柴油机的燃料与燃烧
柴油机的物理知识点总结
柴油机的物理知识点总结一、柴油机的工作原理柴油机的工作原理主要包括四个基本过程：进气、压缩、燃烧和排气。
这些过程也称为柴油机的四冲程，分别对应柴油机的一次循环。
下面我们来逐一介绍这四个过程。
1. 进气：首先是进气过程。
柴油机进气门打开，活塞向下运动，气缸内的压力降低，空气被吸入气缸内。
这时燃油喷射器喷射一定量的柴油，与进入气缸内的空气混合。
2. 压缩：接着是压缩过程。
活塞向上运动，将混合气体压缩至高压。
在高压下，混合气体的温度也会升高，使混合气体更容易燃烧。
3. 燃烧：压缩结束后，喷油嘴向气缸内喷射高压柴油，柴油遇到高温高压气体瞬间着火，产生爆炸。
爆炸产生的高压气体推动活塞向下运动，驱动曲轴旋转，从而传递动力。
4. 排气：最后是排气过程。
气缸内的废气通过排气门排出，为下一个循环的进气过程做准备。
以上四个过程构成了柴油机的一个完整工作循环，也称为柴油机的四冲程。
二、柴油机的原理结构柴油机包括外部部分和内部部分。
外部部分包括机壳、缸盖、气门、进气管、排气管等，主要起到保护和连接的作用。
内部部分主要包括曲轴、连杆、活塞、气缸、燃油喷射器等。
以下我们逐一介绍柴油机的主要部件。
1. 气缸：气缸是柴油机中存放燃气的空间，根据气缸数量不同，柴油机可以分为单缸、多缸等类型。
气缸通常由高强度金属材料制成，具有耐高温、耐磨损的特点。
2. 活塞：活塞是气缸内的活动部件，负责压缩混合气体和转换爆炸能量。
活塞通常由铝合金或铸铁制成，具有良好的导热性能和耐磨损性能。
3. 曲轴：曲轴是柴油机的主要旋转部件，是由几节连杆构成的转轴。
曲轴可将活塞的上下往复运动转换为旋转运动，驱动柴油机的输出轴。
4. 连杆：连杆连接活塞和曲轴，起到传递动力的作用。
连杆承受着来自活塞的冲击力和扭矩，需要具有足够的强度和刚度。
5. 燃油喷射器：燃油喷射器是柴油机的关键部件，负责在适当的时机将高压柴油喷射到气缸内与空气混合。
燃油喷射器的喷油量和喷油时间由电控系统控制，从而控制燃烧的时机和效果。
柴油机燃料喷射与燃烧影响因素
2．主喷射阶段 从喷油始点到喷油器端压力开始急剧下降 时为止，这一阶段称为主喷射阶段。 绝大部分燃油是在这一阶段喷入气缸的， 其时间长短主要与柱塞有效行程（即柴油 机负荷）有关，其次，也受高压系统容积、 出油阀减压作用等因素的影响。
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3．滴漏阶段 从喷油器端压力开始急剧下降到针阀完全 落座（喷油终点）为止，这一阶段称为滴 漏阶段。 这期间还有少量燃油从喷孔喷出，由于 喷油压力降低，燃油雾化不良，这一阶 段喷射的燃油容易导致燃烧不完全，易 生成积炭并堵塞喷孔，甚至排气冒烟。
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3）介质反压力
不同喷油压力和反压力油束射程随时间的变化
反压力增加，使介质密度增大，引起作用在 油束上的空气阻力增加，因此燃料雾化有所 改善，喷雾锥角增加，并使射程减小。
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4）喷油泵凸轮外形及转速
当凸轮形状较陡或凸轮转速较高时，均使 喷油泵的柱塞供油速度加快。由于喷油器 喷孔的节流，燃油不能迅速流出，结果使 油管中燃油压力增加，燃油从喷孔流出的 速度也随之增大，因此雾化变好，油束射 程和喷雾锥角均有所增加。 注意：上述试验结果是在冷空气中进行喷 射实验得到的。
2）柴油的蒸发性 直接影响可燃混合气形成，对燃烧过程也 有一定的影响。
