柴油机混合气的形成和燃烧
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。
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
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）
柴油机燃料供给系统练习题
柴油机燃料供给系统练习题(总2页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--柴油机燃料供给系统试题一、填空题1.柴油机混合气的形成和燃烧过程可按曲轴转角划分为（备燃期）、（速燃期）、（缓燃期）和（后燃期）四个阶段。
2．柴油机燃料供给系统有四部分组成：（燃油供给）、（空气供给）、（混合气形成装置）和（废气排出装置）3．柴油机的混合气的着火方式是（压燃式）。
4．国产A型泵由（泵油机构）、（供油量调节机构）、（驱动机构）和（泵体）等四个部分构成。
5．喷油泵的传动机构由（凸轮轴）和（挺住组件）组成。
6．喷油泵的凸轮轴是由（曲轴）通过（定时齿轮）驱动的。
7．喷油泵的供油量主要决定于（柱塞）的位置，另外还受齿条的影响。
8．柴油机的最佳喷油提前角随供油量和曲轴转速的变化而变化，供油量越大，转速越高，则最佳供油提前角（越大）。
9．供油提前调节器的作用是按发动机（工况）的变化自动调节供油提前角，以改变发动机的性能。
10.针阀偶件包括（针阀）和（真阀体），柱塞偶件包括（柱塞）和（柱塞套），出油阀偶件包括（出油阀）和（出油阀座），它们都是相互配对，（不能）互换。
二、选择题1．喷油器开始喷油时的喷油压力取决于（B ）。
A．高压油腔中的燃油压力B．调压弹簧的预紧力C．喷油器的喷孔数D．喷油器的喷孔大小2．四冲程柴油机的喷油泵凸轮轴的转速与曲轴转速的关系为（C ）。
A．1:l B．2:l :2 :13．孔式喷油器的喷油压力比轴针式喷油器的喷油压力（ A ）。
A．大B．小C．不一定D．相同4．在柴油机中，改变喷油泵柱塞与柱塞套的相对位置，则可改变喷油泵的（C ）。
A．供油时刻B．供油压力C．供油量D．喷油锥角5．喷油泵柱塞行程的大小取决于（B ）。
A．柱塞的长短B．喷油泵凸轮的升程C．喷油时间的长短D．柱塞运行的时间6．喷油泵柱塞的有效行程（D）柱塞行程。
A．大于B．小于C．大于等于D．小于等于7．喷油泵是在（B ）内喷油的。
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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直喷式燃烧室柴油机的性能持点
由于燃烧迅速，故经济性好，有效燃油消耗率低。
燃烧室结构简单，面容比小，散热损失小，也没有主、 副室之间的流动损失，也是经济性好的重要原因。
冷起动性能较好。
对喷射系统的要求较高，影响工作可靠性和使用寿命。
工作较粗暴，压力升高率大，燃烧噪声大。 对转速的变化较为敏感，较难兼顾高速和低速工况的性 能，适用转速较分隔式燃烧室柴油机低。
柱塞式喷油泵的工作过程：喷油泵凸 轮→柱塞 ( 上下运动)→进、回油孔→ 出油阀→高压油管→喷油器→针阀→ 喷孔→燃烧室。
柱塞上行
a.从下止点到柱 塞头部封闭径 向油孔之前。 b.从柱塞头部封 闭径向油孔到柱 塞斜槽露出径 向孔之前。 c.从柱塞斜槽露出 径向油孔到柱塞 上行至上止点。
a
b
c
柱塞下行
9.1.2、 燃烧过程存在的主要问题
1、混合气形成困难及燃烧不完全 因为柴油不容易蒸发，故将燃油喷射成雾状，分散成数百万个 小油滴，这些细小油滴在气缸内迅速蒸发与空气混合，但因为 混合时间极短，缸内情况异常复杂，故使缸内空气和燃油混合 极不均匀，有的地方可能是惰性气体，有的地方是过稀混合气， 有的地方甚至还有燃料液态核心，等等。所以为了保证燃油燃 烧完全。柴油机均在过量空气系数α＞1的条件下工作。 2、燃烧噪音
c.压力波的传递
理想的喷油规律应先缓后急
4．不正常喷射
