练习五、柴油机混合气的形成与燃烧
柴油机混合气的形成与燃烧
柴油机混合气形成与燃烧
本文主要内容：
1.柴油机燃烧过程
2.柴油机混合气的形成
3.柴油机的喷射与雾化
4.影响燃烧的因素和措施
1. 柴油机燃烧过程
第一节 柴油机燃烧过程
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。
3.排气冒黑烟
主要发生在大负荷工况时，如加速，爬坡时。 燃油在高温缺氧下燃烧时易形成碳烟。 减少黑烟的主要措施: (1)增加过量空气系数Фa 。但与提高柴油机的动 力性相矛盾。 （2）改善混合气的形成。与改善柴油机工作的柔 和性相矛盾。
4.排气冒蓝烟、白烟
在冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度
dQ/dΦ 大。
*出现最高压力点，理想位置：上止点后10°～15℃A *柴油机Δ P/Δ Φ 一般0.4 ～ 0.6MPa/℃A *放热量为20% ～ 30% *同时，喷油持续进行，形成燃烧与喷油的重叠，喷油常在速燃期
结束。
Ⅲ、缓燃期（3-4）
（图6-2）
从缸内压力最高到温度最高阶段
*着火后，混合是在边燃烧、边喷油的情况下进行的扩散 混合，此阶段的燃烧称为扩散燃烧。 *新鲜空气愈来愈少，温度愈来愈高，燃烧产物愈来愈多， 燃烧速度缓慢，同时活塞已下行，压力近似不变，近于等 压燃烧。 *速燃期内喷入的燃油在此阶段燃烧，大部分燃油在此阶 段燃烧，放热量较大，占总放热量的70～80%。 *放热率比速燃期小 *一般在上止点后20～35°CA，出现最高温度，达1600～ 2000℃。 *温度虽升高，由于混合时间短，高温缺氧下易形成碳烟， 要求加强空气运动，φα &）
从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始点 （或着火）阶段 (图6-2) *在压缩终点,Tc=450-800℃,大于柴油的自燃温度 （330-350℃）,但不会立即着火,进行着火前的准 备。 * 物理准备：雾化，加热，蒸发，扩散和混合。
练习五柴油机混合气的形成与燃烧
五、柴油机混合气的形成与燃烧一、解释术语1、喷油泵速度特性2、供油提前角3、喷油提前角4、滞燃期*5、喷油延迟6、缓燃期喷油规律二、选择题1、柴油机间接喷射式燃烧室类型中包括下面列出的（）A、半开式燃烧室B、开式燃烧室C、统一室燃烧室D、预燃室燃烧室2、传统柴油机的喷油时刻与供油时刻（）。
A、同步B、提前C、滞后D、没有联系3、柴油机的供油始点用（）表示。
A、喷油提前角B、供油提前角C、雾化提前角D、着火提前角4、评价速燃期的重要指标中有（）。
*A、温度升高率B、最大压力出现时刻C、最高温度D、压力升高时刻5、柴油机的理想喷油规律是（）。
A、均匀喷油B、先慢后快C、先快后慢D、先快后慢再快6、下面列出的（）属于柴油机燃烧特点。
A、缺氧B、空气过量C、扩散燃烧D、混合气预先形成7、柴油机混合气形成过程中，存在燃料燃烧、燃料（）、燃料与空气之间的扩散同步进行现象。
A、燃烧B、凝结C、蒸发D、混合8、球形油膜燃烧室属于柴油机（）燃烧室。
A、涡流式B、预燃室C、间接喷射式D、直接喷射式9、柴油机的燃烧方式包括（）。
A、层流火焰传播B、紊流火焰传播C、扩散燃烧D、不规则燃烧10、喷油速率在喷射初期（即滞燃期内）应（）。
A、较大B、较小C、不变D、视情况而定11、下列四个时期对柴油机压力升高率有明显影响的是（）。
A、滞燃期B、速燃期C、缓燃期D、后燃期12、下列四种燃烧室对喷射系统要求最高的是（）。
A、开式燃烧室B、半开式燃烧室C、涡流室燃烧室D、预燃室燃烧室13、下列四种燃烧室面容比最大的是（）。
A、开式燃烧室B、半开式燃烧室C、涡流室燃烧室D、预燃室燃烧室14、为了衡量发动机工作的平稳性，用（）作为速燃期的重要评价指标。
*A、温度升高率B、压力升高率C、最高温度D、最大压力三、填空题1、柴油机燃烧过程是否完善，取决于、和三者的合理配合。
2、油束特性可以用、和三个参数来描述。
3、柴油机燃烧室基本要求是、、和。