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柴油的蒸发性通常也用馏程表示，主要以50 ％馏出温度、90％馏出温度和95％馏出温度 作为评价柴油蒸发性的指标。同一相对蒸发 量的馏出温度越低，表明柴油蒸发性越好， 越有利于可燃混合气的形成和燃烧。
50％馏出温度低的柴油蒸发性好，有利于混 合气的形成和燃烧的进行，对发动机的冷起 动也有利，但柴油中蒸发性好的组成成分其 发火性差。90％馏出温度和95％馏出温度越 高，说明柴油中不易蒸发的成分越多，燃烧 后容易导致排气冒烟和产生积炭。
柴油机的化学方程式
柴油机的化学方程式
0号柴油是柴油机的燃料，主要由原油蒸馏、催化裂化、热裂化、加氢裂化、石油焦化等过程生产的柴油馏分调配而成也可由页岩油加工和煤液化制取。
用做转速不低于960r/min的压燃式高速柴油发动
机的燃料，也可用做各种柴油燃烧器的燃料。
柴油为混合物，主要成分为烃，即碳氢化合物柴油燃烧的化学反应方程式：
CmH4n +(m+n) O2=点燃= mCO2 2nH2O m，n 为正整数，对于柴油，m大约在9-12左右。
用作负荷转速不低于每分钟1000转的高速压燃式柴油机的燃料。
柴油燃烧的化学反应
柴油是由烷烃，芳香烃，烷基苯，萘类，茚类等有机化合物混合而成的有机物既然有烃类，燃烧后肯定有水生成，其次就是二氧化碳。
柴油机的燃烧过程
柴油机的燃烧过程
COMBUSTION IN DIESEL ENGINE
1 滞燃期(AB 段)
从燃料喷入气缸到压力线脱离压缩压力线开始急剧升高这一段燃前准备时间。
◆ 滞燃期过长，压力升高率和最高燃烧压力高，柴油机工作粗暴。
◆ 滞燃期过短，扩散燃烧增加，易恶化柴油机性能和颗粒排放。
2 急燃期 BC 段
柴油机的预混燃烧期
在上止点附近快速进行，压力升高率大。
形成第一峰放热。
平均压力升高率不宜超过0.6 MPa/︒CA
3 缓燃期 CD 段
柴油机的扩散燃烧期
◆ 缸内温度和压力高，扩散燃烧速度快。
◆ 气缸工作容积不断增加，缸压变化缓。
◆ 缓燃期对应于放热规律曲线的第二峰。
4 后燃期 DE 段
少量柴油的后续燃烧
◆ 过浓混合气未燃烧的燃料、尾喷燃料、碳烟等的燃烧。
膨胀行程的中后期，膨胀比低，做功能力小。
◆ 增加排温和向冷却水的散热损失，使发动机的热负荷增加，经济性下降。
柴油机燃烧缸内p -Φ图 )
()(B C B C p p p ϕϕϕ--=∆∆
滞燃期速燃期缓燃期后燃期
柴油机燃烧放热规律图。
第六章：柴油机燃料供给系统
柴油及其使用性能
汽车构造
2)蒸发性：指柴油蒸发汽化的能力，用柴油馏出 某一百分比的温度范围即馏程和闪点表示。比如， 50％馏出温度即柴油馏出50％的温度，此温度越 低，柴油的蒸发性越好，混合气形成速度就越快， 易完全燃烧。但蒸发性过高，则会使全部柴油迅 速燃烧，缸内压力急剧升高，柴油机工作粗暴。 闪点低，蒸发性好。
空间雾化混合
油雾的形成 燃料以高压、高速从喷油器以 圆锥形的油束喷出，由于受到 高密度空气的摩擦阻力作用， 被分裂为许多油线进而成为油粒。
空气的运动促进混合 将燃油喷成雾状油束是混合气 形成的第一步，其次是使油粒
分布得更均匀。
汽车构造
空间雾化混合
汽车构造
最有效的措施：空气运动 多采用两种办法:（l）使进气产生涡流;（2）产生挤压涡流
油膜蒸发混合
它是将柴油喷向球形油膜燃 烧室的壁面上,在强烈地空气 涡流作用下,燃油的大部分 (95%)形成油膜.由于油束贯 穿空气和室壁的反射,必然有 少量油粒（5％）悬浮在空间， 形成着火源。油膜在热能作 用下，逐层蒸发、逐层卷走、 逐层燃烧，产生了燃气涡流， 其燃烧速度是前期慢、后期 快，使燃烧过程加速进行到 终点。
混合气的形成（空间雾化混合或油膜蒸发混合）、 点火和燃烧方式不同于汽油机;
