应好；应在负荷、转速变化时，
柴油机性能稳定； ⑤ 冷起动性好； ⑥ 制造、维修方便。
3、直喷式燃烧室的空气涡流运动
空气涡流运动是加速混合气形成的 有效手段；也是保证完善燃烧的重 要条件。
3．影响喷注质量的主要因素：
喷注结构，喷油压力，气缸内空气的压力，柴油
的粘度等。
二、空气运动对混合气形成的影响
缸内空气的涡流运动能加速雾化的油滴与 周围空气的混合，促进燃烧过程的进行。
但涡流过强，会使燃烧产物与邻近的喷注重叠； 涡流过强也使进气阻力加大，充量系数下降。
三、典型燃烧室结构分析
1．燃烧室分为两大类:直喷式和分开式。 直喷式燃烧室：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的
汽油机：提高火焰传播速度。 柴油机：保证及时形成较均匀的混合气。
第一节 混合气形成与燃烧过程
一、燃烧方式--油滴扩散燃烧
柴油机是在压缩过程中活塞接近上止点时,借助喷 油设备将燃油在高压下成雾状喷入燃烧室,以便 与空气形成可燃混合气。
油滴的着火要满足两个条件： （1）混合气的温度要高于着火临界温度。 （2）混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在
不变）
面容比大，经济性较差，启动性差（传热和流动损失大，装电热塞）
涡流室式燃烧室
1）预燃室式燃烧室
混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用轴针 式喷油器。
主要特点：
喷雾质量要求不高（预燃室形成强的紊流和二次喷射的燃
烧涡流形成混合气）。
ΔP/ΔΦ较小，工作柔和。 空气利用率高，α值可较小。 变工况适应性好，对转速不敏感。 NOx排放低 启动性差，面容比较大，经济性差 低速噪声（惰转噪声）大(预燃室气体速度低，油束贯穿力大，
发动机原理_柴油机混合气的形成和燃烧
运动速度和油膜厚度。
二、分隔式燃烧室
涡流室燃烧室 • 预燃室燃烧室 涡流室容积约占整个燃烧 室压缩容积的50%-60% • 预燃室容积约占整个燃烧 • 通道的截面积约为活塞截 室压缩容积的35%-45% 面积的 1%～3.5％ • 通道的截面积约为活塞截 • 涡流室燃烧过程 面积的0.3%-0.6％ • 预燃室燃烧过程
机械噪声
由曲轴连杆活塞机构、配气
机构、齿轮系、喷油泵及其 它附属机构等部分的高速运 动并与其相邻零部件发生频 繁的机械撞击，激励结构振 动而产生的噪声。
燃烧噪声
因为迅速地燃烧引起燃烧室
内压力急剧变化
控制噪声与振动的措施
1）控制燃烧过程来降低燃烧噪声。 2）改进机体等有关零部件的结构，降低结构振动的振幅 和提高共振频率。 3）为减小撞击力，尽可能减小缸套与活塞之间、轴承、 传动齿轮等处的间隙。为减小惯性力应减小运动件的质量， 并在可能的情况下，适当降低活塞平均速度。 4）应用吸振减振材料制造薄板零件 5）改进消声器的结构、材料；改进空气滤清器、冷却风 扇等的设计及适当调节配气相位以降低气体动力噪声。 6）遮蔽噪声源
三、对喷射系统的要求
理想的喷油规律： 更高的喷射压力和喷油速 率以及更短的喷油持续时 间已是技术发展的一个明 显趋势。 为避免柴油机工作过于粗 暴，又希望实现“先缓后 急”的喷油规律。 在所有的工况下都希望在 喷射结束阶段能尽可能迅 速地结束喷射。
四、柴油机电控喷射系统
电控喷射系统突出优 点是控制的准确性和 响应的快速性。 系统的基本控制量： • 循环喷油量的控制 • 供油提前角控制
第二节 燃油喷射和雾化
一、供油系统和喷射过程
柴油机供油系统 喷油泵速度特性及其校正 喷射过程 供油规律和喷油规律 不正常喷射现象和喷射系统中的穴蚀 破坏
柴油机混合气形成和燃烧
.
11
三、柴油机的有害排放物和振动噪声
CO和HC的生成机理与汽油机相同，但a>1，缝隙激冷效应
小，故其排放小。 柴油机有害排放物：NOx, PM, 且二者矛盾。 CO2 1) NOx的生成机理:
根据燃料及其混合气形成方式分为： 热力NO(Themal NO)和快速NO（Prompt NO） ➢ 热力NO产生条件：高温、富氧、滞留时间汽油机
适应高效率低排放燃烧方式的要求
.
26
二、喷射雾化和油束特性
➢ 喷雾(油束)特性取决于喷油器的结构、喷射压力和背压， 是影响混合气形成的主要因素
➢ 油束特性：用几何形状和雾化质量评价
几何形状：贯穿距离L ；贯穿率和喷雾锥角或B
贯穿率：油束射程与喷 孔出口沿喷孔轴线到达 燃烧室壁面的距离的比
核心部分液滴 密集，速度高
.