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。
【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。
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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。
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三 气流运动对混合气形成的影响
（一） 气流运动的作用
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（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
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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
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（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
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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。
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第五章柴油机混合气的形成和燃烧
出油阀偶件
柱塞偶件
油量调节 机构
挺柱
驱动机构
b、转子分配式喷油泵
它用两组柱塞系统（或者一组柱塞系统）加压，
柴油分别送入各个喷油嘴。送出去的柴油充满了分配 器入口处，然后按各汽缸顺序排列喷射。由于两组柱 塞系统（或者一组柱塞系统）的动作转数与气缸数目 成比例增加，因此该种喷油泵受到汽缸数目及最高转
速的限制。
孔式喷油器： 1、应用：一般用于直喷式燃烧室，喷孔的数目、 孔径及喷射角度等设计参数要视具体的燃烧室 形状和空气运动而定。 孔数一般1～8个，孔径0.2～0.5mm。 2、特点： （1）喷孔的位置和方向与燃烧室形状相适应， 以保证油雾直接喷射在燃烧室壁上。 （2）喷射压力较高。 （3）喷油头细长，喷孔小，加工精度高。
许喷油压力逐步上升，从而实现缸内平稳燃烧，保持
缓慢的温度变化梯度和低的NOx生成，进而使混合气形
成得以改善，有利于降低PM微粒的形成。
4、喷油器
喷油器的主要作用是将喷油泵供给的高压燃油喷入 柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微细的油粒，并按一定 的要求适当地分布在燃烧室内。 喷油器有孔式喷油器和轴针式喷油器两类，见图 5－ 5。
柴油机燃油供给、缸内气流运动和燃 烧室的形状对于混合气的形成、燃烧过程 的组织以及形成合理的燃烧放热规律具有 重要作用，对柴油机动力性、经济性和排 放以及噪声振动有重大影响。
第一节 第二节 第三节
燃油的喷射与雾化 燃烧与放热 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
第五章 柴油机混合气形成和燃烧
柴油机具有热效率高、可靠性好、排气污 染少和较大功率范围内的适应性等优点，因而 在汽车上的应用愈来愈广泛。 柴油机使用的燃料是较难挥发和较易自燃 的柴油，其混合气形成和燃烧过程与汽油机有 着本质的不同。与汽油机相比，柴油机所用燃 料的理化特性决定了燃料供给、着火与燃烧方 式的不同。
柴油机混合气形成与燃烧
2 喷油器 作用：将喷油泵供给的柴油，以一定的压力， 呈雾状喷入燃烧室。 喷油器有孔式和轴针式两种。
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孔式喷油器
