发动机原理：(五)柴油机混合气形成与燃烧
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喷油器端压力急剧下降点～针阀落座 燃油雾化质量差，尽可能减少喷油量
3、供油规律与喷油规律
供油规律 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称为供油速率。 供油速率随凸轮轴转角的变化关系称为供油 规律
喷油规律： 喷油速率和喷油规律定义与上类似
喷油泵 喷油器
供油速率计算
柴油机燃烧过程及其特性分析
燃烧过程的高速摄影实例：
0º(TDC)
4º
火焰特点：
多点大面积着火—粗暴
8º
“有焰”1燃2º烧—产生碳烟 16º
20º
24º
28º
32º
40º
柴油机燃烧过程
分为四期： 着火落后期（ φA~φB ） 速燃期（ φB~φC ） 缓燃期（ φC~φD ） 后燃期（ φD~φE ）
发动机原理
柴油机的混合气形成及燃烧
第5章 柴油机的混合气形成及燃烧
发动机（内燃机）燃烧所追求的目标： 高η e(η i) 、高Pme（Pmi）、低污染、低噪声振动
内燃机燃烧的特点：
高速（混合＋着火＋燃烧＝2～10ms） 高温（2000℃ 左右） 高压（柴油机高达100bar 以上） 复杂过程：流动、喷雾、传热、多相流、燃烧化学
2、燃油喷射过程（机械式）
（1）喷射延迟阶段
供油提前角θfs－供油始点至TDC的角度（油泵出油） 喷油提前角θfj－喷油始点至TDC的角度（针阀始动） 喷油延迟角＝θfs－θfj，转速越高、油管越长，延迟
角越大
（2）主喷射阶段
喷油始点～喷油器端压力开始下降点 喷入绝大部分燃油，具有良好的雾化 qn ＝ f(Δp, 针阀升程，喷油持续期) （3）喷油结束阶段
着火落后期与滞燃期有何不同？
2、速燃期（ φB~φC ）
现象 大面积多点着火，燃烧极快，压力 陡升；
放热速率取决于滞燃期内形成的预 混合气多少，因此速燃期也称为预混 合燃烧期
注意与汽油机的“预混合燃烧”有 区别
2、速燃期（ φB~φC ） 燃烧特性参数：
dp/dφ 对动力性、η i 、η m、NOx、振动噪声有 显著影响， 一般柴油机：
1、 着火落后期（ φA～φB ）
现象: 喷雾及混合+低温多阶段着火，是复杂的物理
化学过程 ；
影响着火落后期的主要因素：
温度、压力、喷油量、雾化特性
着火点的判断方式： 示功图—脱离压缩线的时点 高速摄影—出现火焰 ROHR —放热率由负变正的拐点 柴油机的着火落后期对后续燃烧过程有重要 影响。
4、后燃期（ φD~φE ）
现象 剩余10～20%的燃料继续燃烧，远离TDC，
气流扰动变弱，燃烧速度下降。 后燃期过长，会造成：
等容度↓，散热↑，碳烟和微粒排放↑， 排温↑ 、 η t ↓ ； 减少后燃的基本思路
加速混合，以加快燃烧；燃油充分雾化。
合理的燃烧放热规律
放热规律三要素： 放热始点—存在最佳值，一般使Pmax出现在10～15CA ATDC 持续期—尽可能缩短，一般柴油机＜40～60CA 形状—因性能要求而异
导气屏：结构简单，强度可调，Ω =0～4，但阻力大，一般用于试验发动机； 切向气道：进气道与气缸切向布置以形成涡流，结构简单，但Ω =1～2； 螺旋气道：以复杂的螺旋气道在进入气缸前形成涡流，结构复杂，但阻力 小， Ω =2～4； 组合气道：例如“1切＋1螺”，随工况不同可关闭其中一个气道。
放热率形状： （相同放热始点、持续期时）
a：热效率最好（见185页），等容度最 高
d：热效率最低，但排放低 b\c：介于上述两者之间，有多种优化结 果，取决于实际需要
燃油喷射及混合气形成
发动机性能 受控于燃烧特性 受控于混合气形成
扩散燃烧速度 着火落后期
混合气 形成速度
dp/dφ
本节从油、气两个方面介绍柴油机混合 气形成过程
喷油规律
气流运动 燃烧室形状
过程极短 (＜0.5ms)
喷油系统与喷油特性
1、对燃料喷射过程的要求 合理的喷油特性（喷油规律） 良好的雾化特性 定时 定量 不出现异常
喷油特性主要指供油规律与喷油规 律
