柴油机的混合气与燃烧室

油膜蒸发混合利用燃油蒸发速率控制混合气生成速率，燃 烧室壁面温度和空气旋流起了主要作用。 油膜受热蒸发所需时间要比细小油滴长得多，加之燃烧室 壁温控制较低，使油膜蒸发混合方式在期内生成的混合气量远 小于空间雾化方式。 随燃烧进行，在高温和火焰辐射作用下，油膜蒸发加速， 使混合气生成速度加快。 大部分燃料是在蒸发后以气体状态与空气或高温燃气接触， 可以避免空间雾化混合时常有的液态燃油高温裂解问题，使碳 烟特别是大颗粒碳烟排放降低。
二、柴油机燃料供给系的组成
燃料供给系完成燃料的储存、滤清和输送工作，适时将 所需数量的柴油喷入燃烧室，使其与空气混合形成可燃混合 气并燃烧。 柴油机燃料供给系由柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷 油泵、喷油器等组成。柴油滤清器有粗细两种，一般粗滤器 设在输油泵之前，细滤器设在输油泵之后。 压缩行程末向气缸喷油一次。 适量的燃油以适当的规律喷入燃烧室。 根据柴油机负荷的变化自动调节供油量，以保证柴油机稳 定运转，尤其是稳定怠速，限制最高转速。
对混合气的要求
① 必须要有足够的空气量和适当的柴油量 柴油燃烧是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，空气与柴油是放热的两个重要因素。空气 与柴油的比例不同，可燃混合气成分不同，一般要求空气量要多 一些，以保证柴油不被浪费。 ② 喷油时刻要准确，混合气形成的规律应合适 气缸中燃烧过程的主要放热阶段应该是上止点稍后，热效 率高，热损失小，所以要求喷油时刻要准确。喷油过早过晚都不 利于发动机的工作。 喷油时刻通常用曲轴距活塞到达上止点的转角表示，称为 喷油提前角。 ③ 喷油质量应与燃烧室形状相适应，形成均匀的混合气 ④ 气流的搅动与燃料的性能 燃烧室的形状，切向进气，形成涡流，有利于混合，柴油 的十六烷值高，自燃点低，滞燃期短。
§2
可燃混合气的形成与燃烧室
一、柴油可燃混合气的形成
柴油可燃混合气的形成和燃烧在燃烧室内进行。活塞接近 压缩上止点时，柴油喷入气缸，与高压高温空气混合后燃烧。
早期的喷射
边喷射 边混合
后期的喷射
雾状柴油 喷 射 燃烧
边喷射 边燃烧 边混合
雾状柴油 喷 射 物理化学变化
高温压缩空气
柴油混合气没有汽油混合气均匀，柴油混合差的原因是 在缸内形成混合气，混合时间短。
三、可燃混合气的燃烧
燃 烧 过 程
供油提前角 滞燃期 速燃期 缓燃期 后燃期
（1）备燃期（滞燃期） 从喷油开始→开始着火燃烧为止。 喷入气缸中的雾状柴油不会即刻燃烧， 尽管气缸中的气体温度，已高于柴油 的自燃点。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。
四、燃烧室
当活塞到达上止点时，气缸盖和活塞顶组成的密闭空间称 为燃烧室。 （1）燃烧室分为统一式和分开式两大类 统一式燃烧室由活塞顶和缸盖形成一个统一空间。统一式 燃烧室根据凹坑深度分为开式燃烧室（浅坑型，如浅盆形或浅ω 形燃烧室），半开式燃烧室（深坑型，如ω 形和球形燃烧室）。 分开式燃烧室是由主燃室和副燃室二部分组成。 （2）统一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。统一式燃烧室产生涡流运动的方法有进气涡 流、挤气涡流二种。
二、柴油混合气的形成方式
柴油机混合气形成方式从原理上来分，有空间雾化混合 和油膜蒸发混合两种。 空间雾化混合是将燃油喷向燃烧室空间，形成雾状，雾 状油滴从高温空气中吸热蒸发并扩散，与空气形成混合气。 油膜蒸发混合是部分燃油喷向燃烧室壁面面，形成一层 油膜，油膜受热汽化蒸发，与空气形成混合气。 在车用柴油机中，以空间雾化混合为主，球形燃烧室柴 油机以油膜蒸发混合方式为主。