适用于直接喷射式燃烧 室，孔数1～8个，孔径 0.2～0.8mm。
特点： •喷孔的位置和方向与 燃烧室形状相适应， 以保证油雾直接喷射 在球形燃烧室壁上； •喷射压力较高； •喷油头细长，喷孔小， 加工精度高。
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二、缸内气流运动
涡流
进气涡流 压缩涡流
内燃机缸内 气体运动方式
滚流
挤流
湍流
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1.涡流 包括进气涡流和压缩涡流 ⑴进气涡流：在气缸盖上采用特殊形状的进气 道,使空气进入气缸时,形成绕气缸轴线旋转 的有组织的气流运动。 产生进气涡流运动的方法有:切向进气道、 螺旋进气道、组合进气系统。
22ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1）切向气道 形状比较直平，在气
剧下降针阀完全落座 (喷油终点)为止。
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3 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。
7
目前多数车用柴油机仍以空间雾化混合为主。
8
二 燃油的喷射与雾化
1 喷油系统
油箱 输油泵 滤油器 低
压油管 喷油泵 高 压油管 喷油 器 （喷油嘴） 多余的油液经 溢流阀流回油 箱。
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1 喷油泵 作用：提高柴油压力，按照发动机的工
作顺序、负荷大小，定时、定量地向 喷油器输送高压柴油，且各缸供油压 力均等。 分类：直列柱塞式、转子分配式
汽车发动机原理第五章 柴油机混合气的形成和燃烧
到最高值。
压力升高率dp /dφ对柴油机的性能有重要的影 响， 若压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪 声和温度明显升高，使氮氧化物生成量明显增加，同 时运动零部件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠
性和使用寿命，但由于燃烧迅速进行，柴油机的经济
性和动力性会较好，压力升高率应限制在一定的范围 之内，柴油机的平均压力升高率dp /dφ一般不应大于 0.4~0.5MPa/ (°)。
二、柴油机燃烧过程的划分阶段
柴油机的燃烧基本上是喷雾的非定常紊流扩散燃烧，
即在燃烧室所限制的狭窄空间内的高温、高压环境下， 经高压喷射的高浓度燃料喷雾在空间分配不均的状态下， 在极短的时间内进行的一种燃烧形态。柴油机的燃烧过 程是柴油机工作过示功图，根据汽缸中工质压力和温度的变化规律，
燃期内喷入的燃料， 特别是后续喷入燃料，边蒸发混合，
边以高温单阶段方式着火参与燃烧。
柴油机的最高燃烧压力pmax一般为5 ~ 9MPa，增压
柴油机有可能大于13MPa，同汽油机一样，柴油机也希
望pmax出现在上止点后10° ~15°，这样可以获得较好的 动力性和经济性，但与汽油机不同的是，Ｃ 点的位置不 仅取决于喷油提前角，也取决于着火延迟期和速燃期的 长短。
要使可燃混合气着火燃烧，必须具备如下两个条件:
(１)可燃混合气必须加热到某一临界温度以上，否则，
燃料就不能着火， 燃料不用外界能量点燃而能自行着火 的最低温度称为着火温度或自燃温度。 (２)可燃混合气中燃料与空气的比例要在着火界限范 围内才能着火燃烧，若混合气过浓，说明氧分子相对较少，
燃料分子过多，混合气过稀，表明燃料分子过少氧分子过
在示功图上更容易判断，速燃期中，累积放热率可达20％
~30％。
05柴油机混合气的形成与燃烧#
柴油机 喷油泵 喷油泵 喷油器 喷油泵
喷油泵速度特性及其校正
喷油泵油量控制机构位置 固定，循环供油量随转速 变化的关系称为喷油泵速 度特性。
对于柱塞式喷油泵，随着 转速的上升，循环供油量 呈略有增大的趋势。
