柴油机混合气形成与燃烧
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。
.
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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
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％。
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。
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。
柴油机可燃混合气的形成与燃烧室
4）、预燃烧室式燃烧室 容积约为燃烧室总面积的25%--
45% 主、副燃烧室之间用一个或几个小孔相连
5）、分隔式燃烧室特点： 靠强烈的空气运动形成混合气，对喷油系统
要求不高，运转平稳，废气排放少，但油耗 大，起动性差，近来有被直喷式取代的趋势
3、可燃混合气形成和燃烧的四个阶段 1）、备燃期 2）、速燃期 3）、缓燃期 4）、后燃期
4、影响燃烧过程的因素，主要有： 燃料性质、压缩比、混合气的形成，燃 烧室结构、喷油规律与喷油提前角等
5、为了改善混合气形成条件 1）、选用十六烷值较高的柴油 2）、采用较高的压缩比，促进柴油蒸发 3）、可燃混合气的浓度要求较稀 φa一般在1.15---2.2之间 4）、喷油压力要高，一般在10— 12Mpa以上 5）、在燃烧室内组织强烈的空气运动， 促进柴油和空气混合
缺点：喷油压力高（17—22Mpa），
偶合件加工精度高，喷油器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ径小，易堵塞 工作粗暴 4）、球型燃烧室
优点：工作柔和，有较高的动力性和经济性 喷油器压力较低
缺点：不易起动 5）、由于热损失少，结构紧凑、简单，经济
性好等原因，直喷式燃烧室应用的越来越多
2、分隔式燃烧室
1）、分隔室式燃烧室由主、副两部分燃烧室 组成在气缸盖中的部分为副燃烧室
二、燃烧室 可燃气的形成品质和燃烧性能与燃烧室
结构密切相关 车用柴油机燃烧室可分为两大类：直接
喷射式燃烧室和分隔式燃烧室
1、直接喷射式燃烧室 1）、特点：凹形活塞顶与气缸盖底面包围的
空间几乎全部燃烧室容积都在活塞顶面上 2）、按活塞顶面形状不同，可分为W型和
球型 3）、W型燃烧室
优点：形状简单，易加工，结构紧凑，热 效率高，起动性能
第五章柴油机混合气形成和燃烧
柴油机混合气形成； 柴油机的燃烧过程； 柴油机供油系统的工作特性及其对燃烧过程的
影响； 柴油机的燃烧室。
第一节 柴油机混合气形成
一、两种基本形式 空间雾化 油膜蒸发
（一） 空间雾化
将燃料喷在燃烧室空间使之成为雾状，再利用 空气运动达到充分混合。
特点: 1 、对燃料喷雾要求高 2 、对空气运动要求不高 3 、初期空间分布燃料多，燃烧迅速
二、柴油机燃烧过程概述
着火延迟期
•速着燃火期延迟期也称为
滞燃期。
•和 好缓化的混着燃学混合火期过合气延程气准迟。几备期乎的内同物准时理备
•着 开 •慢补火始。温应燃燃延燃度烧控期迟烧或的制。期压进压越力力行短升越渐。高高趋率，缓，
•防止燃尽工烧可量作室能缩粗的地短暴形加补。式速燃和混期壁合，
一循环时油压聚足，压开针阀喷射。
正常与不正常喷射比较
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 、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。
二 、喷油泵速度特性及其校正
（二） 喷油泵速度特性 每循环供油量随转速n的变化
关系。 n 节流作用 循环供油
时间 循环供油量 g （三） 车用的适应性 车用 — 希望n g 喷油泵速度特性 — n g 因此，喷油泵速度特性不适合
Wp — 柱塞速度 [ ml/degPA ]。
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。
汽车理论之柴油机混合气的形成和燃烧
3、混合气形成的基本方式
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。相对 运动速度越高，混合气越均匀。
