4-4第四节 混合气的形成和燃烧
发动机原理第五章汽油机混合气的形成和燃烧
发动机原理第五章汽油机混合气的形成和燃烧汽油机是一种内燃机，其工作原理是通过将空气和汽油混合后，利用火花塞点火将混合气体燃烧产生的能量转化为机械能。
汽油机混合气的形成是通过进气管、节气门和进气道来完成的。
当驱动节气门打开时，汽油喷油器会喷射适量的汽油进入进气道中。
同时，空气经过进气管进入气缸。
汽油和空气在进气道中混合，形成可燃混合气体。
混合气的形成过程中有几个关键参数需要控制，例如进气量、燃料喷射量和混合气的浓度。
进气量取决于节气门的开度，而燃料喷射量则由喷油器决定。
为了保证混合气的浓度适中，汽油机通常会配备一个氧传感器，根据氧气浓度的反馈来调节喷油量。
这样可以确保混合气的化学组成接近于最佳的燃烧比例。
燃烧是汽油机中最关键的环节，也是产生动力的过程。
当混合气被点火后，燃烧产生的高温高压气体会向外膨胀，推动活塞运动，驱动曲轴旋转。
混合气的点燃是通过火花塞完成的。
火花塞由中心电极和接地电极组成，中心电极中的电火花将混合气点燃。
燃烧的过程主要包括点火延迟期、燃烧期和尾气期。
点火延迟期是指在点燃混合气之前，混合气在活塞顶部开始自燃的时间。
延迟期的长短会受到很多因素的影响，如混合气的浓度、温度、压力等。
燃烧期是指混合气完全燃烧的时间，这一阶段混合气的能量会被释放并用于驱动活塞运动。
尾气期是指废气在活塞向下运动排出气缸的时间。
为了提高燃烧效率，汽油机通常会采用一些技术来增加混合气的起燃性、均匀度和稳定性。
例如，在进气道中安装气流直通装置可以提高混合气的均匀度；在燃烧室中设置喷油器可以将燃油直接喷到燃烧室中，提高了起燃性；通过调整点火提前角度可以改变燃烧时机，提高燃烧效率。
总结起来，汽油机混合气的形成和燃烧是通过控制进气量、燃料喷射量和混合气的浓度来实现的。
混合气的形成需要一系列的控制和调节来确保混合气的化学组成接近于最佳的燃烧比例。
燃烧则是通过点火将混合气燃烧产生高温高压气体，推动活塞运动，从而驱动汽油机工作。
第三章第4节 可燃混合气的形成
分隔式
涡流室 复杂
空间雾化 为主
预燃室 复杂
空间雾化
压缩涡流
要求较低 轴针式 10～15 大 难 16～20 低 <5000 <100
燃烧涡流
要求低 轴针式 8～13
最大 最难 18～22
低 <3500 160～200
要求高 多孔6～12
20～40 小
容易 12～15
高 <1500 >200
半开式
一般 空间雾化 为主（进气
涡流） 进气涡流
较强 要求较高 多孔4～6 18～25
较小 较易
16～18
高 <4000 <150
球形 一般
油膜蒸发
进气涡流 最强 一般
单孔或双孔 17～19 较小 难 17～19 较低 <2500 90～130
室壁面上，靠强烈的进气涡流将燃油在燃烧室壁面上摊布成
一层很薄的油膜，油膜受热逐层蒸发并与空气混合。
优点:燃烧柔和、无烟。
但是对空气涡流要求较高，适用于半开式(或球形)燃烧
室的小型高速柴油机。
2
二、影响混合气形成的因素
燃油 雾化质量
影响可燃混合 气形成的因素
燃烧室内空气 涡动情况
压缩终点 气缸热状态
优点：工作柔和，燃烧噪声
小，排烟少，过量空气系数
小，对燃油品质适应性强。
缺点：起动性能差（燃油雾
化差），变负荷性能差，高
低速运转性能差别大，在大
缸径上应用困难。
仅限于某些小型高速柴油机。
14
4、涡流室式燃烧室（主、副燃烧室）
燃油全部喷入副燃烧室， 空气沿通道进入副燃烧室， 形成可燃混合气并燃烧。
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。
第四章汽油机混合气的形成和燃烧解析
电控化油器
二、电控汽油喷射式混合气的形成 1、电控汽油喷射系统 包括 燃料供给系统 空气供给系统 电子控制系统