为使供油量与空气量相匹 配，对特性进行必要的校 正，得到较理想的扭矩特 性。
喷射系统中的穴蚀破坏
穴蚀破坏出现在系统内与燃油接触的金属表 面上。
产生的机理：在高压容积内产生压力波动时， 在极低的压力区形成汽泡，随后压力迅速升 高使汽泡爆裂而产生冲击波，这种冲击波多 次作用于金属表面则引起穴蚀。
穴蚀破坏会影响到喷射系统的工作可靠性和 使用寿命。
二、燃油的雾化和油束特性
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。
分隔式燃烧室柴油机的性能持点
靠强烈的空气运动来保证混合气质量，空气利用率较高。 空气运动随转速提高而增大，高速适应性能好。 喷射系统的要求较低，工作可靠性和使用寿命高。 燃烧室结构较为复杂，面容比大。 热效率低，经济性差。冷起动性也较差。 工作较为平稳，燃烧噪声较小。 预燃室燃烧室与涡流室燃烧室柴油机相比，上述特点一般
直喷式燃烧室
开式燃烧室 半开式燃烧室
190～220 200～230
好
较好
低
较低
差
较差
>=140
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。
第五章 柴油机混合气形成与燃烧
(Tumble) 3. 滚流 滚流 进气过程中形成的绕气缸轴 线的垂线旋转的有组织的空 气旋流叫滚流，也称为纵涡 或横轴涡流。它在压缩过程 中动量衰减少，在上止点附 近变成的小涡流和高强度湍 流，比进气涡流效果好，对 燃烧过程极为有利。用于汽 油机和柴油机，在缸内直喷 汽油机上得到广泛应用。
滚流
同时使用涡流与滚 流，合成为斜轴涡流 （inclined swirl）
• 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 缸壁面的约束配合下 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。
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
化学能转化为热能的效率相对较高，热能 转化为机械能的效率（热机效率）相对较 低。内燃机真实热力循环的转换热效率必 须考虑真实工质和循环特点。 内燃机特有的燃烧规律---正常、异常 燃烧过程对发动机动力性、经济性和 排放特性等主要特性有重大影响。
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
2、分类 常见的柴油机喷油泵可以分为柱塞式直 列泵和转子分配泵两类。直列泵包括直 列多缸泵、单体泵和泵喷嘴系统，多用 于大、中型车用柴油机。转子式分配泵 系统有端面凸轮驱动的VE泵系统和内凸 轮驱动的径向对置柱塞系统，多用于轿 车和轻型车柴油机。两相比较，分配泵 具有结构紧凑、体积小、重量轻，能在 高转速下工作的优点，但难以达到较高 的喷油压力，并且对燃油质量要求较高。 � 近代柴油机电控喷油技术——共轨 （common rail）系统，不同于柱塞脉动 喷油原理。
第五章 柴油机混合气的形成与燃烧
1、燃烧过程概述
燃烧过程
缓燃期:从最大压力点（c点）到最高温度点D点）。
特点：一般喷射过程在缓燃期都已结束、随着燃烧过 程的进行。空气逐渐减少而燃烧产物不断增多，燃烧 的进行也渐趋缓慢。柴油机燃烧室内的最高温度可达 2000K左右，一般在上止点后20°～35°曲轴转角处出 现。
３、柴油机的有害排放物和噪声振动
燃烧过程
波透回空气中，一部分又反射回材料内部，声波的这种 反复传播的过程，就是能量不断转化耗散的过程，如此 反复，直到平衡，这样，材料就吸收了部分声音。
３、柴油机的有害排放物和噪声振动
燃烧过程
c、噪声控制
(一)、被动控制:消声控制、隔声控制
(二)、主动控制:降低声源的振动能量
一、吸声技术
1、吸声材料的分类和吸声特性
1）吸声材料的分类
在噪声控制工程设计中，常用吸声材料和吸声结 构来降低室内噪声，尤其在体积较大，混响时间较长 的室内空间，应用相当普遍。吸声材料按其吸声机理 来分类，可以分成多孔性吸声材料及共振吸声结构两 大类。