喷油特性和喷雾特性是喷油系统最 主要的两类指标
nPA对于确定工况是常数； ρf可作常数处理；若测得μA与针阀升程的函数关系，则可根据图6－13 所示的喷油器压力pn和针阀升程hn，算出喷油规律。这种方法称为压力升程法。
另外还有波许长管法、蜂巢法。
实际发动机中的供油规律与喷油规律对比
？为什么会出现两者的差异
•燃油的可压缩性 •压力波传播滞后－相位变化 •压力波反射叠加－形状变化 •高压油管弹性变形
喷油规律的计算
设燃油不可压缩，并作定常流动。 则由伯努利（Bernoulli）方程可以推导出：
dqn A 2p 103 d PA 6nPA f
其中： μA——喷油器有效流通面积，是针阀升程的函数 nPA——喷油泵转速 Δp——喷孔前油压（嘴端压力）与气缸内压力之差 ρf——燃油密度
dq p
d PA
4
d
2 p
dhp
d PA
（7－2）
• 对于确定的喷油泵，柱塞直径dp和柱塞运动规律 （由凸轮型线决定）等几何参数是一定的，由于
可以比较准确地计算出
因此也称
ห้องสมุดไป่ตู้
为几何供油规律
• 注意：看懂图6-14；理解“凸轮工作段”的概念；在右图 上如要改变工作段应怎样调整；工作段与柱塞有效行程有 什么关系。
最终影响发动机性能的是喷油 规律
缸内气流运动
分类： 涡流、滚流、挤流——控制油气宏观混合 湍流——促进油气微观混合
1、 涡流（Swirl） 绕气缸中心线的有规则的气流运动。柴油机中最常用 （1）涡流种类：进气涡流、压缩涡流 （2）评价指标：涡流比Ω＝涡流转速 / 发动机转速
（3）进气涡流产生方式：
dp/dφ ＝0.2～0.6 (MPa/CA)
影响 dp/dφ的主要因素： 滞燃期中的混合气生成量，与喷油速率、
混合速率、滞燃期长短有关
柴油 汽油
3、缓燃期（ φC~φD ）
现象 剩余燃料边蒸发混合,边燃烧， 燃烧速率受控于燃料扩散混合速率，也称为 扩散燃烧期 出现柴油机燃烧特有的“双峰” pmax的大小及位置： 上止点后10～15CA，取决于喷油时间、着火 落后期、预混燃烧 缓燃期燃烧 “过缓”会造成: 等容度↓，散热↑，η i ↓；碳烟和微粒排放 ↑
3、供油规律与喷油规律
供油规律 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称为供油速率。 供油速率随凸轮轴转角的变化关系称为供油 规律
喷油规律： 喷油速率和喷油规律定义与上类似
喷油泵 喷油器
供油速率计算
柴油机燃烧过程及其特性分析
燃烧过程的高速摄影实例：
0º(TDC)
4º
火焰特点：
多点大面积着火—粗暴
8º
“有焰”1燃2º烧—产生碳烟 16º
20º
24º
28º
32º
40º
柴油机燃烧过程
分为四期： 着火落后期（ φA~φB ） 速燃期（ φB~φC ） 缓燃期（ φC~φD ） 后燃期（ φD~φE ）
发动机原理
柴油机的混合气形成及燃烧
第5章 柴油机的混合气形成及燃烧
发动机（内燃机）燃烧所追求的目标： 高η e(η i) 、高Pme（Pmi）、低污染、低噪声振动
内燃机燃烧的特点：
高速（混合＋着火＋燃烧＝2～10ms） 高温（2000℃ 左右） 高压（柴油机高达100bar 以上） 复杂过程：流动、喷雾、传热、多相流、燃烧化学
2、燃油喷射过程（机械式）
（1）喷射延迟阶段
供油提前角θfs－供油始点至TDC的角度（油泵出油） 喷油提前角θfj－喷油始点至TDC的角度（针阀始动） 喷油延迟角＝θfs－θfj，转速越高、油管越长，延迟
角越大
（2）主喷射阶段
喷油始点～喷油器端压力开始下降点 喷入绝大部分燃油，具有良好的雾化 qn ＝ f(Δp, 针阀升程，喷油持续期) （3）喷油结束阶段
着火落后期与滞燃期有何不同？
2、速燃期（ φB~φC ）
现象 大面积多点着火，燃烧极快，压力 陡升；
放热速率取决于滞燃期内形成的预 混合气多少，因此速燃期也称为预混 合燃烧期
注意与汽油机的“预混合燃烧”有 区别
2、速燃期（ φB~φC ） 燃烧特性参数：
dp/dφ 对动力性、η i 、η m、NOx、振动噪声有 显著影响， 一般柴油机：