粒径分布
粒子直径/nm
15
高温：在预混合火焰温度2000~2400K范围内出现峰值； 在
扩散火焰区缺氧
实验结果
未氧化PM。
由 HC
向碳烟
的转换
T>2400K时：PM
率
计算结果
C原子不易凝聚；
已形成的碳烟氧化。
急速加热到1700K以上 时，聚乙炔及碳蒸汽成 为中间产物而生成碳烟
➢危害：致癌物；大气可见度
喷射压力与供油压力有关; 但非线性关系，不可控。
.
30
直列泵
VE型分配泵： 一个柱塞，与固定
在一起的端面凸轮 盘一同旋转
调速手柄
调速套筒 飞锤 燃油入口
停车 调速弹簧 手柄
流回油箱
溢流节流孔
张力杠杆 断油阀
供油量控制：通过驾驶 调 压 阀 员/调速器调节油量控制
【学习】第五章柴油机混合气形成和燃烧
fp — 柱塞面积 [ mm ]；
Wp — 柱塞速度 [ ml/degPA ]。
几何供油规律与喷油规律不同。
整理课件
供油规律和喷油规律
两产定者生义的差：差 异异 的： 原因：
喷燃供油始的规点可律滞压：后缩单于性位供时油间始内点喷 油喷系泵油统的持内供续产油时生量间压随较力时长波间的的传变播化 关最高系大压。喷油油管速的率弹较性低变形 油曲器喷线喷油的入规形燃律状烧：有室单一内位定的时的燃间变油内化量喷 随时间的变化关系。
整理课件
三 气流运动对混合气形成的影响
（一） 气流运动的作用
整理课件
（二） 气流运动
1、 进气涡流 使进气气流相对于气缸中心产生一个力，形成涡流。 （1） 切向气道 特点: 气道母线与气缸相切。 优点: 结构简单，气流阻力小 缺点: 涡流强度对进气口位置敏感。 （2） 螺旋气道 特点: 进气道呈螺旋型。 优点: 能产生强烈的进气涡流。 缺点: 工艺要求高，制造、调试难度较高
整理课件
50
油 束 射 程m m
(a)
10 0
油 束 射 程m m 50
(b)
2
3
3 .3
3.5 m s
整理课件
（四） 喷油规律
单位时间（或曲轴转角）的喷油量随时间（或曲轴转角） 的变化规律。
1 、喷油延迟角 喷油提前角 — 开始喷油 上止点的曲轴转角。 ’ — 上止点 停止喷油的曲轴转角。 喷油延迟角’ — 开始喷油 停止喷油的曲
整理课件
二 、喷油泵速度 特性及其校正
（一） 节流作用 1 理论上 （不存在节流） 2 实际上 （存在节流） 所以，实际供油比理
论供油时间长，供油量 大。
整理课件
简述柴油机混合气的形成和燃烧过程的主要特点
简述柴油机混合气的形成和燃烧过程的主要特点
柴油机混合气的形成和燃烧过程的主要特点如下：
1. 混合气形成：柴油机燃烧采用的是直接喷射燃油的方式，燃油通过喷油嘴喷入到气缸内，然后与空气混合形成混合气。
相比汽油机的预混合气形式，柴油机的混合气是在气缸内形成的。
2. 混合气浓度高：柴油机的混合气浓度通常较为高，可达到14：1到25：1。
这是因为柴油机所使用的燃油具有较高的能
量密度，可以同时实现更高的压缩比和更高的燃烧温度。
3. 自燃点高：柴油机的混合气具有较高的自燃点。
由于混合气浓度高和燃油的特性，混合气需要达到一定的温度才能自发燃烧。
这有助于控制燃烧过程，防止发动机产生异常燃烧。
4. 点火方式不同：柴油机的燃烧是通过压燃来实现的，而非火花点火。
燃油喷入气缸后由于高压和高温的作用，使得燃油迅速氧化分解，产生大量的热量和高压气体。
然后，由于压燃的作用，燃料自燃并瞬间燃烧。
5. 燃烧时间长：相比于汽油机的快速燃烧，柴油机的燃烧过程时间较长。
这是因为在柴油机燃料的压燃条件下，燃烧速度较慢，需要一定时间来完成。
6. 黑烟排放：由于柴油机燃烧的特性，其排放中容易产生黑烟。
黑烟是不完全燃烧的产物，主要由碳颗粒组成。
为了减少黑烟排放，需要控制燃烧过程，提高燃烧效率。
总体而言，柴油机混合气的形成和燃烧过程具有混合气浓度高、自燃点高、点火方式不同、燃烧时间长和黑烟排放等特点。
这些特点决定了柴油机在燃烧效率、功率输出和排放控制等方面与汽油机有着不同的特性。
6柴油机的混合气形成与燃烧
① 提高过量空气系数 ② 组织气缸内气体运动
二、燃烧过程存在的问题
2．燃烧噪声
产生原因
柴油机的压缩比高，混合气几乎同时燃烧，急 剧升高的压力，直接使燃烧室壁面及活塞、曲 轴等机件受冲击，产生强烈振动，并通过气缸 壁传到外部，从而形成燃烧噪声。
解决措施
缩短滞燃期，减少滞燃期的喷油量，抑 制滞燃期中混合气的形成，是减轻噪声的主 要途径。
柴油机均在α>1的条件下工作，使柴油机容积利用 率这是其比质量，升功率不如汽油机的原因之一。
4、补燃期
定义：是从气缸内出现最高燃烧温度起，到燃烧