温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心， 出现蓝火焰。混合气稀得多，略小于1。
柴油机－低温多级自燃
t1+t2+t3 时间后－第三级反应 活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆
炸，出现热火焰。混合气更稀， 1。 t1+t2+t3 －着火延迟期
1、燃烧过程概述
速燃:从压力脱离压缩线开始急剧上升(B点)至达到最大压力 (C点)。
补燃:从最高温度点(D点)至燃油基本燃烧完(E点)。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。
发动机原理5柴油机混合气的形成和燃烧
第五章 柴油机混合气的形成和燃烧
速燃期特点： 速燃期特点： 特点 （1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。 ）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）。 ）达到最高压力（ ） （3）继续喷油。 ）继续喷油。 压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大； 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； 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。 压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。 压力升高率应限制在一定的范围之内， 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 一般应不大于 ／ )曲轴。与汽油机相比， 压力升高率较大。 的压力升高率较大。
第五章 柴油机混合气的形成和燃烧
（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。 迟期。 着火延迟期内， 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 物理和化学准备过程。 合气进行着物理和化学准备过程。 物理准备过程： 物理准备过程 ： 燃油的粉碎分 蒸发汽化和混合； 散、蒸发汽化和混合； 化学准备过程： 化学准备过程 ： 混合气的先期 化学反应直至开始自燃。 化学反应直至开始自燃。 特点：压力没有偏离压缩线。 特点：压力没有偏离压缩线。
第五章 柴油机混合气的形成和燃烧
三、燃烧噪声 燃烧噪声的形成： 燃烧噪声的形成： 柴油机在滞燃期内喷入气缸的燃料，其滞燃期不一样， 柴油机在滞燃期内喷入气缸的燃料，其滞燃期不一样，先 喷入的燃料滞燃期较长，随后喷入的燃料滞燃期较短(因气缸 喷入的燃料滞燃期较长，随后喷入的燃料滞燃期较短 因气缸 中空气压力、温度不断升高)，因此往往是多处着火， 中空气压力、温度不断升高 ，因此往往是多处着火，一旦着 就有较多的燃料参加燃烧，燃烧是冲击性的， 火，就有较多的燃料参加燃烧，燃烧是冲击性的，使燃烧初 期的压力急剧升高。 期的压力急剧升高。急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活 塞曲轴零件产生强烈振动，并通过气缸壁面传至外部， 塞曲轴零件产生强烈振动，并通过气缸壁面传至外部，从而 形成燃烧噪声。 形成燃烧噪声。 燃烧噪声与压力升高比有密切的关系， 压力升高比过大， 燃烧噪声与压力升高比有密切的关系，如压力升高比过大， 则产生强烈的震音，称为柴油机的工作粗暴(或敲缸 或敲缸)。 则产生强烈的震音，称为柴油机的工作粗暴 或敲缸 。一般当 压力升高比在0.5MPa／(CA)以上，就明显感到有强烈的震音。 以上， 压力升高比在 ／ 以上 就明显感到有强烈的震音。 为了保证柴油机稳静运转，希望压力升高比控制在0.4MPa／ 为了保证柴油机稳静运转，希望压力升高比控制在 ／ (CA)以下。此外，压力升高比过大，使柴油机运动零件受到强 以下。 以下 此外，压力升高比过大， 烈的冲击负荷，从而降低使用寿命。 烈的冲击负荷，从而降低使用寿命。