柴油机的a＞1，燃烧充分，排气污染小；
柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本 较高;
柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬 季冷车时起动困难;
排气噪声大，颗粒排放严重，废气中含SO2多
柴油及其使用性能
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
第四章 柴油机的燃料与燃烧过程
蒸发性好的组成成分其发火性差。90％和95％馏出温度标志柴油
中所含重质成分的数量。90％和95％馏出温度高，说明柴油中重
质成分较多，其挥发性较差，在气缸内不易蒸发，与空气混合不
均匀，导致排气冒烟和积炭增加；因此，应对90％和95％馏出温
度有所控制，要求其值较低。一般要求柴油的50％馏出温度应适
宜，90％馏出温度和95％馏出温度应比较低。
2）中、小型柴油机：除依靠喷雾条件的改进， 还必须依靠强烈的涡流运动—分隔式燃烧室；
2. 油膜蒸发混合
1）大部分燃油 燃燒室壁
蒸发
汽化 混合
进气涡流
油膜
压缩涡流
混合气
热分层效应 有效利用空气
2）少部分燃油以油雾形式分散在燃烧室空间， 完成着火准备，形成火源，点燃油膜蒸发混 合形成的可燃混合气。
控制燃烧室的壁温和油量，可抑制燃烧 前期的反应，控制燃烧过程的进展。
20℃，适合于冬季或寒冷地区使用。
第二节 柴油机混合气的形成
化学能 燃烧 热能 膨胀做功 机械能 一、混合气形成的特点
与汽油机相比，柴油机的混合气形成有如下的特点。首先是柴 油机的混合气形成只能在气缸内部进行；其次是混合气形成所占时 间甚短，一般占15°～35°曲轴转角，在0.0007～0.003秒的时间 内燃油经历破碎雾化、吸热、汽化、扩散与空气混合等过程，因而 混合气成分在燃烧室各处很不均匀，而且随着燃油的不断喷入在不 断改变。这就迫使柴油机的过量空气系数远大于汽油机。柴油机的 过量空气系数一般为1.2～1.5，致使气缸工作容积利用率降低。
3）介质反压力 介质的密度增加，反压力增大，作用在油
束上的空气阻力增加，有利于燃料雾化，喷雾 锥角增加，射程缩短。
4）喷油泵凸轮外形及转速
内燃机构造概述
1-驱动轴 2-滚轮座 3-滚轮 4-传动销 5-止动销 6-O型圈 7-侧盖板 8-泵体 9-提前器活塞 10-连接销 11-弹簧 12-O型圈 13-侧盖 A-油孔
三、柴油机的燃料供给、燃烧、电控共轨系统
2.3.喷油泵的工作原理 a.运动过程 当喷油泵工作时，随着凸轮轴的转动，挺柱和柱塞在柱塞 的上、下止点间分别在挺柱孔和柱塞套中做往复运动。
二、机体组、曲柄连杆机构、配气机构
1）活塞组：活塞、活塞环（气环、油环）、活塞销、活塞销挡圈等 活塞头部导热作用； 活塞裙部起导向作用； 活塞裙部横截面为椭圆形 （长轴垂直于活塞销孔方向 的上小下大的圆柱体）； 活塞的冷却：自由喷射冷却 、震荡冷却、强制冷却
2）连杆组：连杆体、连杆盖、连杆瓦、连杆衬套、连杆螺栓等 连杆体与连杆盖的定位： 止口定位；锯齿定位；套筒定位； 胀断连杆。
SA型喷油提前器
1-防护罩 2-提前器弹簧 3-传动销 5-传动爪 6-主动盘凸缘 7-传动销 9-飞锤 10-喷油泵凸轮 11-飞锤销 4-主动盘 8-飞锤圆弧面 12-从动盘
当发动机起动或低速时，飞锤的离心力很小，未 能向外张开，提前器弹簧处于完全伸张状态，传动销 3、7紧靠在飞锤圆弧面8的外侧 当发动机的转速升高到一定值时，飞锤克服了提 前器弹簧的压力，以飞锤销11为支点向外张开，迫使 飞锤圆弧面沿传动销向外滑动，压缩弹簧，从而带动 飞锤销11、从动盘12和喷油泵凸轮轴顺喷油泵旋转方 向转过一定角度，使供油提前。转速越高，提前器弹 簧被压缩的越厉害，提前角度越大。