①燃料供给系统 发动机工作时，电 动燃油泵把汽油从油 箱中泵送出去，经燃 油滤清器除去杂质和 水分后，经过供油管， 流入燃油分配管，然 后分送到各个喷油器。 燃油分配管末端装有 油压调节器，对燃油 压力进行调整，多余 的燃油经油压调节器 流回油箱。
炎热——加强冷却 寒冷——预热
2、表面点火
1）定义 汽油机中,凡是不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表 面点燃混合气的现象统称表面点火。
炽热点：排气门头部，火花塞电极，燃烧室积炭
早燃是表面点火的一种现象。
2)早燃
①定义：指在火花塞点火之前，炽热表面就点燃混合 气的现象。 ②原因：炽热表面引起早燃 ③危害 a) b) c) d) 早燃诱发爆燃、爆燃加剧表面点火。 压缩功增大，发动机功率下降。 零件过热。 燃烧速率快，发动机工作粗暴。
1-节气门；2-旁通气道；3-旁通阀；4-怠速控制阀；5-ECU； 6-转速传感器；7-节气门位置传感器；8-水温传感器
在怠速自动控制过程中，ECU不断地从发动机转速传感器 得到发动机的实际转速信号，并将这一实际转速与目标转速相 比较，最后按实际转速和目标转速的偏差，向怠速控制阀发出 控制信号。 怠速转速的调节
氧传感器检测排气中的氧浓度，
空燃比＞14.7，氧多余。
ECU
喷油量修正
起动、大负荷、暖机 氧传感器未达到一定温度（如350℃） 氧传感器出现故障 进行开环控制
3、怠速自动控制 怠速时的进气是通过两条绕过节气门的旁通气道进入发动 机的。一条旁通气道的流通截面由怠速调节螺钉调整，在使用 中保持不变；另一条旁通气道的流通截面由怠速控制阀控制。
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
第04章 汽油机的混合气形成与燃烧
第一节 汽油机燃烧过程
在测取气缸内燃烧过程的展开压力示功图 （P-坐标系曲线）基础上进行分析，加以讨 论。研究燃烧过程各阶段的工作情况。
一、正常燃烧过程
（一）正常燃烧过程进行情况—三个阶段
（1）着火延迟期（图中1-2段）：从火花塞点火（点1） 至气缸内压力明显脱离压缩线而急剧上升时（点2）的 时间或曲轴转角。 火花塞放电时两极电压达 10~15KV，击穿电极间隙内 的混合气，造成电极间电流 （很小）通过。电火花能量 多在40~80mJ，局部温度可 达3000K，使电极附近的混 合气立即点燃，气缸内压力 脱离压缩线急剧上升。
2、点火提前角—从火花塞发出电火花到上止点间的曲 轴转角。点火提前角的大小受燃料性质、转速、负荷、 过量空气系数等很多因素而定。 当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时， 汽油机功率和耗油率随点火提前角改变而变化的关系称 为点火提前角调整特性。对应每一工况都存在一个最佳 点火提前角，这时发动机功率最大、耗油率最低。
点火提前角增大，压缩终了的气体压力、温度增高，爆 燃倾向增大，因此，电喷发动机ESA电子点火控制系统 就是根据爆震传感器信号控制点火提前角是否需要推迟。 同样，点火提前角增大，压缩终了的气体压力、温度增 高，燃烧的最高爆发压力和最高气体温度升高，NOx排 放量增加。 3、发动机转速
转速增加，气缸内紊流增强，火焰传播速率增加，燃烧 持续时间缩短，但所占曲轴转角间隔却延长，因此，最 佳点火提前角应提前。传统汽油机在分电器总成上装离 心调节点火提前器。 ESA电子点火控制系统根据转速 信号电子控制点火触发信号。
第二节 汽油机混合气的形成
汽油机混合气形成方式分成两大类：化油器式和汽油喷 射式，后者又分成进气管内汽油喷射式和气缸内直接汽 油喷射式。化油器式和进气管内汽油喷射式都是气缸外 部形成均匀混合气形式，即便是气缸内直接喷射，发动 机负荷调节也是靠改变
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。
第四节可燃混合气的形成资料.