采用多孔喷嘴， 燃烧完全，经济 性好。初期空间分布燃料多，燃烧 迅速，工作粗暴。
2） 油膜蒸发混合 空间雾化混合是将燃料喷在燃烧室空间。 油膜蒸发型混合：将燃料喷在燃烧室壁 面上，使之成为薄薄的一层油膜，只有 一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃 烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，
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。
（2）压缩涡流：
在涡流室式燃烧室中，气体在进气过程中并 不产生涡流，而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。 虽然这种产生涡流的方式不会使进气阻力增 大和进气充量下降，但形成压缩涡流时会伴 随着不同程度的能量损失，使循环热效率降 低。
2、速燃期
速燃期: B点到C点。从开始 着火到出现最高压力。 特点：形成多个火焰中心， 持续喷油，即随喷随燃。压 力急剧上升而达到最高（有 可能达到13MPa以上）。
速燃期
•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。
3、 缓燃期
缓 燃 期 为 图 中 的 CD 段 ， 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。
缓燃期
4、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， 即图中DE段。
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。
柴油机混合气的形成与燃烧
2）索特粒径： 所有油粒总体积与总面积之比。
SMD
d
3 i
ni
d
2 i
ni
V循 环 供 油 量
d
2 i
ni
在循环供油量相同的情况下，SMD值越小，雾化效果
也就越好。
若SMD相同，则油粒总表面积相同，蒸发混合速率也
就基本相同。
3）粒径分布：表示油粒大小及其分布。
1-油粒细而均匀 2-油粒粗细不均匀 3-油粒粗但均匀 粒径分布与喷射压力、 喷射背压和喷孔直径有关。
二、混合气形成方式
空间雾化混合 油膜蒸发混合 1、空间雾化混合：将燃油喷向燃烧室空间以雾状油滴 与空气涡流进行混合。 混合效果主要取决于：喷雾特性、空气涡流
涡流混合的作用： a、促使油束分散 b、实现热力混合
空间雾化混合
过弱 过强
混合效果差 使燃烧产物与 邻近喷雾重叠
空间雾化混合的特点： 混合快慢取决于喷雾特性和空气涡流 优点：喷雾越细、越均匀，混合、燃烧迅速、效率高。 缺点：初期形成混合气过多，使压力、温度急剧上升， 发动机工作粗暴（噪音大），NOx排放高；若减少初期喷油 量，将导致后期高温裂解严重，碳烟增加。
喷射压力增大，L和β增大，雾化效果越好。
2）喷油孔的长/径比
长/径比增大，L增大而β减小。
3）介质反力（取决于空气密度或压力）
压缩终了压力越大，β增大（雾化好）但L减小。
油束的雾化质量： 指油束中液滴的细度和均匀度。 1）平均粒径： 所有油粒直径的算术平均值。
D di （无法表示不同油粒的分布情况）
*思考：喷油规律的影响因素主要有那些？
（柱塞直径、油泵凸轮型线、高压油管尺寸、喷孔大小）
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。
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。
柴油机混合气的形成和燃烧
3．供油提前角（或喷油提前角） 供油提前角过大，喷油时气缸内温度、压力较低，着火落 后期较长，压力升高率和最大爆发压力增大，导致柴油机工作 粗暴，NOx的排放量增加。过早燃烧还会增加压缩负功，降低 柴油机的经济性和动力性。 供油提前角过小，则燃油不能在上止点附近及时燃烧，对 柴油机的经济性和动力性也不利，微粒的排放也会增加。过迟 燃烧还会使燃烧温度升高，散热损失增加。 对于每一种工况，均有一个 最佳的供油提前角，此时在 负荷及转速不变的前提下， 功率最高,有效燃油消耗率 最低。但为了兼顾降低NOx 的排放量和燃烧噪声的需要， 一般调节供油提前角略小于 最佳的供油提前角。