1、 着火落后期（ φA～φB ）
现象: 喷雾及混合+低温多阶段着火，是复杂的物理
化学过程 ；
影响着火落后期的主要因素：
温度、压力、喷油量、雾化特性
着火点的判断方式： 示功图—脱离压缩线的时点 高速摄影—出现火焰 ROHR —放热率由负变正的拐点 柴油机的着火落后期对后续燃烧过程有重要 影响。
4、后燃期（ φD~φE ）
现象 剩余10～20%的燃料继续燃烧，远离TDC，
气流扰动变弱，燃烧速度下降。 后燃期过长，会造成：
等容度↓，散热↑，碳烟和微粒排放↑， 排温↑ 、 η t ↓ ； 减少后燃的基本思路
加速混合，以加快燃烧；燃油充分雾化。
合理的燃烧放热规律
放热规律三要素： 放热始点—存在最佳值，一般使Pmax出现在10～15CA ATDC 持续期—尽可能缩短，一般柴油机＜40～60CA 形状—因性能要求而异
导气屏：结构简单，强度可调，Ω =0～4，但阻力大，一般用于试验发动机； 切向气道：进气道与气缸切向布置以形成涡流，结构简单，但Ω =1～2； 螺旋气道：以复杂的螺旋气道在进入气缸前形成涡流，结构复杂，但阻力 小， Ω =2～4； 组合气道：例如“1切＋1螺”，随工况不同可关闭其中一个气道。
放热率形状： （相同放热始点、持续期时）
a：热效率最好（见185页），等容度最 高
d：热效率最低，但排放低 b\c：介于上述两者之间，有多种优化结 果，取决于实际需要
燃油喷射及混合气形成
发动机性能 受控于燃烧特性 受控于混合气形成
扩散燃烧速度 着火落后期
混合气 形成速度
dp/dφ
本节从油、气两个方面介绍柴油机混合 气形成过程
喷油规律
气流运动 燃烧室形状
过程极短 (＜0.5ms)
喷油系统与喷油特性
1、对燃料喷射过程的要求 合理的喷油特性（喷油规律） 良好的雾化特性 定时 定量 不出现异常
喷油特性主要指供油规律与喷油规 律
喷油特性和喷雾特性是喷油系统最 主要的两类指标
nPA对于确定工况是常数； ρf可作常数处理；若测得μA与针阀升程的函数关系，则可根据图6－13 所示的喷油器压力pn和针阀升程hn，算出喷油规律。这种方法称为压力升程法。
另外还有波许长管法、蜂巢法。
实际发动机中的供油规律与喷油规律对比
？为什么会出现两者的差异
•燃油的可压缩性 •压力波传播滞后－相位变化 •压力波反射叠加－形状变化 •高压油管弹性变形
喷油规律的计算
设燃油不可压缩，并作定常流动。 则由伯努利（Bernoulli）方程可以推导出：
dqn A 2p 103 d PA 6nPA f
其中： μA——喷油器有效流通面积，是针阀升程的函数 nPA——喷油泵转速 Δp——喷孔前油压（嘴端压力）与气缸内压力之差 ρf——燃油密度
dq p
d PA
4
d
2 p
dhp
d PA
（7－2）
• 对于确定的喷油泵，柱塞直径dp和柱塞运动规律 （由凸轮型线决定）等几何参数是一定的，由于
可以比较准确地计算出
因此也称
ห้องสมุดไป่ตู้
为几何供油规律
• 注意：看懂图6-14；理解“凸轮工作段”的概念；在右图 上如要改变工作段应怎样调整；工作段与柱塞有效行程有 什么关系。
最终影响发动机性能的是喷油 规律
缸内气流运动
分类： 涡流、滚流、挤流——控制油气宏观混合 湍流——促进油气微观混合
1、 涡流（Swirl） 绕气缸中心线的有规则的气流运动。柴油机中最常用 （1）涡流种类：进气涡流、压缩涡流 （2）评价指标：涡流比Ω＝涡流转速 / 发动机转速
（3）进气涡流产生方式：
dp/dφ ＝0.2～0.6 (MPa/CA)
影响 dp/dφ的主要因素： 滞燃期中的混合气生成量，与喷油速率、
混合速率、滞燃期长短有关
柴油 汽油
3、缓燃期（ φC~φD ）
现象 剩余燃料边蒸发混合,边燃烧， 燃烧速率受控于燃料扩散混合速率，也称为 扩散燃烧期 出现柴油机燃烧特有的“双峰” pmax的大小及位置： 上止点后10～15CA，取决于喷油时间、着火 落后期、预混燃烧 缓燃期燃烧 “过缓”会造成: 等容度↓，散热↑，η i ↓；碳烟和微粒排放 ↑