柴油的牌号
柴油分重柴油和轻柴油两类。重柴油用于1000r/min以下 的中、低速柴油机，轻柴油用于1000r/min以上的高速柴油机。 汽车都用高速柴油机，使用轻柴油。 柴油是在533～623K的温度范围内，从石油中提炼出的碳 氢化合物。柴油牌号使用凝点的数值制定，柴油按凝点分为10， 0，-10，-20，-35五个牌号，其疑点分别不高于10℃，0℃，10℃，-20℃，-35℃。其代号分别为RCZ-10，RC-0，RC-10， RC-20，RC-35，“R”和“C”是“燃”和“柴”字的汉语拼音 字头，凝点在0℃以上的则在“-”前加上“Z”字，选用时，牌号 数应比实际气温低5～10℃。
1、空间雾化混合方式
将燃油喷向燃烧室空间，形成油雾，雾状油滴从高温空 气中吸热蒸发扩散与空气混合。喷出的燃油要与燃烧室形状 配合，并利用燃烧室中气流的运动促进混合。以便形成均匀 混合气。 进气涡流。 利用弱涡流切向进气道或强涡流螺旋进气道，可以在进 气行程中使空气绕气缸轴线旋转运动。 挤压涡流。 利用活塞顶部的特殊形状，在压缩行程中和膨胀行程初 期，使空气在燃烧室中产生强烈的旋转，出现在上止点附近， 持续时间短。转速越高涡流越强，对油束的吹散作用越大。 空气涡流能加速火焰的传播，使燃烧速率提高。 燃烧涡紊流。 利用柴油燃烧的能量，冲击未然的混合气，造成混合气 涡流或紊流，促进混合。
（1）与汽油相比柴油本身粘度大，不易挥发，不利于混合 气的形成。 （2）柴油的混合是在气缸内进行，靠高压喷射和空气涡流 运动形成混合气，混合的时间短到0.0017～0.004秒。难以 形成均匀的混合气。 （3）可燃混合气的形成和燃烧过程同时进行，边喷射边混 合边燃烧。混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧。混合 过程、着火过程、燃烧过程三种状态共存。 （4）混合气形成方式与汽油机不同。柴油机由于难以实现 喷入气缸的柴油与空气的完全均匀混合，因此空气燃料的比 例比汽油机大。空气利用率低于汽油机。
（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。要尽量缩短后燃期。
燃烧室与混合气形成
空间雾化混合
气流促进蒸发混合
油膜蒸发混合
两种混合方式的对比
空间雾化混合中，燃油的喷雾特性对混合起决定性的作用。 喷雾细、均匀，有较多的油滴受热蒸发，大量可燃混合气在 着火延迟期内形成，燃烧初期放热率过大，压力急剧升高，工 作粗暴，NOx排放高。 减小着火延迟期内混合气生成量，造成大量燃油在着火后的 高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成碳烟。 空间雾化混合方式有较高的热效率，但碳烟、NOx和燃烧噪 声均较高。

螺旋进气道
切向进气道
a
b
c
挤流的形成
a、无进气涡流或涡流不强时的挤流。 b、进气涡流强时的挤流。 c、逆挤流。
挤压涡流
利用活塞顶部的特殊形状，在压缩行程中和膨胀行程初 期，使空气在燃烧室中产生强烈的旋转运动，出现在上止点附 近，持续时间较短。
挤流→
逆挤流→
挤压涡流
进气涡流
燃烧室的涡紊流
2、油膜蒸发混合方式
（2）速燃期 从燃烧开始→气缸内出现Pmax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Pmax→出现Tmax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。

柴油机燃料供给系
柴油滤清器
限压阀
出油口 进油口
滤芯
放油螺塞
三、柴油机燃料供给系的工作过程
输油泵将柴油泵出，经柴油滤清器滤进入喷油泵。喷油泵 输出高压柴油，经高压油管和喷油器喷入燃烧室。输油泵的供 油量比实际需要多，多余的柴油经回油管回到输油泵。
柴油机燃油系有三条燃油管路
低压油路 从柴油箱到喷油泵入口的这段油路中的油压是由输油泵 建立，输油泵的出油压力一般为0.15～0.3 MPa，这段油路 称为低压油路。 高压油路 从喷油泵到喷油器这段油路中的油压是由喷油泵建立的， 一般在10 MPa以上，这段油路称为高压油路。 回油管路 输油泵的供油量比喷油泵的最大喷油量大3～4倍，为了 保持进入喷油泵进油室内的油压稳定，喷油泵进油室的一端 装有限压阀，多余的燃油经限压阀和回油管流回输油泵的进 口或直接流回柴油箱。喷油器工作间隙漏泄的少量柴油也经 回油管流回柴油箱。