二、机体组、曲柄连杆机构、配气机构
3）曲轴飞轮组：曲轴、主轴瓦、止推片、飞轮、飞轮齿圈等
a.曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动 系统和发动机的配气机构以及其他辅助装臵。 b.曲轴各部分名称：曲轴前端、主轴颈、曲柄臂、曲柄销、平衡重、曲轴后端 等
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二、燃烧噪声：
降低燃烧噪声的措施：控制着火延迟期内混合气的数量（减小喷 油提前角、选用发火性能好的柴油、提高压缩比等）；控制燃烧 速度（采用废气再循环）。
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表4-2 柴油机与汽油机排气污染比较
有害成分 CO HC NOX 碳烟 单位 % ppm ppm g/m3 汽油机 0.6~5 2000 4000 0.005 柴油机 直接喷射式燃烧室 0.05~0.5 500~1000 1500~2000 0.2~0.3 分隔式燃烧室 0.05~0.5 200~300 700~1000 0.1~0.15
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第二节
柴油机混合气的形成与燃烧
一、柴油机混合气的形成
二、柴油机的燃烧过程
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一、柴油机混合气的形成
1.柴油机混合气形成特点： 由于柴油的蒸发性差，采用高混合形成混合气。混合气的形成和燃烧是同时
进行，即边喷油、边雾化、边混合、边燃烧。
要求油束的形状(射程、锥角)与燃烧室形状匹配，保
证混合气形成均匀；采用多孔喷油器，扩大油雾分布空 间；组织一定的空气涡流运动，加速混合气的形成。
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油膜蒸发混合方式
喷油器将大部分柴油喷射到燃烧室壁面上形成油膜，只有小部分 柴油直接喷射到空间，这小部分柴油在空间蒸发、扩散与空气混
合,首先着火，燃烧室温度迅速上升。油膜在强烈的空气涡流作
这一阶段的特点：高温缺氧 补燃期：传热损失增加、发动机过热、 排气温度升高，经济性下降。其终点难 以确定（尤其高速、大负荷工况）。
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第三节
一、排气污染:见表4-2。
柴油机的排气污染与噪声
炭烟生成量多：压缩比高；重质成分多。 CO 、HC和NOX生成量少：过量空气系数较大。 负荷对排气污染影响：负荷增加，排气污染增加。 燃烧室结构对排气污染影响：分隔室式燃烧室排气污染低。
第四章
第一节 第二节 第三节 第四节
柴油机的燃料与燃烧
柴油的使用性能 柴油机混合气的形成与燃烧 柴油机的排气污染与噪声 改善柴油机燃烧过程的措施
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第一节
1.发火性：
2.蒸发性：
柴油的使用性能
3.粘度：
4.凝点：
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柴油的发火性
自燃能力，用十六烷值表示。 十六烷值过高、过低都不好。 车用柴油机：十六烷值40～60。
粘度决定其流动性，影响雾化质量和润滑能力。 粘度大，滤清困难，流动阻力增加，不易雾化。 粘度小，流动性好，容易雾化，但粘度过小使其失 去必要润滑能力，磨损、柴油的露失量增加。