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。
发动机原理5柴油机混合气的形成和燃烧
延迟点火和喷油时间
1
喷油时间
2
喷油时间也是非常重要的。如果喷油时
间太早或太晚，就会导致柴油不完全燃
烧。
3
延迟点火
延迟点火指的是喷油嘴向燃烧室喷入油 气混合物后，到火花塞点火的时间。它 对发动机的效率和排放有很大影响。
点火提前角
点火提前角指的是点火提前的时间。点 火提前角对发动机功率、噪音和排放有 很大影响。
柴油燃烧过程的效率和排放
燃烧效率
一个高效率的燃烧过程将燃料转化为尽可能多 的有用能量，同时减少不必要的能量损失。
颗粒物（PM）排放
颗粒物是柴油发动机尾气中的另一个主要污染 物。柴油颗粒物可以对健康产生严重的影响。
氧化氮（NOx）排放
燃烧过程中产生的NOx是臭氧层破坏和雾霾的 主要原因之一。减少NOx排放对减少空气污染 非常重要。
燃烧室设计的影响
1 喷油嘴的位置
燃油喷射嘴的位置对混合气的形成和燃烧影响很大。一般情况下，喷嘴的位置应该是在 喷嘴顶部距离燃烧室的中心位置。
2 燃烧室壁面的形状
燃烧室壁面的形状影响着流动的方向，喷油嘴向燃烧室壁喷出的喷雾在壁面上形成了一 个非常小的涡旋。
3 进气道的形状
进气道的形状可以控制气体流量和气体流动方向，从而对混合气的形成和燃烧产生影响。
混合气的形成和燃烧
柴油发动机经过了几十年的发展，成为了现代交通的不可或缺的一部分。了 解柴油发动机的工作原理可以帮助我们更好的使用和维护它们。
机械和电控元件
机械元件
柴油机的核心是发动机缸。其他 重要的机械元件包括活塞、连杆 和曲轴。
燃油喷射系统
高压油泵、燃油喷嘴、喷油泵嘴 和喷油定量器组成了柴油机的燃 油喷射系统。
柴油机混合气的形成和燃烧
3.球形燃烧室
（1）结构特点
（2）混合气形成特点 ①油膜蒸发形成混合气 （M过程） ②配有螺旋进气道，形成很强的进气涡流， ③双孔或单孔喷嘴 ④燃烧室壁温度控制在200℃~300℃
动画
（3）性能特点 ①工作柔和，噪音小 ②经济性好 ③α比较小,α=1.1 ④冷起动困难 ⑤低速性能不好，使用稳定性差
（3）性能特点 优点:
①由于强烈的空气涡流运动（压缩涡流与二次涡流）. 混合气形成质量好，能在α较小的情况下完全燃烧。 一般α=1.2~1.3 ②对喷雾质量要求不高，燃油系统故障少. ③高速性好，性能稳定. ④进气道无特殊要求. ⑤运转平稳，排气污染小. 缺点： ①散热损失，流动损失大，经济性差。 ②冷起动性差 ③缸盖及缸体结构复杂
1）供油提前角θ↑，（缸内压力，温度低） τi ↑，工作粗暴 2）供油提前角θ ↑↑，压缩功↑， Δb↑， η e↓ 3）供油提前角θ ↓，补燃↑ ， Tv ↑， η t↓， 零件热负荷↑ 4）θ佳，be↓. 当n↑， θ佳↑ (直喷式>分隔式）
抑制着火延迟期中可燃混合气的形成
3.缓然期 从缸内压力最高点C点开始到缸内温度达到最高点D点为止。
速燃期后，喷油往往结束了。但是，由于速燃期时间较短， 喷油较多，大部分燃油来不及形成可燃混合气而留在速燃 期后继续混合和燃烧，使放热不断增加，温度不断升高， 直到最高。
这个阶段近似混合加热循环中的等压加热，
动画
一.供油系统和喷射过程
1.供油系统
供油系统的组成包括喷油 泵、喷油器和高压油管
燃油供给系的功用是按柴油 机各种工况的需要将定量的 燃油，在适当的时期，以合 理的空间形态喷入燃烧室， 即对燃油的数量，喷油的时 间和油束的空间形态三方面 实行有效的控制。
柴油机混合气的形成和燃烧
1．贯穿距离 贯穿距离的经验公式
• 贯穿率
2．喷雾锥角 喷雾锥角过大，贯穿距离会减少；过小， 则燃油雾化程度会变差。 可用下述经验公式：
• 3．喷雾粒径——平均粒径、索特（sauter) 粒径、粒径分布 • 索特（sauter)粒径——所有油粒总体积与总 表面积之比
经验公式
• 粒径分布——既表示了油粒大小又表示了其均 匀程度
分隔式燃烧室柴油机的性能特点