基本结束为止的一段时间，以曲轴转角表示。
特点：
时间短促，混合气不太均，对经济性不利。 后燃还增加了有关零部件的热负荷。 补燃期的终点很难准确地确定。
造成二者区别的原因： I. ①燃油的可压缩性，使系统内产生压
力波的传播；高压油管的弹性变形引 起容积的变化； II. ②压力波的往复反射和叠加的作用。
三、不正常喷射现象和穴蚀
（l）二次喷射现象：既在喷射终了喷油器
针阀落座以后，在压力波动的影响下再次升起 喷油的现象。
危害：
①压力低雾化不良，燃烧不完全，碳 烟增多，易引起喷孔堵塞；
图4-1 空气运动对混合气形成的影响
(1)空间雾化混合
说明：
喷注着火后，旋转的气流将燃烧产物吹 走，并及时向未燃烧完的油滴提供新鲜 空气，提高空气利用率，加速混合气的 形成和燃烧。
气缸内的涡流运动并非越强越好。涡流 过强，过强会使燃烧产物与相邻的喷注 重叠，从而影响燃烧，同时使进气阻力 加大，充量系数下降。
4．有害的废气成分
NOx是柴油机废气中主要有害成分。其生成 量 应取进决行于时反的应温物度N，2以、及02反、应O进、行N的的浓时度间，长反短。 因此，为降低NOx 生成量，必须降低火焰 高峰温度、缩短空气在高温下停留的时间， 减少过量空气系数等。
6单元 柴油机的燃烧过程和燃烧规律
③控制蒸发速度（油膜蒸发缓和）；
3）排气冒黑烟
缓燃期燃油被高温废气包围：高温缺氧→裂解→脱氢 →聚合形成碳烟。 一般在高负荷时发生如汽车加速，爬坡或超载。
减少冒黑烟的措施： ①增大过量空气系数α：改进进气系统ην↑，减少喷 油量降低功率使用。
单元6 柴油机混合气的形成和燃烧
课前回顾
问题一：传统汽油机与柴油机的混合气形成方式及着火方式 有什么不同？
汽油机：缸外形成混合气，点燃；柴油机：缸内喷射，压燃。
问题二：为什么传统汽油机采用缸外混合，火花塞点燃式燃 烧，柴油机采用缸内喷射，压燃式燃烧？
燃料的品性决定了混合气的形成方式及着火方式。
蒸发性：汽油＞柴油； 发火性（自燃性）：柴油＞汽油。
1）泵-管-喷嘴系列 （1）直列柱塞泵
高压油管 燃油滤清器 停油电磁阀
回油管 润滑机油管
P7100泵 正时齿轮
4、应用吸振减振材料制造薄板零件，如油底壳、 缸盖罩等。在缸体与油底壳之间、缸盖与缸盖罩 之间采用较“软”的垫片，对振动起到阻尼使用。
5、改进消声器的结构、材料；改进空气滤清器、 冷却风扇等的设计以及适当调节配气相位，以降 低气体动力噪声。
6、遮蔽噪声源，采用对作为主要噪声源的发动机 的局部或整体加隔声罩的方法等。
6-1柴油机燃烧过程
1、混合气形成特点： 3）混合气形成不均匀 ，为了提高经济性总体过量空气系 数>1.2。导致容积利用率低，升功率低（傻大黑粗）。
傻大黑粗
高富帅？？？
6-1柴油机燃烧过程
2、混合气形成方式： 油膜蒸发混合，燃料大部 分顺气流方向喷到燃烧室 壁面上，形成一层油膜， 油膜受热蒸发，在旋转气 流作用下与空气相混合形 成可燃混合气。
柴油机可燃混合气的形成及燃烧
发动机教程柴油供给系可燃混合气的形成和燃烧室1.可燃混合气的形成与燃烧柴油机可燃混合气的形成和燃烧都是直接在燃烧室内进行的。
当活塞接近压缩上止点时，柴油喷入气缸，与高压高温的空气接触，混合，经过一系列的物理，化学变化才开始燃烧。
之后便是边喷射，边燃烧。
其混合气的形成和燃烧是一个非常复杂的物理化学变化过程，其主要特点是:(1)燃料的混合和燃烧是在气缸内进行的。
(2)混合与燃烧的时间很短0.0017~0.004秒(气缸内)(3)柴油粘度大，不易挥发，必须以雾状喷入。
(4)可燃混合气的形成和燃烧过程是同时，连续重叠进行的，即边喷射，边混合，边燃烧。
2.可燃混合气的形成与燃烧大体分四个时期(图5-1)(1)备燃期从喷油开始→开始着火燃烧为止喷入气缸中的雾状柴油并不能马上着火燃烧，气缸中的气体温度，虽然已高于柴油的自燃点，但柴油的温度不能马上升高到自燃点，要经过一段物理和化学的准备过程。
也就是说，柴油在高温空气的影响下，吸收热量，温度升高，逐层蒸发而形成油气，向四周扩散并与空气均匀混合(物理变化)。
随着柴油温度升高，少量的柴油分子首先分解，并与空气中的氧分子进行化学反映，具备着火条件而着火，形成了火源中心，为燃烧作好了准备。
这一时期很短，一般仅为0.0007~0.003秒。
(2)速燃期从燃烧开始→气缸内出现时为止火源中心已经形成，已准备好了的混合气迅速燃烧，在这一阶段由于喷入的柴油几乎同时着火燃烧，而且是在活塞接近上止点，气缸工作容积很小的情况下进行燃烧的，因此，气缸内的压力P迅速增加,温度升高很快。