1、二次喷射 2、断续喷射 3、隔次喷射
4、漏油现象
5．燃油的喷雾Biblioteka 性1)喷雾（雾化）：燃油喷散成细粒的过程。 2)油束的基本参数 包括几何形状和雾化质量两个方面： 几何形状 ⑴油束射程L（贯穿距离）
详见书P227
⑵喷雾锥角β 或油束的最大宽度B
2019/1/24
较理想的柴油机燃烧放热规律
有一合适的燃烧起点，同时燃烧应该是先缓后 急。 开始放热阶段，控制燃烧放热速率，以降低压 力升高率。 燃烧应加速进行，绝大部分燃油在尽可能靠近 上止点处完成燃烧。 燃烧持续时间不宜过长。
2.理想燃烧放热规律及其控制
（1）放热始点的位置 要能保证最大燃烧压 力出现在上止点后 12°-15°范围。 可通过喷油提前角的 变化以及着火落后期 长短加以控制。
（2）放热持续时间首先取决则扩散燃烧期越长， 其次，取决于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。
不同类型柴油机的燃 烧放热规律： 实际发动机的放热率 形状取决于不同的机 型、不同的燃烧室和 混合气形成方式以及 对性能的具体要求。
9.2 柴油机混合气的形成
9.2.1 燃油喷射和雾化
9.2.2 混合气形成及燃烧室
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
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℃
（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 ⑥对气道要求高
ρ、/ρ > 1，做螺旋向外运动，
ρ、/ρ < 1，做螺旋向内运动， ④“二次涡流”
（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
2.半开式燃烧 室 （1）结构特点 Vk/Vc（相对容积比）＝0.75－0.85， dk/D ＝0.4－0.6 有组织空气运动的结构（进气涡流为主，挤压涡流为辅）
（2）混合气形成的特点
①利用喷雾与空气流的运动，空间形成混合气为主.
②喷孔较且少，孔径稍大，3－4孔
③α 比较小，α ＝1.3－1.5，空气利用率比较好. 所以：上面所说之②、③点是相对于开式燃烧室而言的.
a.从上止点到柱 塞斜槽封闭径 向油孔之前。 b.从柱塞斜槽封 闭径向孔到柱 塞头部露出径 向油孔之前。
c.从柱塞头部露 出径向油孔到 运行下止点。
a
b
c
整个喷油过程可分为三个阶段:
第一阶段：喷油延迟阶段。 从喷油泵栓塞将进油孔关闭 时起到喷油器针阀开始喷油止。 第二阶段：主喷油阶段。 从喷油器针阀打开到喷油泵 回油孔开始打开（停止供油） 为止。 第三阶段：喷油滴漏阶段。 从泵的回油孔打开到针阀关 闭为止。
b.挤流（挤压涡流）
二、柴油机燃烧室
燃烧室的分类
柴油机燃烧室
直喷式燃烧室
开式燃烧室 半开式燃烧室 球形油膜燃烧室
分隔式燃烧室
涡流室燃烧室 预燃室燃烧室
（一）直喷式燃烧室
1.开式燃烧室
dk 0.7 D
优缺点：浅盆形燃烧室主要 依靠燃油的喷射，对雾化质 量，也是对喷射系统要求较 高。喷油器喷孔数目多，孔 径小，喷射压力大。
3．喷油规律
供油速率：单位时间或凸轮转角由喷油泵供入高压油路中的燃 油量。 喷油速率：单位时间或凸轮转角由喷油器喷入燃烧室内燃油量
供油/喷油规律：单位时间（转角）供油速率/喷油速率随时间 （转角）而变化的关系； 喷油规律与供油规律的区别：------喷油时刻落后于供油时刻， 喷油持续时间比供油时刻长。 因为a.要克服两个弹簧弹力; b.燃油、高压油管有弹性;
二.分隔式燃烧室
结构特点： 两个燃烧室：主燃烧室和副燃烧室
混合气浓度不同，副燃烧室较浓，主燃烧室较稀
根据混合气在副燃烧室形成不同，分涡流式燃烧 室、预燃式燃烧室
1.涡流式燃烧室
（1）结构特点 ①燃烧室容积比 δ k= Vk/Vc = 0.5， ②燃烧室分成两部分，涡流室下部有“镶块”.
（涡流室）保温，可加工－－减少流动损失.