• 空气利用率较高，最小的过量空气系数可达 1．2左右 • 高速下有较好的性能。 • 对喷射系统的要求低，可以使用轴针式喷油器， 喷射压力较低。 • 工作平稳，燃烧噪声小。 • 散热损失和通道节流作用引起的流动损失。较 直喷式燃烧室柴油机热效率低，经济性差。 • 低负荷下的碳烟排放量大 • 冷起动性差
直喷式燃烧室
开式燃烧室
直喷式燃烧室
半开式燃烧室
各种直喷式燃烧室
挤流口式燃烧室
由英国Perkins(泼金斯)公司和奥地利AVL公司开发
四角形燃烧室
•日本五十铃公司在20世纪70 年代首次 推出的四角形燃烧室、
•日本小松公司的微涡流燃烧室 MTCC(micro turbulence combustion chamber)、
柴油机混合气燃烧特点
放热规律与压力变化
液体燃料的雾化与扩散燃烧
• 柴油等液体燃料在内 燃机中要经历： 高压喷射 雾化 混合 压缩着火 燃烧阶段
喷雾特性和喷油特性(规律)
• 喷雾特性 1．贯穿距离 2．喷雾锥角 3．喷雾粒径 • 喷油特性(规律) 1、开始喷油时间 2、喷油持续期 3、喷油速率变化 4、喷油压力
着火延迟期的影响因素
• • • • • 十六烷值 温度 压力 燃烧室形式 壁温
第五章_柴油机混合气形成与燃烧1019
单位曲轴转角由喷油泵供入油管 的燃油量取决于柱塞直径和凸轮 几何尺寸
单位凸轮轴转角由喷油器 喷入燃烧室内的燃油量 主要取决于喷油器的结构特点
8~10°
比较发现：
1、喷油比供油延迟8~10° 2、喷油持续时间比供油时间长 3、最大 喷油速率比供油速率低 4、形状畸变 5、循环喷油量低于循环供油量
第五章 柴油机混合气形成与燃烧
二、喷射与雾化
1.喷油过程
（1）喷油延迟阶段
供油提前角j 供
喷油提前角j 喷
喷油泵出油（出油阀升起）到喷油嘴喷油（针阀 升起）
Dj=j供—j喷
（2）主喷射阶段 喷油嘴喷油到喷油泵停止出油（出油阀关闭） ，
高压油管压力急剧下降 （3）停止喷油阶段
喷油泵停止出油到喷油嘴停止喷油（针阀关闭）
5.1 柴油机燃烧过程
速燃期
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。
速燃期
5.1 柴油机燃烧过程
Dppz p2
Dj j3 j2
第五章 柴油机混合气形成与燃烧
1．正常燃烧过程的评价
（2）速燃期
C、燃烧过程 燃烧为预混燃烧，开始是着火延迟期形 成的非均质混合气中多点燃烧，后来燃烧的 是喷束扩散形成的混合气，转入扩散燃烧。 因为是多点燃烧，故燃烧速度快，压力 升高率大，工作粗暴，振动强，噪声高。
最高压力
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五、柴油机混合气的形成与燃烧
一、解释术语
1、喷油泵速度特性
2、供油提前角
3、喷油提前角
4、滞燃期*
5、喷油延迟
6、缓燃期
喷油规律
二、选择题
6、柱塞式喷油泵的速度特性是（）
A、油泵喷油量随转速升高而增加
B、油泵喷油量随转速升高而减少
C、油泵喷油量随负荷加大而增加
D、油泵喷油量随负荷加大而减少
3、使用柱塞式喷油泵的柴油机发生“飞车”的根本原因是（）
A、油泵喷油量随转速升高而增加
B、油泵喷油量随转速升高而减少
C、油泵喷油量随负荷加大而增加
D、油泵喷油量随负荷加大而减少
3、使用柱塞式喷油泵的柴油机出现不正常喷射的各种原因中包括（）
A、高压油管过细
B、油管壁面过厚
C、喷油压力过高
D、喷油数量过多
18、柴油机间接喷射式燃烧室类型中包括下面列出的（）
A、半开式燃烧室
B、开式燃烧室
C、统一室燃烧室
D、预燃室燃烧室
2、传统柴油机的喷油时刻与供油时刻（）。
A、同步
B、提前
C、滞后
D、没有联系
3、柴油机的供油始点用（）表示。
A、喷油提前角
B、供油提前角
C、雾化提前角
D、着火提前角
4、评价速燃期的重要指标中有（）。
*
A、温度升高率
B、最大压力出现时刻
C、最高温度
D、压力升高时刻
5、柴油机的理想喷油规律是（）。
A、均匀喷油
B、先慢后快
C、先快后慢
D、先快后慢再快
6、下面列出的（）属于柴油机燃烧特点。
A、缺氧
B、空气过量