(3)缓燃期从出现→出现为止这一阶段喷油器继续喷油，由于燃烧室内的温度和压力都高，柴油的物理和化学准备时间很短，几乎是边喷射边燃烧。
但因为气缸中氧气减少，废气增多，燃烧速度逐渐减慢，气缸容积增大。
所以气缸内压力略有下降，温度达到最高值，通常喷油器已结束喷油。
(4)后燃期缓燃期以后的燃烧这一时期，虽然不喷油，但仍有一少部分柴油没有燃烧完，随着活塞下行继续燃烧。
柴油发动机的燃烧解读
项目四柴油机混合气形成与燃烧学习目标：掌握柴油机两种混合气的形成方式及特点，掌握直接喷射式和分隔式两大类柴油机燃烧室的结构及性能特点；了解柴油机供油系统的组成和喷射过程，掌握柴油机的燃烧过程及影响因素，掌握电控柴油喷身系统的组成、分类、电子控制功能，并在学习过程中随时注意对柴油机和汽油机进行比较。
任务一柴油机混合气形成与汽油机工作原理相比，只有一个行程即作功行程中，柴油机由于用的柴油粘度比汽油大、不易蒸发，且自然温度又较汽油低，所以采用的是压缩自燃式点火。
任务二柴油机的燃烧过程柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段，即着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃期、缓燃期和补燃期，如图所示。
（一）着火延迟期从柴油开始喷入气缸起到着火开始为止的这一段时期称为着火延迟期。
着火延迟期内，燃烧室内的混合气进行着物理和化学准备过程。
物理准备过程：燃油的粉碎分散、蒸发汽化和混合。
化学准备过程：混合气的先期化学反应直至开始自燃。
特点：压力没有偏离压缩线。
影响着火延迟期长短的主要因素是：喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期越短。
柴油的自燃性较好（十六值较高），着火延迟期较短。
燃烧室的形状和壁温等。
喷油提前角：开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。
（二）速燃期速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线）到出现最高压力.特点：压力急剧上升，压力达到最高（有可能达到13MPa以上）一般用压力升高率λp〔kPa／(º)曲轴〕表示压力急剧上升的程度。
式中：△p——速燃期始点和终点的气体压力差（kPa）;△θ——速燃期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（CAº）。
特点：（1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。
（2）达到最高压力（6~9MPa）。
（3）继续喷油。
压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命；压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。
柴油机混合气的形成与燃烧
油膜蒸发混合
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燃油雾化过程是怎样的？
6
燃油雾化：指燃油喷入燃烧室内后被粉碎分散为细小油 滴的过程。 雾化应具备的必要条件： ——油滴尺寸小（雾化） ——油滴在空气中突进（贯穿力） ——油滴在空间中分布
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柴油雾化效果对混合气的形成与 燃烧有重要的影响，那又如何来评 价柴油雾化质量呢？
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油束特性：几何形状和雾化质量。 几何形状——油束射程L和喷雾锥角β或油束的最大宽度B。 贯穿率——指油束的贯穿距离与喷孔口沿喷孔轴线到燃烧 室壁距离的比值。 油束的雾化质量——油束中液滴的细度和均匀度。
蓝焰—热量积累较多，链节活化中心较多，出现蓝色火焰。缸内 温度和压力明显升高。经历时间为t3，此时的反应为二级反应。 t1+t2+t3为着火延迟期 热焰—热量和活化中心同时大量积累，反应将激烈进行，在极短 的时间内产生热爆炸，出现桔黄色热火焰，即产生自燃。热火焰 的出现称为三级反应。
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直径： 5~150um (中间较大)