混合气形成方式
空间雾化混合
靠柴油喷到燃烧室 空间内，与空气直 混合过程 接混合，其混合不 均匀。燃烧粗暴。
油膜蒸发混合
复合式
柴油喷到室壁上，5％先形 成混合气燃烧，其燃烧温 度再促使油膜挥发，从而 两种方式混 促进形成混合气。 合使用，以 燃烧室形状应有利于油膜 空间雾化为 1.喷油束与燃烧室 提高混合 的形成薄，面积大，以促 主。 形状相适应。 均匀程度 2.利用燃烧室空气 进其挥发，同时燃烧室形 的方法 涡流，以促进混合。状应有利于形成旋转气流， 以使气体混合均匀。

四、柴油的使用性能指标
柴油的自燃性 十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。十六烷值越高， 自燃性越好。自燃性能好的柴油，着火延迟期短，柴油机工作 柔和。十六烷值高的柴油的凝点高，燃油蒸发性变差及粘度增 加，燃烧变差。汽车柴油的十六烷值在40～50之间。 柴油的蒸发性 柴油的蒸发性用馏程表示。馏程指柴油蒸馏过程中馏出一 定百分数时所处的温度，通常以馏出50％的温度来评定。馏程 低，轻馏分多，蒸发性好，有利于混合气形成。馏程过低，燃 料蒸发过快，在着火延迟期内形成的混合气量过多，柴油机工 作粗暴。车用柴油机的柴油馏程为200～300℃。 粘度 粘度决定燃油的流动性和润滑性能。粘度越大流动性越差。 粘度随温度而变化，温度升高，粘度变小。 凝点 柴油冷却到开始失去流动性时的温度。
柴油机燃料供给系
§1 概述
一、柴油机的特点
1．压缩比大（15～22），热效率高（30％～40％）。经济 性好。无点火系，故障少，油路系统机件精密、耐用。 2．混合气的形成、点火和燃烧方式不同于汽油机。高压柴 油喷入燃烧室，混合气在燃烧室内形成，混合气自燃着火后 柴油还在继续喷射。 3．柴油机喷油量多时（大负荷）易产生碳烟。 4．柴油机结构复杂、质量大、使用的材料要好、加工精度 高，制造成本较高。
缸内气流运动
（1）涡流 1）进气涡流 2）压缩涡流 （2）挤流 （3）湍流 （4）滚流
进气涡流
使用弱涡流切向进气道或强涡流螺旋进气道，在进气行 程中形成绕气缸中心高速旋转的气流。进气涡流会引起进气 阻力加大。
进气涡流靠切向进气道和螺旋进气道形成
切向进气道的气道母线与气缸相切，气流进入气缸后形成涡流。 螺旋进气道的气道在气门座上方呈螺旋状，偏离气缸中心，气 流形成绕气门中心的旋转运动。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3、混合气燃烧与形成过程
燃烧方式 以油滴扩散形式燃烧。柴油机是在压缩过程中活塞接近上 止点时，燃油在高压下成雾状喷入燃烧室，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，混合气的浓度要在着火界限之内。 柴油机混合气的形成 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，二是燃料的油雾状态，三是缸内适当的空气运动。 混合气形成特点是在缸内形成、形成时间极短、空气不能 全部利用。 燃烧室、油雾、空气涡流的配合形成混合气。加快混合气 的形成速度，能保证燃烧完全、及时。
部分燃油喷到燃烧室壁面上，形成一层油膜，油膜受热汽 化蒸发，在燃烧室中强烈的涡流作用下，燃油蒸气与空气形成 均匀的可燃混合气。悬浮在空间的油粒，形成着火源。油膜在 空间火源的热能作用下，逐层蒸发、逐层燃烧，产生了燃气涡 流，其燃烧速度是前期慢、后期快。这一混合方式中起主要作 用的因素是燃烧室壁面温度、空气相对运动速度和油膜厚度。