广泛用于大、中型柴油机和船用低 速机
2.半开式燃烧室
定义：由活塞顶面到气缸 盖底面之间的余隙容积及 活塞顶面和气缸盖底面的 凹坑容积组成。 根据凹坑容积的形状分为：
(a) w形 (b)倒w形
（2）挤压涡流： --活塞压缩形成的挤流作用（挤入凹坑）。不明显； --活塞下行时，逆挤流作用。（出凹坑）。明显。
二、缸内空气涡流的形式与作用
（3）压缩涡流：在 压缩行程中，气缸中 的空气被活塞挤压机 在主副式形式中才有。 见右上图。
（4）燃烧涡流：在 预燃室式燃烧室中才 有。见右下图。
2.空气涡流的作用
预燃室和涡流室同属于分开式燃烧室
前者以燃烧涡流为主形成混合气 后者以压缩涡流为主形成混合气 工作特点和优缺点均相同。
（b)为浅盅形凹顶活塞、 倒盅形气缸盖，用于大型 二冲程气阀-气口直流扫气
©和(d)分别为浅盘形和浅w
形活塞顶、平底气缸盖， 用于大、中型四冲程
混合方式：油雾法形成可燃混合气。依靠 多孔高压喷射而较少依赖空气涡流
优点：结构紧凑、形状简单、相对 散热面小、热损失小、无气体流动 损失，具有良好的起动性和经济性
来说，是关键因素） --燃烧室内空气涡动状态（对中小型机
来说，是关键因素） --压缩终点时压缩温度与压缩压力。 --燃烧室形式，与空气涡动状态关联。
二、缸内空气涡流的形式与作用
柴油机气缸内空气绕气缸轴线有规则的流 动
1空气涡动的形成
（1）进气涡流：进气动能+结构措施
结构措施有：四冲程机上--带导气屏的 进气阀、切向进气道、螺旋进气道；二 冲程机上--切向倾斜角的进气口。
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
可燃混合气的形成与燃烧过程
二．可燃混合气的形成与燃烧大体分四个时期（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。
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。
后燃期放出的热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，或随废气排出，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。
因此，要尽可能地缩短后燃期。
综上所述，要使燃烧过程进行得好，混合气形成的好环是关键，所以对混合气形成的要求如下：①必须要有足够的空气量和适当的柴油量因为柴油燃烧放出热量是由于柴油和空气中的氧气在一定温度和压力条件下产生化学作用的结果，所以空气与柴油是放热的两个重要因素。
空气量与柴油量比例不同，所形成的可燃混合气的成分也就不同，一般要求：α=1.3～1.5 ；α过大，混合气过稀，燃烧速度慢，散发热量多，Ne↓ ；α 过小，混合气过浓，燃烧不完全，油耗增加，冒黑烟，经济性变坏。
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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第四节混合气的形成和燃烧在柴油机中燃油经过喷油器，以很高的压力喷入气缸，与气缸中的压缩空气混合，自行发火并燃烧。
由于时间有限，要保证后续的燃烧完善，必须有一套完好的喷油设备，及与之配合的燃烧室。
有些柴油机的燃烧必须有适当的空气运动，这就要求燃油雾化、空气运动及燃烧室这三要素之间有良好的配合。