1、空间雾化混合 将燃油喷向燃烧室空 间，形成雾状，雾状油滴 从高温空气中吸热蒸发并 扩散，与空气形成混合气。 为了使混合均匀，要求喷 出的燃油与燃烧室形状配 合，并利用燃烧室中空气 的运动与其混合，如图所 示。
空间雾化混合
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2.油膜蒸发混合 将大部分燃油喷到燃烧 室壁面上，形成一层油膜， 油膜受热汽化蒸发，在燃烧 室中强烈的涡流作用下，燃 油蒸气与空气形成均匀的可 燃混合气，如图所示。这一 混合方式中起主要作用的因 素是燃烧室壁面温度、空气 相对运动速度和油膜厚度。
压力可降低) p / 较小，工作柔和，噪音低（副燃室燃烧滞燃 期短，主燃室燃烧活塞已下行） 空气利用率高，α值可较小（1.2~1.3） 高速性能好。（涡流随转速升高而加强） 排污低（最高燃烧温度低） 变工况适应性好，对转速不敏感（转速变化，涡流的 流动特性基本不变） 面容比大，经济性较差，起动性差（传热和流动损失 大，装电热塞）
简述柴油机的燃烧过程
简述柴油机的燃烧过程
柴油机是一种内燃机，其燃烧过程可以分为四个阶段：进气、压缩、燃烧和排气。
1. 进气阶段
在进气阶段，柴油机的活塞向下移动，吸入空气。
空气经过空气滤清器和进气道进入气缸。
同时，燃油喷嘴将燃油喷入气缸中，燃油雾化后与空气混合，形成可燃混合气。
2. 压缩阶段
在压缩阶段，活塞向上移动，将可燃混合气压缩至极高的压力和温度。
在这个过程中，燃油的分子被压缩，形成高压高温的燃油蒸气。
3. 燃烧阶段
在燃烧阶段，燃油蒸气被点火，燃烧产生高温高压的燃烧气体。
这些气体推动活塞向下运动，驱动发动机工作。
同时，燃烧产生的热能也被传递到发动机的冷却系统中，以保持发动机的工作温度。
4. 排气阶段
在排气阶段，活塞再次向上移动，将燃烧产生的废气排出气缸。
废气通过排气门排出发动机，并经过排气系统排放到大气中。
总之，柴油机的燃烧过程是一个复杂的物理过程，需要精确的控制和调整，以确保发动机的高效工作。
柴油机可燃混合气的形成方法
柴油机可燃混合气的形成方法柴油机是一种燃烧内燃机，其燃烧过程是在高压下进行的。
在柴油机中，燃油和空气是分开进入燃烧室的，这就要求燃烧室内的空气和燃油能够进行充分的混合，形成可燃的混合气体。
而柴油机的燃油是通过高压喷射进入气缸内的，因此如何让燃油和空气充分混合是非常关键的。
1. 喷油嘴的喷油方式柴油机采用高压喷油的方式将燃油喷入燃烧室，为了使燃油和空气充分混合，喷油嘴的工作方式显得尤为重要。
通常情况下，柴油机采用喷雾式喷油嘴，喷油嘴的内部结构影响喷油的质量和形状。
喷油嘴的孔径、喷嘴形状、嘴孔数量等参数的优化，可以改善燃油喷雾的品质，使其更加均匀细密，有利于燃油和空气混合。
2. 空气进气方式为了使燃油和空气在燃烧室内更充分地混合，柴油机的进气系统也需要进行优化。
空气的进气方式对于可燃混合气的形成起到了决定性的作用。
通常情况下，柴油机采用中冷或者涡轮增压的方式增加空气量，克服空气进入不足的问题。
在进气系统中加入进气道膜片、进气道加热等装置，也可以提高空气的进气速度和进气流量，使得空气能够更快更加均匀地进入燃烧室，加强混合。
3. 活塞结构和形态柴油机的活塞结构和形态也会影响可燃混合气的形成。
为了提高燃烧室内空气的流动性，柴油机的活塞通常采用凹形设计，这可以使空气在进入燃烧室之前形成漩涡，从而增加空气和燃油的接触面积。
活塞的头部也可以加工成不同的形状，如切角、圆弧等，以改善空气流动的连续性和流速分布状态，从而提高混合气的质量和完整度。
4. 点火系统要使混合气在燃烧室内完全燃烧，必须采用合理的点火系统。
点火系统不仅需要能够在恰当的时机引燃混合气，还需要能够使燃烧在较短的时间内完成。
目前柴油机采用的点火系统主要有两种：机械式点火和电控式点火。
机械式点火通常采用压电式喷嘴，将燃油喷入燃烧室后即可引燃；而电控式点火则采用电子控制系统，能够对点火时间和点火能量进行精确的控制，以确保混合气的燃烧质量。
柴油机可燃混合气的形成方法包括喷油嘴的喷油方式、空气进气方式、活塞结构和形态、点火系统等多方面的因素。
柴油机混合气形成与燃烧(二)
2013.02
柴油机混合气形成与燃烧
本章主要内容：
柴油机燃烧过程 柴油机混合气的形成
柴油机的喷射与雾化 影响燃烧的因素和措施
第二节 柴油机混合气的形成
柴油机混合气形成靠三方面的相互作用： 一是燃烧室的结构,二是燃料的喷雾，三是缸内 适当的空气运动。
混合气形成特点: 1、缸内形成 2、时间极短 3、过量空气系数较大 4、靠燃烧室、喷雾、空气涡流运动三方面配合