C、扩散燃烧
D、混合气预先形成
7、柴油机混合气形成过程中，存在燃料燃烧、燃料（）、燃料与空气之间的
扩散同步进行现象。
A、燃烧
B、凝结
C、蒸发
D、混合
8、球形油膜燃烧室属于柴油机（）燃烧室。
A、涡流式
B、预燃室
C、间接喷射式
D、直接喷射式
9、柴油机的燃烧方式包括（）。
A、层流火焰传播
B、紊流火焰传播
C、扩散燃烧
D、不规则燃烧
10、喷油速率在喷射初期（即滞燃期内）应（）。
A、较大
B、较小
C、不变
D、视情况而定
11、下列四个时期对柴油机压力升高率有明显影响的是（）。
A、滞燃期
B、速燃期
C、缓燃期
D、后燃期
12、下列四种燃烧室对喷射系统要求最高的是（）。
A、开式燃烧室
B、半开式燃烧室
C、涡流室燃烧室
D、预燃室燃烧室
13、下列四种燃烧室面容比最大的是（）。
A、开式燃烧室
B、半开式燃烧室
C、涡流室燃烧室
D、预燃室燃烧室
14、为了衡量发动机工作的平稳性，用（）作为速燃期的重要评价指标。
*
A、温度升高率
B、压力升高率
C、最高温度
D、最大压力
三、填空题
2、油束的几何特性可用三个参数描述，即油束射程、最大宽度和。
2、油束的几何特性可用三个参数描述，即油束射程、喷雾锥角和。
2、油束的几何特性可用三个参数描述，即喷雾锥角、最大宽度和。
1、柴油机燃烧过程是否完善，取决于、和三者的合理配
合。
2、油束特性可以用、和三个参数来描述。
3、柴油机燃烧室基本要求是、、和。
4、柴油机燃烧过程包括、速燃期、和。
5、对液态燃料，其混合气形成过程包括两个基本阶段：
和。
*
6、燃烧放热规律三要素是________________、燃烧放热规律曲线形状和燃烧持续
时间。
7、燃油的雾化是指燃油喷入_________________后被粉碎分散为细小液滴的过程。
*
8、现代电控柴油机喷射系统的基本控制量是循环供油量和_____________________。
9、柴油机内不均匀的混合气是在高温、高压下多点_______________着火燃烧的。
10、喷油泵的速度特性是油量控制机构位置固定，_____________随喷油泵转速变化的关系。
喷油
泵速度特性的校正有正校正和________________两种。
11、喷油器有孔式喷油器和__________________喷油器两类。
12、柴油机喷射过程是指从喷油泵开始供油直至喷油器___________________的过
程，分为喷射延
迟、________________、喷射结束三个阶段。
柴油机应在上止点_____________开始喷油。
13、为了避免出现不正常喷射现象，应尽可能地________________高压油管的长度。
14、柴油机不可能形成均匀的混合气，所以必须在过量空气系数_____________的条件下工作。
15、柴油机负荷调节是通过改变____________________而进入气缸的空气量基本不变。
16、喷油泵的主要作用是定时、___________地经高压油管向各缸的喷油器周期性地供给高压燃油。
17、柴油机混合气的形成方式可以分为和两种。
四、判断题
1、柴油机缸内的不均匀混合气是在高温、高压下多点自燃着火燃烧的。
[ ]
2、柴油机一般用压力升高率代表发动机工作粗暴的程度。
[ ]
3、在柴油机中，燃料成分在燃烧室空间的分布是均匀的。
[ ]
4、孔式喷油器主要用于分隔式燃烧室。
[ ]
5、为了控制压力升高率，应增加着火延迟期内准备好的可燃混合气的量。
[ ]
6、开式燃烧室中混合气的形成主要是靠强烈的空气运动。
[ ]
五、简答题
1、柴油机燃烧室结构形式的要求是什么？
2、为什么柴油机的压缩比要大一些？
2、为什么柴油机的压缩比通常比汽油机高？
3、柴油机的燃烧过程分成哪几个阶段？它们的特点是什么？
4、何谓喷油泵的速度特性？对车用柴油机性能有何影响？
六、综述题
1、请说明柴油机不正常喷射的原因和防止措施。
2、何谓柴油机的着火延迟期（滞燃期）？它对燃烧过程有何影响？影响滞燃期的
主要因素是什么？
3、试述柴油机混合气形成的特点和方式。
4、何谓供油提前角？其大小对柴油机性能有何影响？。