一、燃油的雾化燃油自喷油器喷孔中在高压下以高速（可达200m/s）喷出，被雾化成很微小的细粒，其直径从5μm到250μm不等。
较大油粒在运动中根据空气压力和燃油表面张力及粘度之间的平衡，还可进一步分裂为微细的颗粒，这些油粒具有一定的贯穿力，使它们能够均匀地分布在燃烧室中。
即燃油雾化靠的是（1）紊流，（2）空气分子的撞击、摩擦。
燃油雾化成无数的细微油滴，增加了表面面积，加速了从空气中的吸热过程和油滴的气化过程，加快了燃烧和能量转化，对提高柴油机性能有极大的帮助。
1．油雾的形成油束参数及周围空气情况如图4-4-1所示。
喷油初期，喷注前锋首先依靠自己的惯性力，然后依靠后续喷注对它的推进而向前飞驰。
根据喷射过程的压力变化，初始喷注的速度并不是最高速度，而在最大喷射压力时，喷口处的喷注速度才是最高喷速。
喷注在最高喷速下以最大的惯性力推动先头喷注前进。
喷油后期，缸内压力升高，而喷油压力却迅速下降。
这时喷孔两端的压力差迅速减小。
喷注尾部的速度低于其前面的喷注速度。
喷注前锋部分，实际上是不断补充和更新的。
因为最早进入缸内的喷注，受迎面空气阻力最早也最大，同时受热时间也最长，因而气化也最早。
供油停止后，喷注失去了后续部分，Array由于喷孔两端压力差和喷速均较小，因而向径向扩展较慢，密度较大，不易雾化和汽化。
此阶段的液相油注是最后参加燃烧的燃油，其热效率较差，容易在高温中裂解成碳烟。
喷注的前锋高速飞驰时，其后会形成低压区。
因而出现引射效应和四周空气补充入内的卷吸效应。
燃油的引射效应和空气的卷吸效应对喷注的撕裂、破碎和雾化起着加速和促进作用。
每束油注在燃烧室中的空间分布，形成一个由许多油粒组成、外形与圆锥体相图4-4-1 油束参数及周围空气情况似的油束，如图4-4-1所示。
在油束中间部分油粒密集、直径大，称油雾核区；而外围部分油粒直径小，且燃油蒸汽与油滴共存，故称油气混合区。
2．喷雾特性喷雾特性通常包括雾化质量和油束的几何形状两方面。
表征雾化质量的主要指标有二个：（1）雾化细度它表示油束中的油粒平均直径，其值越小则油雾喷得越细，越有利于可燃混合气的形成。
（2）雾化均匀度它表示油粒直径的变化范围，可用油粒的最大直径与平均直径之差来表示。
其直径差越小，则说明雾化越均匀。
表征油束几何形状的参数也有二个：（1）锥角β见图4-4-1。
它表示油束的扩散能力和紧密程度。
β大就说明油束扩散能力强、油粒细、散布好，因而燃油与空气接触表面积大，有利于混合气形成。
（2）射程L见图4-4-1。
它表示油束的贯穿距离，并标志着油束前锋在压缩空气中贯穿的深度。
如射程过短，油束就不能布满燃烧室的全部容积，距喷油器较远区域内的空气不能得到充分利用。
如射程过长，则有一部分燃油将喷到燃烧室壁面上。
这两种情况都会使燃烧恶化，柴油机的功率和经济性下降。
3．影响雾化的主要因素影响雾化的主要因素有喷油压力、喷油器喷孔直径、燃油粘度和喷射背压。
1）喷油压力当喷油压力增大时，雾化细度及均匀度提高，油束锥角和射程增大，雾化质量提高。
这是因为当喷油压力提高时，燃油从喷孔喷出的速度增大，使油注本身的扰动加剧，燃油的引射效应以及空气的卷吸效应增强，同时燃油在压缩空气中的阻力与空气分子的撞击、摩擦也随之增大，故燃油雾化较好。
2）喷孔直径当喷孔直径增大时，雾化细度和均匀度均下降，但油束射程增大而锥角减小。
相反，当喷孔直径减小时，雾化细度及均匀度提高，油束锥角增大而射程减小。