三、典型燃烧室结构分析
1．燃烧室分类——直喷式和分开式两大类
直喷式燃烧室：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的 一个统一空间。
（缸径大于100mm，转速小于3000r/min的柴油机基本用直喷式的） 根据凹坑深度分：
开式燃烧室—浅坑型，如浅盆形或浅ω形燃烧室 半开式燃烧室—深坑型，如ω形和球形燃烧室
分开式燃烧室：由主燃室和副燃室两部分组成。
变）
＊面容比大，经济性较差，启动性差（传热和流动损失大，装电热塞）
涡流室式燃烧室
1）预燃室式燃烧室
＊混合气形成：空间雾化混合为主。 ＊采用轴针式喷油器，预燃室占燃烧容积的50%-60%。 ＊喷雾质量要求不高（预燃室形成强的紊流和二次喷射的燃烧
涡流形成混合气）。
＊ ΔP/ΔΦ较小，工作柔和。 ＊空气利用率高，α值可较小。 ＊变工况适应性好，对转速不敏感。 ＊ NOx排放低。 ＊启动性差，面容比较大，经济性差。 ＊低速噪声（惰转噪声）大。(预燃室气体速度低，油束贯穿力大，
燃油在经喷孔 喷出时，在气 缸中被破碎成 微粒的过程。
L:射程 :锥角
喷油横截 面上燃油 分布
喷油横截面 上油粒速度
喷注的形状
2．喷注的特征
＊喷注射程L：表示喷注贯穿深度； ＊喷注锥角β：表示喷注紧密程度； ＊细微度和均匀度：表示雾化程度。
第三节柴油机混合气的形成
第三节柴油机混合气的形成一、混合气形成的特点及方式（一）燃料喷射与混合气形成柴油喷入柴油机的燃烧室燃烧，系利用高压喷射泵将柴油紧缩使其通过一或数个喷油嘴或孔口进入燃烧室雾化。
柴油高压喷射泵通常以200~1400 bar的喷射压力作动。
在喷射时，气缸内的空气压力为50~100 bar、温度大约为700℃、密度那么在15~25 kg/m3之间。
喷油嘴的喷孔直径为~ mm、长度与直径比那么在2~8之间。
典型的蒸馏一般柴油其燃料性质：比重为、黏度在3~10 kg/m-s之间，表面张力那么大约为3×l0-2 N/m(水约×l0-2 N/m)。
如图3-20所示为不同喷射压力之燃油对大气空气之喷射喷雾示图，在起始之低喷射压力时，喷雾为油滴状从喷口喷出（图a），随着喷射压力的增加，油滴慢慢变成喷流（Stream）。
最后，喷流慢慢散开成喷雾（Spray）。
如图3-20所示为实际柴油引擎燃料对紧缩空气（约35 bar）之喷雾示用意，离开喷油嘴的油滴从喷流变成喷雾的长度称为散开长度（Breakup length），此长度随着喷射压力的增加，慢慢变短、但喷雾角慢慢变大，最后散开长度完全消失，现在的喷雾角最大（图3-20(e)~(f)），此为柴油引擎燃料喷雾之大体要求。
由于喷油阀起始之开启压力，燃料之起始喷雾状往往是油滴（图a）而不是理想之油雾（图f）。
图3-20A刻画一典型柴油机其燃料喷雾的结构，当液体喷流离开喷油嘴时，由于带入周围的空气，并与其混合，故变成扰动而散开。
最初喷流速度大于102 m/s喷流外表面那么散开成直径为10 μm的油液滴，散布于喷油嘴出口周围。
喷雾离开喷油嘴越远，其中所含的空气质量越多，故即扩散开来，其宽度慢慢增大，速度那么相对减小。
当这种卷入空气的进程进行时，燃油滴会吸收周围的热量开始蒸发。
当喷射进行时，喷雾尖端进一步渗透穿越燃烧室，可是速度会减小。
图3-20：不同喷射压力对大气空气之喷射喷雾示图图3-20A：实际柴油引擎燃料对紧缩空气（约35 bar）之喷雾示用意柴油因黏性大、不易挥发，故柴油机采纳在缸内形成混合油滴与空气的方式。
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减小在着火延迟期内的可燃混合气的量
① 缩短着火落后期的时间； ② 减少着火落后期内喷入的燃油或可 能形成可燃混合气的燃油
（三） 缓燃期
缓燃期为图中的CD段
缓燃期
即从最大压力点至最高
温度点。
当缓燃期开始时，
虽然气缸内已形成燃烧
产物，但仍有大量混合
气正在燃烧。
特点： （1）喷油过程基本结束，燃烧速率下 降（氧气、柴油浓度减小，废气增多）。 （2）压力开始下降（气缸容积不断增 大），温度达到最高。最高温度可达2000K 左右，一般在上止点后20º ~35º 曲轴转角处 出现。
图5-21切向气道、螺旋气道的原理 a) 切向气道 b) 纯螺旋气道
⑵ 压缩涡流 在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡
流室时，形成强烈的压缩涡流。
2. 挤流