在速燃期中，急剧升高的压力冲击燃烧宝壁、活塞、曲轴等机 件，从而诱发缸盖、缸套、机体、齿轮宝、油底壳等机件的变形、 振动、并辐射出强烈的噪音，称之为燃烧噪声。 燃烧噪音是柴油机噪音的主要来源。
3、排气污染 ① 排气颗粒 ②排出有害气体
CO、HC、NOX
9.1.3、燃烧放热规律
1. 燃烧放热规律定义
⑴液滴的细度
雾化质量
⑵液滴的均匀度
9.2.2
混合气形成及燃烧室
一、混合气形成特点和方式
1、柴油机混合气形成的特点
A、气缸内形成混合气
（ 不同于汽油机）
B、形成条件差 ①时间短 15°-35°CA (千分之几秒) ②柴油的粘度大，不易蒸发.
2、混合气形成的方式
A、空间雾化混合气
将燃油喷射到空间进行雾化，通过燃油与空气之间的 相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气的方式。
③通道的截面形状有椭圆形，弯月形. 通道位置，角度，截面大小这三要素，可控制涡流强度 ④活塞项上开有导流槽和凹坑 ⑤有起动电预热室
（2）混合气形成特点 ①涡流室内有强烈的有组织的涡流 n↑，涡流强度↑
②燃油顺涡流的方向喷入
以空间形成混合气为主，油膜蒸发形成混合气为 ③热混合作用 A本身密度ρ、，周围的物质密度 ρ ρ、= ρ，做圆周运动，
（3）燃烧室与气流及油束之间的配合 喉口直径dk大，空气涡流少些，油束射程长； 喉口直径dk小，涡流强，油束射程短，则喷到壁面上的燃 油减少，甚至达不到壁面，这时空间分布的燃料增多。 组织了进气涡流和挤压涡流 （4）性能特点 优点: 缺点： ①经济性好 be ↓
②起动性好.
①工作粗暴 ②气道，供油系统要求高 ③排放性差（NOx↑） ④对工况变化敏感
9.2.1
1.供油系统
燃油喷射和雾化
一.供油系统和喷射过程
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。 定时、定量、定压
2.喷射过程
第9章 柴油机混合气的形成和燃烧
9.1 柴油机的燃烧过程
9.2
9.3
柴油机混合气的形成
燃烧过程的优化
9.1 柴油机的燃烧过程
9.1.1、燃烧过程
1.着火延迟期（A-B） 2.速燃期（B-C） 3.缓然期（C-D） 4.补燃期（D-E）
A-喷油开始点 B-开始燃烧点 C-压力最高点 D-温度最高点
1.着火延迟期 从喷油始点A点开始到压力脱离压缩线开始急剧上升的B点为止。 在上止点前（ A 点），喷油器向气缸内喷入燃油，但燃油并不 马上着火，而是稍有落后，因为柴油机自燃需要有一定条件。 它首先由液态蒸发成气态，并与空气混合形成可燃混合气，当 适当比例的混合气经过一定化学反应过程，燃油才能自燃着火。 着火延迟期越长，气缸中积累的燃料量就越多，着火后一起 燃烧，使燃烧急剧，发动机工作粗暴。 1） 提高缸内温度 2） 使用十六烷值高的燃料
缩短着火延迟期的措施:
2.速燃期 从气缸压力偏离压缩线开始急剧上升的B点起，到最高压力 点C点为止。
由于在着火延迟期中喷入气缸的燃油已经过不同程度的物 理、化学准备，所以一旦着火，这些燃料也一起燃烧，此时 活塞靠近上止点位置，这个阶段近似混合加热循环中的等容 加热，压力升高特别快;用压力升高率来表示压力升高的急剧 程度 : p p3 p2 3 2
B、油膜蒸发形成混合气（主要用于球形燃烧室）
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。
在高速的柴油机上，实际的混合过程是空间及油膜混 合兼而有之。 油膜蒸发混合方式存在一些难以解决的问题，应用不多。
如何改善混合气形成？？
3、缸内气体流动 依靠：A、喷雾：喷注特性，喷注与燃烧室相配合。 B、组织空气运动－－与燃烧室形状相配合 a.进气涡流 螺旋气道形成 切向气道形成