2. 活塞材料的影响 铸铁活塞与铝合金活塞相比其温度较高，可以 缩短着火延迟期，因此在其他条件相同时，采用铸 铁活塞的柴油机工作比较柔和。
3.喷油规律的影响 喷油规律是指单位时间（或转角）的喷 油量即喷油速度随时间（或转角）而变化 的关系。从减轻燃烧粗暴性考虑，比较理 想的喷油规律是“先缓后急”即在着火延 迟期内喷入气缸的油量不宜过多，以控制 速燃期的最高燃烧压力和平均最大压力升 高率，而着火燃烧后，应以较高的喷油速 率将燃油喷入气缸，停油应干脆迅速，喷 油延续角不宜过大，目的是使燃烧过程尽 量在上止点附近进行，以获得良好的性能。
（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。 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。 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。
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第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
柴油的使用性能 柴油机燃烧过程 柴油的喷射与雾化 混合气形成与燃烧室 使用因素对柴油机燃烧的影响
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1
第一节 柴油的使用性能
1、十六烷值 ——是评定柴油自燃性好坏的指标。
评定：用容易自燃的十六烷（十六值为100）和最
不容易自燃的α-甲基萘（十六值为0）按不同比 例混合组成标准燃料组（混合液），将被测定柴 油在相同条件下与标准燃料进行燃烧比较，标准 燃料组中十六烷的体积百分数就是被测柴油的十 六值。
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2
国产柴油的十六烷值一般为40-50，不 必要过分增大。
十六烷值高，发火性好，工作平稳； 十六烷值过高，燃烧易劣化，析出碳，排
气冒烟。
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3
2、馏程
——表示柴油的蒸发性，与燃烧完善程度及 起动性能有密切关系。
➢ 燃料馏出50%的温度低，说明这种燃料轻馏分多、 蒸发快，有利于混合气形成，易于起动。
该期燃烧热量利用率低，散热损失。
特别在高速、高负荷时由于过量空气少，混
合气形成困难，燃烧时间短，补燃。
补燃期， t， be ，动力性，冷却水温
一、柴油机的着火
在压缩行程后期，当活塞达到上止点前，燃料在高 压下以高速（200-300m/s）喷入高温（4505500C）、高压（3-4MPa）的空气中，与空气快 速混合形成可燃混合气，但燃料并不能立即着火。
可燃混合气着火燃烧的条件：
1）可燃混合气必须加热到某一着火温度（临界温度） 以上，否则，不能着火；
2）燃料与空气的比例要在着火界限范围内。若过浓 与过稀且超过着火界限整范理课件围，就不能着火。 8
柴油机气缸内燃料的着火情况非常复杂
位于油束外围直径很小的油滴，在很短的时间内 蒸发完毕，虽可以形成适当浓度的混合气区域， 但因温度不够或化学准备来不及而不能着火。
着火首先发生在油束核心与外围之间混合气温度 和浓度适当的地方。
5
4、流动性
用凝固点表示。凝固点——燃油失去流动性达到凝固的温 度。
国产轻柴油按凝固点不同，分为10＃、0＃、-10＃、 -20＃、 －35＃五级，其凝固点分别不高于10℃、0℃、－10℃、20℃和-35℃。
轻柴油用于高速柴油机，重柴油用于中、低速柴油机。
选用柴油时，应按最低环境温度高出凝固点5℃以上，如20＃柴油适用于最低环境温度为－15℃以下的场合。
不大，放热量达70-80%。某些缺氧区域出现不完 全燃烧，造成污染物。
存在问题：不断喷入气缸的燃油与空气混合不充分，
导致燃烧不完全。
强化燃烧后期喷入气缸的燃油与空气的混合成为关键。
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15
4）补燃期Ⅳ（Ｄ点-燃烧过程基本结束）
Ⅲ期内未燃尽的混合气继续燃烧。 特点：因活塞已远离上止点，缸内压力低，