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凝点
凝点：指柴油冷却到开始失去流动性的温度，是评价
柴油低温流动性的指标。
国产轻柴油的牌号以凝点大小编号。如10号轻柴油的 选用柴油时，其凝点要比最低环境温度低3 ～ 5℃。
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燃烧噪声和机械噪声
着火延迟期内形成的混合气在速燃期中几乎同时燃烧，汽缸
压力急剧升高而产生压力波，压力波通过汽缸体、汽缸盖等 向外辐射，产生燃烧噪声。 燃烧产生的压力波也会对缸体、缸盖、活塞、连杆等产生冲 击引起机械振动，产生机械噪声。 产生燃烧噪声的根源： 主要在速燃期，其次是缓燃期，其它对噪声影响不大。
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柴油的蒸发性
柴油蒸发性:用50%、90%、95%馏出温度来评价 50%馏出温度低，轻馏分多，蒸发性好，但其着火性 差。如果此温度过低，使柴油机工作粗暴。 90%、95%馏出温度高，重馏分多，蒸发性差。
因此，要求柴油的50%馏出温度适宜，90%馏出温度 和95%馏出温度应比较低。
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粘度
凝点为10℃。 好的柴油凝点低。
见表4-1。
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轻柴油的选用
牌号 10号 5号 0号 —10号 适用范围 有预热设备的柴油机 气温在8 OC以上地区 气温在4 OC以上地区 气温在—5 OC以上地区
—20号 —35号
—50号
气温在—14 OC以上地区 气温在—29 OC以上地区
气温在—44OC以上地区
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课程内容概述
第一章 发动机原理基础知识 第二章 发动机的换气过程 第三章 汽油机的燃料与燃烧 第四章 柴油机的燃料与燃烧 第五章 燃气发动机的燃料与燃烧 第六章 发动机的特性 第七章 汽车的动力性 第八章 汽车的制动性 第九章 汽车的使用经济性 第十章 汽车的操纵稳定性 第十一章 汽车的舒适性 第十二章 汽车的通过性 第十三章 汽车性能的合理使用
用下，受热蒸发并与空气混合，形成可燃混合气。 与空间雾化混合方式相比，油膜蒸发混合方式形成的混合气要均
匀些；由于分层燃烧，同时燃烧的混合气量少，汽缸压力上升缓
慢，工作柔和，但动力性稍差。
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二、柴油机的燃烧过程
着火延迟期：对燃烧过程影响很大。
速燃期：压力升高率过大，使柴油机工 作粗暴，噪声大，NOX排放量增加；压力 升高率过小，使热效率、动力性下降。 缓燃期：大部分燃料此期间燃烧；
柴油机混合气的形成特点： 一是在汽缸的内部，二是时间短且不均匀。
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一、柴油机混合气的形成
2．柴油机混合气形成方式：
1）空间雾化混合方式：
2）油膜蒸发混合方式：
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空间雾化混合方式
喷油器以一定压力、一定射程和一定雾化质量将柴油喷
入燃烧室并形成油雾，从高温空气中吸热、蒸发、扩散
与空气混合形成可燃混合气。