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。
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
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。
第二节柴油机可燃混合气的形成与燃烧室
分隔式燃烧室
预燃室式燃烧室
ω型
球型
涡流室式燃烧室
（1）直接喷射式燃烧室 ） 直接喷射式燃烧室是由凹顶活塞顶与气缸盖底 面所包围的空间组成，也称为统一式燃烧室。 面所包围的空间组成，也称为统一式燃烧室。 分类（根据活塞顶面的形状不同） 分类（根据活塞顶面的形状不同） ω型燃烧室 型燃烧室 球形燃烧室
构造：缸盖底面是平的，活塞顶部 下凹（ω型，球型） ω型燃烧室： 柴油直接喷射在活塞顶的浅凹坑内 ，喷射的柴油雾化要好，而且要均匀 地分布在空气中。要求喷射压力高， 一般 17～22MPa ，要求雾化质量高， 因此，采用多孔喷咀，孔数一般为 6 ～12 个。 优点：形状简单，结构紧凑，燃烧 室与水套接触面积小，散热少，可减 少热损失，热效率高，经济性较好。 缺点：工作粗暴，喷射压力高，制 造困难。
喷油压力必须足够高， 10（ 2 ）喷油压力必须足够高，一般在 10的以上，以利于柴油雾化； 12MPa 的以上，以利于柴油雾化； 在燃烧室内组织强烈的空气运动， （ 3 ）在燃烧室内组织强烈的空气运动，促 进柴油和空气的混合。 进柴油和空气的混合。
二、燃烧室
1、定义：当活塞到达上止点时，气缸盖和活塞顶组成的 定义：当活塞到达上止点时， 密闭空间称为燃烧室。 密闭空间称为燃烧室。 分类：统一式燃烧室；分隔式燃烧室两大类。 2、分类：统一式燃烧室；分隔式燃烧室两大类。
（4）后燃期Ⅳ 后燃期Ⅳ
缓燃期以后的燃烧曲轴转角。 缓燃期以后的燃烧曲轴转角。 这一时期，虽然不喷油， 这一时期，虽然不喷油，但仍有一少部 分柴油没有燃烧完， 分柴油没有燃烧完，随着活塞下行继续燃 后燃期没有明显的界限， 烧。后燃期没有明显的界限，有时甚至延 长到排气冲程还在燃烧。 长到排气冲程还在燃烧。后燃期放出的热 量不能充分利用来作功， 量不能充分利用来作功，很大一部分热量 将通过缸壁散至冷却水中， 将通过缸壁散至冷却水中，或随废气排出 使发动机过热，排气温度升高， ，使发动机过热，排气温度升高，造成发 动机动力性下降，经济性下降。 动机动力性下降，经济性下降。 因此，要尽可能地缩短后燃期。 因此，要尽可能地缩短后燃期。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
11
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。
20
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
21
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。
16
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。
9
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
1.混合气形成特点： （1）缸内进行：在压缩行程接近终了时柴油由喷
射系统直接喷入燃烧室内。
（2）混合时间短：难以形成均匀的混合气，燃烧 室内的工质成分随时间和地点而变化。
（3）采用较大的过量空气系数：柴油本身粘度大， 蒸发性不好。
（4）混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧， 且混合过程、着火过程和燃烧过程共存。
第五章 柴油机混合气的形成和燃烧
主要内容
第一节 柴油机混合气的形成 第二节 柴油机的燃烧过程 第三节 柴油机混合气形成和燃烧的技术发展 第四节 不同混合气形成和燃烧过程的比较
2
背景知识： 1892年，德国工程师狄塞尔根据定
压热功循环原理，研制出压燃式柴油机。
3
4
第一节 柴油机混合气的形成
一、柴油机混合气形成的特点和方式
17
4 喷雾
燃油喷入燃烧室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。
18
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。
油束的几何形状主要包括油束射程L(又称贯 穿距离)和喷雾锥角β或油束的最大宽度B。
12
13
轴针式喷射器
用于分隔式燃烧室。
喷孔为圆环形狭缝，孔径13mm,喷油压力较 低，1214Mpa。
特点：
•不喷油时针阀关闭，使高 压油与燃烧室隔开； •喷孔较大，便于加工且不 易堵塞； •针阀在油压达到一定压力 时迅速打开，供油停止时 又在弹簧作用下立即关闭， 没有滴油现象。
14
15
2 喷射过程:
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，喷入油量一般为 供油量的30-40% 。
I喷射延迟阶段：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
喷 起(喷油始点)为止。 射 Ⅱ主喷射阶段 ：从喷油始点到喷油器端 过 压力开始急剧下降为止。 程 Ⅲ喷油结束阶段 ：从喷油器端压力开始急
26
2.挤流
在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼 此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流 动，又称挤流。
挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。
涡流强度较进气涡流小，只起辅助作用。
5
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。
2. 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。
19
5 不正常喷射
① 二次喷射：主喷射结束针阀落座后，在高压油管 内压力波反射作用下，针阀再次升起进行喷油的 现象。
② 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。
③ 断续喷射：进入喷油嘴燃油量不稳定，压力波动 引起。
④ 不规则喷射和隔次喷射：低速（怠速）时，油压 不足，压不开针阀。下一循环时油压聚足，压开 针阀喷射。致使怠速运转不稳定。
6
2） 壁面油膜蒸发混合 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，
，
边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、 燃烧迅速 （先缓后急）。
采用单、双孔喷嘴，放热先缓后急 ,工作柔和，噪声 小，经济性较好，但冷起动困难。
24
3）组合进气系统P115 是指在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。
25
⑵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。
门座前强烈收缩， 使气流切向进入缸 内。 特点：形状简单， 流动阻力小，产生 涡流强度小，适用 于进气涡流强度要 求不高的发动机。
23
2）螺旋气道 在气门腔里做成螺旋形状，使气流形成一定 强度的旋转，在平直气道出口速度分布的基 础上增加了一个切向速度。
特点：流动阻力小， 涡流强度大，适用于 高涡流内燃机。但是 形状最复杂，结构尺 寸及加工精度要求较 高，且涡流与流量难 于兼顾。