是量调节 。
均匀的混合气展开。
柴 油 机
柴油蒸发性差，但粘性好，适 宜用油泵—油嘴向气缸内部喷油， 靠调节供油量来调节负荷，吸入的 空气量基本不变，是质调节。
柴油化学安 定性差，易自 燃，采用压燃 的方式。
柴油喷射及与空气 的混合，既短暂又不 均匀，常有随喷随烧 的现象，燃烧时间延 长。
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7
第二节 柴油机燃烧过程
一般τi =0.7-3ms；φi = 8 -12°。
尽管着火延迟期τi 很短但却对燃烧过程、尤其是柴 油机的燃烧过程影响很大，因此十分重要。
着火延迟期内存在问题：
混合时间短，
缸内空气、燃油混合不均匀。
目前，采用α>1，改善整理燃课件烧，使燃油尽可能完1全2 燃 烧。
2）速燃期Ⅱ（B-C点）
从压力开始急剧升高点B到最大燃烧压力点C。 该时期短意味着更接近混合加热过程中的等容过程。 特点：混合气燃烧速度很快，接近等容燃烧，缸内温
着火火源一般不止一个，而是多处同时着火。
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9
二、柴油机燃烧过程
一般根据展开的示功图进 行分析，如右图。 图中：横坐标表示曲轴转角；
纵坐标表示气缸压力。
根据气缸中工质压力和 温度的变化规律，人为地 划分为4个阶段。
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10
1）着火延迟期Ⅰ（滞燃期）（A-B点）
从喷油开始点A到压力开始急剧升高（燃烧开始的 标志）点B。
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6
三、汽油、柴油性能差异对发动机的影响
混合气形成上的差异
着火上的差异
燃烧上的差异
汽油挥发性强，可能在较低温
防ห้องสมุดไป่ตู้自燃，促使
汽 度下以较充裕的时间在气缸外部进 汽油自燃温 其有规律的燃烧，混
油 气管中形成均匀的混合气，控制混 度较高，适宜 合气均匀，着火后，
机 合气的数量便能调节汽油机的功率，外源点火。 以火焰传播的方式向
段。
速燃期进行好坏的标志是：柴油机工作是否 平稳柔和，而工作是否平稳柔和则取决于上 一时期积存油量的多少，因而，着火延迟期 的长短与速燃期工作好坏有重要关系。
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3）缓燃期Ⅲ（C-Ｄ点）
从最大燃烧压力点C到最高燃烧温度点D。 该时期短意味着更接近混合加热过程中的等压过程。 特点：燃烧产物增多，燃烧速度，缸内压力变化
➢ 90%和95%溜出温度标志柴油中所含难于蒸发的重 馏分的数量。
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3. 粘度
——是燃料流动性的尺度，表示燃料内部摩 擦力的物理特性。 直接影响燃料的喷雾质量——雾化性。粘度越 大，雾化后油滴颗粒越大。
柴油机喷油泵柱塞偶件、喷油器针阀偶件都是 靠燃油自润滑，所以柴油应具有一定的粘度。
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度、压力急剧上升。
压力升高率 ：p p3 p2 表示柴油机工作的平稳性
3 2
p
，pmax冲击载荷，工作粗暴，柴油机寿命；
p ，
pmax做功不利，柴油机性能。
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存在问题：工作粗暴（燃烧噪音）
p
的大小主要决定于着火延迟期的长短及
该期内形成的可燃混合气数量，控制着火延
迟期的长短是改善柴油机燃烧过程的主要手
此时，缸内温度虽已远远超过柴油的自燃温度（可 i 达400～800℃），但喷入气缸内的柴油并不马上
着火。需要进行燃烧准备：
物理准备：雾化、吸热、蒸发、扩散、混合。
化学准备：分解、氧化（焰前反应）。
作用：形成发火源（一处或多处着火），保证II期燃 烧能在燃烧室内扩展。
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着火延迟期
以秒计的着火延迟期用τi 表示； 以曲轴转角计的着火延迟期用φi 表示；