当活塞接近上止点时，气缸内的空气被挤入活塞顶部 的燃烧室凹坑内，由此产生挤压涡流(挤流)。 当活塞下行时，凹坑内的燃烧气体又向外流到活塞顶 部外围的环型空间，与空气进一步混合燃烧，这种流 动也称为逆挤流。
（二）理想的燃烧放热规 律及其控制 1. 放热始点 放热始点的位置能保证 该循环有最大指示热效率。 柴油机通过喷油提前角的 变化以及着火落后期长短 来加以调控。
图5-16 喷油提前角的调节特性
2. 放热持续期 放热持续期首先取决于喷油持续角的大小。其次， 取决于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程 度。
两者的差别主要原因：
燃油的可压缩性
压力波传播滞后
压力波动
高压容积变化
3.喷雾特性与雾化质量：
燃油喷入燃烧时后被粉碎分散为细小微粒的过
程，称为燃油的喷雾或雾化。
将燃油喷射雾化，可以大大增加其表面积，加
速混合气形成。
当燃油高速从喷孔喷出(喷出速度为l00一300m
／s) 便形成如园锥形状的喷注，也称油束。
图5-14 温度与压力对着火落后期的影响
（二）速燃期
速燃期:从开始着火（即压
速燃期
力偏离压缩线开始急剧上升
(B点)）到出现最高压力(C
点)。
特点：形成多个火焰中心，
持续喷油，即随喷随燃。压
力急剧上升，压力达到最高 （有可能达到13MPa以上）。
影响：
压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经 济性和动力性会较好；
压力升高率过大，则柴油机工作粗暴， 燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击 负荷，影响其工作可靠性和使用寿命等。 压力升高率应限制在一定的范围之内， 柴 油 机 的 压 力 升 高 率 一 般 应 不 大 于 0.4~0.5 MPa ／(º ) 曲轴。与汽油机相比，柴油机的压 力升高率较大。
控制压力升高率的措施
1、直接喷射式燃烧室：
1） 浅盆形燃烧室 2） ω形燃烧室
3） 挤流口式燃烧室
4） 球形燃烧室
图5-24各种直喷式燃烧室形式 a) 浅盆形 b) ω形 c) 挤流口形
d) 球形
5）非回转体燃烧室
a) 四角形
图5-26 非回转体燃烧室 b) 微涡流MTCC c) Quardram d) 花瓣形
２、非直喷式燃烧室
2.供油规律与喷油规律：
供油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间）由 喷油泵供入高压油路中的燃油量； 喷油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间）由 喷油器喷入燃烧室内的燃油量； 供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时间） 的变化关系。
喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时间） 的变化关系。
差别： 图5-8 供油规律和喷油规律 始点差别8°~22°曲轴转角； 喷油持续时间较供油持续时间长； 最大喷油速率较供油速率低，其形状有明显畸变， 循环喷油量也低于循环供油量。
1、空间雾化混合
将燃油喷向燃烧室空间进行雾化，通过燃油 与空气间的相互运动和扩散，在空间形成 可燃混合气。
a) 静止空气 时 空间雾化混合 b) 空气作旋转运动 空间雾化混合
图5-19 直喷式柴油机的空间雾化混合气形成方式 a) 静止空气 b) 空气作旋转运动
2、 壁面油膜蒸发混合
燃油沿壁面顺气流喷射，在强 烈的涡流作用下，在燃烧室壁面上 形成一层很薄的油膜。
(二)断续喷射 (三)不规则喷射和隔次喷射 (四)滴油 在正常喷射结束后，如断油不干脆，仍有 少量柴油滴出，称为滴油。 (五) 穴蚀
第二节 燃烧与放热
燃烧过程的特点 1 高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。 2 压缩自燃。 柴油机的燃烧过程可分为四个阶段： 1 火落后期(又称为滞燃期)； 2 速燃期； 3 缓燃期； 4 补燃期 。
1. 涡流
⑴ 进气涡流 在进气过程中形成的
绕气缸轴线旋转的有组织的
气流运动，称为进气涡流。
产生进气涡流运动的方法有:
涡流
导气屏、切向进气道、螺旋进气道、组合进气系统
• 导气屏
设置在进气门上，
导引进气流以不同角
度流入气缸在气缸避
免的约束配合下产生
涡流。
• 切向进气道 • 螺旋进气道