3）燃油粘度当燃油粘度增加时，由于其流动性差，分裂较困难，故雾化不良。
为保证雾化良好，当使用粘度较高的燃油时应采取预热措施以降低燃油粘度。
粘度对喷雾的影响参见图4-4-2。
图4-4-2 燃油粘度对喷雾的影响4）喷射背压当喷射背压增加时，即缸内压缩空气的密度增加，燃油喷射时受到的阻力与空气分子的撞击、摩擦增加，因此雾化质量提高，锥角变大，而射程缩短。
二、混合气的形成混合气形成过程是控制和决定燃烧过程的关键因素。
它在喷油过程与燃烧过程之间起着承上启下的纽带作用。
1．对混合气形成的要求为保证后续的燃烧过程能取得良好的效果，柴油机对混合气形成过程有下列共同的要求：（1）在柴油机所要求的极短时间内，燃油要能快速地破碎、雾化、吸热、汽化、扩散至空气中，并与空气混合成有一定浓度的可燃混合气。
（2）要适当减少着火前的供油量，以避免过高的放热峰值，最大压力升高率，最高爆炸压力。
同时，要加速中、后期的混合和燃烧速度。
（3）要充分利用燃烧室内的一切空气，使之参与混合。
要使活塞顶隙、气阀坑等处的空间尽量小，以提高实际的过量空气系数。
（4）在充分利用进气涡流的同时，要尽量组织挤压涡流，以便于组织燃烧室空间内的复合涡流。
要使整个混合气形成过程和燃烧过程在各种涡流的促进下进行。
（5）在混合气形成过程中，要尽量发挥喷油过程，气流运动和燃烧室结构、形状的作用，并使三者配合，以便加速和完善油气混合。
2．混合气形成的方式及特点柴油机混合气形成有许多种方式，但比较典型的方式有雾化混合型、油膜混合型及雾化油膜混合型三种。
1）雾化混合型雾化混合型亦称空间混合型。
这种混合气形成方式是在喷油压力较高的条件下，燃油高速喷入燃烧室空间。
其喷油器的喷孔数较多，孔径相对来说较小，在无进气涡流或较弱涡流情况下将油喷成雾状。
由于各油束均匀分布于燃烧室内，油雾弥散于燃烧室的空气中。
这种混合气体形成所需要的能量主要来自油束的动能。
它是由喷油泵的压力能转化成油束的速度能而来。
所以，在油与气的双方混合中，起主导作用的是油。
因而，它可视为主要是油找气的混合方式。
雾化混合是一种传统的混合气形成方式，大多数柴油机目前仍采用此方式来形成混合气。
尤其是船舶柴油机，绝大多数采用此方式。
雾化混合型的优点是：不必专门组织进气涡流，从而避免了复杂的进气道以及由此造成的充气效率的下降，因而柴油机的经济性较好。
其缺点是：供油设备的制造水平和调试管理水平要求高，供油系统的故障相对来说较多，发动机工作易粗暴。
2）油膜混合型油膜混合型又称M燃烧系统，见图4-4-3b），它用喷油嘴将大部分燃油喷到球型燃烧室的壁面上，形成一定厚度的油膜，另有一小部分燃油直接喷入燃烧室中引燃。
同时，进气采用螺旋进气道，造成强烈的进气涡流，活塞上行时又在球型燃烧室中形成挤压涡流，将燃烧室壁面上的油膜吹拂扩展到相当大的面积，扩大了油的汽化面积。
油膜从燃烧壁面和热空气中吸热，并在强劲气流吹拂下分层汽化、分批投入燃烧。
这种混合气形成所需要的能量主要来自进气的涡流，因而可以将其视为气找油的一种混合气形成方式。
油膜混合型的优点是：工作柔和，缸内最高燃烧压力和最高燃烧温度不太高，NOx排放较低。
另外，由于以油膜蒸发为混合气形成方式，因而对喷射系统的要求较低；喷射压力也不高，故喷射系统故障较少。
其缺点是：受供油系统和进气系统变动的影响较大，因而燃烧过程的稳定性较差，且冷起动较困难。
此外，对活塞壁面的温度控制要求较高。