组合进气系统 在2个进气门的发动机上，采用不同类型 或不同角度的两个进气道以组合所需要的涡 流和流速分布。
1）涡流室燃烧室
其结构特点是除了位于活塞顶部的主燃烧室外，还 有位于缸盖的副燃烧室，两者之间有通道相连。燃 油喷入副燃烧室，又称为非直喷式燃烧室
a)球形
图5-30 涡流室的形状 b)圆锥形平底 c) 圆柱形平底
２）预燃室燃烧室
图5-31预燃室燃烧室 a) 倾斜偏置，单孔道； b)中央正置，多孔道；
3、喷油泵
图5-3 A型喷油泵
图5-4分配式喷油泵
4、喷油器
(a) 单孔
图5-5 喷油器的头部结构 (b) 多孔 (c) 标准轴针 (d) 节流轴针
图5-6不同喷油嘴的流通特性
二、喷射与雾化
燃油喷射特性指标主要包括：喷油特性 （规律）和喷雾特性 1.喷射过程:
定义：喷油泵开始供油直至喷油器停止喷 油的过程，整个喷射过程在全负荷 下约占15°~40°曲轴转角。
•喷射延迟阶段I：
从喷油泵柱塞顶封闭进 回油孔的理论供油始点 到喷油器针阀开始升起 (喷油始点)为止。
喷 射 过 程
•主喷射阶段Ⅱ ：
从喷油始点到喷油器端 压力开始急剧下降为止。
•喷油结束阶段Ⅲ ：
从喷油器端压力开始急 剧下降针阀完全落座 (喷 油终点)为止。
图5-7喷射过程 a) 喷油泵端压力 b) 喷油器端压力 c) 针阀升程
瞬时放热速率：在燃烧过程中的某一时刻 ， 单位时间(单位曲轴转角)内燃烧的燃油所放出 的热量。
累计放热百分比：从燃烧过程开始至某一时 刻止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。 燃烧放热规律：瞬时放热速率和累计放热百 分比随曲轴转角的变化关系。
图5-15 88
图5-15燃烧放热规律
燃烧放热规律影响到燃烧过程中缸内 压力温度的变化进而影响到柴油机的性能。
（四） 补燃期
从最高温度点起到 燃油基本烧完时为止称 为补燃期。
补燃期
补燃期的终点很难 准确地确定，一般当放 热量达到循环总放热量 的 95 ％ —99 ％时，可认 为补燃期结束 。 即整个 燃烧过程结束。
补燃期内燃油的燃烧可称为后燃，由于燃烧时 间短促，混合气又不太均匀，总有少量燃油拖延到 膨胀过程中继续燃烧。特别在高速、高负荷工况下， 因过量空气系数小，混合气形成和燃烧的时间更短， 这种后燃现象就更为严重。
油束的几何形状主要包括油束射程(又称 贯穿距离)和喷雾锥角或油束的最大宽度。
图5-9 油束的几何形状和参数
a 油束射程L
并不一定越大越好，这要根据混合气形成的机 理与燃烧室形状具体分析。 L 燃料喷到壁面上多 空间混合气太稀。
L 燃料集中 混合气分布不均匀，空气利用。
3.不正常喷射
(一)二次喷射 二次喷射是主喷射结束针阀落座后，在过大的反 射波作用下，针阀再次升起进行喷油的一种不正常 现象。二次喷射的出现特使整个喷射延续期拉长， 过后燃烧严重，柴油机经济性下降．热负荷增加， 应当要力求消除二次喷射。 消除二次喷射
(1)减少高压油路中的容积
(2)适当加大喷油器的喷孔直径 (3)适当加大出油阀的减压容积
着火前，燃烧室壁温较低下， 油膜底层保持液态，表层油膜开始 时以较低速度蒸发，加上喷油射束 在空间的少量蒸发，形成少量可燃 混合气。 着火后，随燃烧的进行，油膜 受热逐层加速蒸发，使混合气形成 速度和燃烧速度加速。
图5-20 油膜蒸发混合方式
二、缸内气流运动
涡流
内燃机缸内 气体运动方式
挤流
滚流
湍流
在补燃期中，由于活塞下行了相当的距离，气缸 内容积增大很多，缸内压力和温度迅速下降，故燃 烧速度很慢，所放出的热量很难有效利用，还使排 气温度升高，导致散热损失增大，对柴油机的经济 性不利。此外，后燃还增加了有关零件的热负荷。 因此，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧 的燃油量。
二、燃烧放热规律 （一） 燃烧放热规律的定义
第五章 柴油机混合气的形成和燃烧
主要内容
第一节 燃油的喷射与雾化
第二节 燃烧与放热 第三节 混合气形成与燃烧室 第四节 燃烧过程的优化
第一节 燃油的喷射与雾化
一、喷油系统
1、作用及要求
作用：
定时定量并按一定规律向柴油机各缸
供给高压燃油。
要求： 1) 产生足够高的喷油压力； 2) 实现所要求的喷油规律； 3) 对于确定的运转状况，精确控制喷油 量； 4) 避免出现异常喷射现象。
图5-18不同类型柴油机的燃烧放热规律比较 1—汽油机 2—直喷式燃烧室柴油机 3—涡流室燃烧室柴油机 4—预燃室燃烧室柴油机