尽管油膜混合型方式在实用上有局限性，主要用于高速小型柴油机，但在加深对燃烧理论的研究上却具有十分重大的价值。
3）雾化油膜混合型鉴于雾化混合型和油膜混合型混合气形成方式存在着互相相反的优缺点，现代中小型柴油机，在吸取这两种混合气形成方式优点的同时，力图避免或减小这二者各自的缺点，从而形成雾化油膜混合型方式。
具体做法是：将喷注的前锋涂布到燃烧室一定部位的壁面上，让其吸取壁热和热空气中的热量，并在空气涡流的吹拂下分层汽化，分批地投入混合和燃烧，而大部分的燃油仍以传统的雾化混合型方式形成混合气，见图4-4-3a）。
这种方式可以使在着火前喷入气缸的部分燃油附在燃烧室壁上，而不先燃烧；待以雾化混合型方式形成的混合气着火、缸内温度上升后，再分层分批地投入燃烧。
这样既可以减少着火前的混合气形成量，又可以提高中后期混合速度。
以前大功率中速机往往也不组织进气涡流，后来有些机型开始组织弱进气涡流，例如进气道带有螺旋形。
油束中心油粒大，是富油区，惯性大，随扰动气流偏转小，油束中心裸露，加快受热、蒸发、与空气混合。
改善燃油的空间分布。
提高了经济性。
如PC2-6有效燃油消耗率因此下降了3～4g/kW·h。
涡流强弱应与燃烧室尺寸及燃油的喷射配合好，涡流强，油束贯穿能力也应强。
如涡流太强，且不说进气道因螺旋形厉害，进气阻力损失大。
还会造成燃烧室外围成了贫油区，使此处空气得不到充分利用。
3．影响混合气形成的因素由于柴油机机型不同，有不同的燃烧室和不同的转速，因而影响可燃烧混合气形成的因素亦有区别，现综合主要影响因素如下：（1）燃油的雾化质量。
良好的雾化质量对于形成可燃混合气具有重要作用，喷射系统必须使喷入气缸的燃油达到燃烧室所要求的雾化质量。
开式燃烧室对雾化程度要求最高，使用喷嘴的孔数最多，喷油压力最高；半开式燃烧室要求雾化程度次之，使用较多孔喷嘴，喷油压力较高；分隔式燃烧室要求雾化程度最低，可用单孔喷嘴和使用较低的喷油压力。
高速机采用涡流室式燃烧室或半开式燃烧室要求雾化质量相对较低，而低速机采用开式燃烧室要求雾化质量则相对较高。
但对绝大部分船舶柴油机来讲，由于采用开式燃烧室，采用雾化混合型方式来形成可燃混合气，故雾化质量是极其关键的。
（2）燃烧室空气涡流。
燃烧室空气涡动可促使油束分散，增大混合的范围，改善燃油的空间分布状态。
空气运动能促使油粒分散到更大的空间里去。
涡流越强，气流对油束的吹散作用也较大。
空气涡流对于采用气找油的油膜混合型方式来说，具有重要意义。
（3）喷油器喷孔数目及孔径。
喷油器喷孔数目及孔径大小，不但与雾化质量有关，而且还与空气涡流的强度有关。
如果涡流强，则孔数少，一般4～6个，甚至单孔；涡流弱，则孔数多，如7～8个；如完全无涡流，则孔数更多，如9～12个。
总之，喷油孔数目及孔径要根据缸内涡流情况及所要求的雾化质量来确定。
（4）压缩终点的缸内热状态。
压缩终点的缸内热状态即为压缩终点缸内空气压力、温度以及空气涡流等，对燃油的雾化质量、可燃混合气的形成都有影响。
（5）燃烧室类型。
燃烧室的类型是多种多样的，对不同的燃烧室，其形成的空气涡流的强弱及涡动方式会有很大区别，因而在形成可燃混合气时也有显著差异。
三、燃烧室燃油、空气和燃烧室是研究柴油机燃烧过程的三大内容。
它们三者的最佳匹配是改善燃烧过程的关键所在。
所以，对燃烧室应与油、气配合研究。
燃烧室的几何形状、相对于气缸中心线的位置以及与油泵的相互关系，对于燃烧过程的完善程度以及柴油机性能的优劣极为重要。