柴油机混合气的形成和燃烧
练习五柴油机混合气的形成与燃烧
五、柴油机混合气的形成与燃烧一、解释术语1、喷油泵速度特性2、供油提前角3、喷油提前角4、滞燃期*5、喷油延迟6、缓燃期喷油规律二、选择题1、柴油机间接喷射式燃烧室类型中包括下面列出的（）A、半开式燃烧室B、开式燃烧室C、统一室燃烧室D、预燃室燃烧室2、传统柴油机的喷油时刻与供油时刻（）。
A、同步B、提前C、滞后D、没有联系3、柴油机的供油始点用（）表示。
A、喷油提前角B、供油提前角C、雾化提前角D、着火提前角4、评价速燃期的重要指标中有（）。
*A、温度升高率B、最大压力出现时刻C、最高温度D、压力升高时刻5、柴油机的理想喷油规律是（）。
A、均匀喷油B、先慢后快C、先快后慢D、先快后慢再快6、下面列出的（）属于柴油机燃烧特点。
A、缺氧B、空气过量C、扩散燃烧D、混合气预先形成7、柴油机混合气形成过程中，存在燃料燃烧、燃料（）、燃料与空气之间的扩散同步进行现象。
A、燃烧B、凝结C、蒸发D、混合8、球形油膜燃烧室属于柴油机（）燃烧室。
A、涡流式B、预燃室C、间接喷射式D、直接喷射式9、柴油机的燃烧方式包括（）。
A、层流火焰传播B、紊流火焰传播C、扩散燃烧D、不规则燃烧10、喷油速率在喷射初期（即滞燃期内）应（）。
A、较大B、较小C、不变D、视情况而定11、下列四个时期对柴油机压力升高率有明显影响的是（）。
A、滞燃期B、速燃期C、缓燃期D、后燃期12、下列四种燃烧室对喷射系统要求最高的是（）。
A、开式燃烧室B、半开式燃烧室C、涡流室燃烧室D、预燃室燃烧室13、下列四种燃烧室面容比最大的是（）。
A、开式燃烧室B、半开式燃烧室C、涡流室燃烧室D、预燃室燃烧室14、为了衡量发动机工作的平稳性，用（）作为速燃期的重要评价指标。
*A、温度升高率B、压力升高率C、最高温度D、最大压力三、填空题1、柴油机燃烧过程是否完善，取决于、和三者的合理配合。
2、油束特性可以用、和三个参数来描述。
3、柴油机燃烧室基本要求是、、和。
汽车发动机原理柴油机混合气形成与燃烧课件
柴油机与汽油机的比 较
燃料不同
汽油机使用汽油作为燃料，而柴油机使用柴油作 为燃料。
燃烧方式不同
汽油机采用点燃式燃烧方式，而柴油机采用压燃 式燃烧方式。
应用范围不同
汽油机主要用于小型车辆和家用轿车等领域，而 柴油机则主要用于大型车辆和重型机械等领域。
02
柴油机混合气形成原理
混合气的概念与形成过程
混合气的概念
混合气是指柴油机燃烧室内，空气与燃油进行均匀混合所形 成的可燃气体。
混合气的形成过程
在柴油机进气过程中，空气通过进气门进入气缸，同时喷油 器在压缩行程中将柴油喷入气缸，燃油在高温高压空气中蒸 发扩散，并与空气混合形成混合气。
燃油喷射过程与特点
燃油喷射过程
在柴油机压缩行程后期，喷油器 定时定量地将柴油喷入气缸，油 雾与空气混合形成可燃混合气。
表面处理优化
对燃烧室表面进行耐磨、耐腐蚀处理，如镀铬、喷涂耐高温材料等， 以提高燃烧室的使用寿命和稳定性。
温度控制优化
采用高效燃烧室温度控制技术，如冷却水套、热防护等，防止燃烧室 过热或局部高温，提高燃烧室的热效率和使用安全性。
提高燃油喷射与混合气形成效率的方法
多阶段燃油喷射 根据发动机的转速和负荷，采用多阶段燃油喷射技术，实 现燃油的分层喷射和分段燃烧，提高燃油利用率和动力输 出。
汽车发动机原理柴油 机混合气形成与燃烧 课件
01
汽车发动机概述
汽车发动机的类型与特点
汽油机
以汽油为燃料，通过点燃式方式进行 燃烧，具有轻便、低噪音、低油耗等 优点，但同时也存在排放污染较高的 问题。
柴油机
以柴油为燃料，通过压燃式方式进行 燃烧，具有高效率、低油耗、低排放 等优点，但同时也存在噪音较大、制 造成本较高等问题。
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。
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第一节 燃油的喷射与雾化
一、喷射系统 （泵－管－嘴）
1、对喷油系统的要求
a.足够高的喷油压力 b.实现所要求的喷油规律，以保证合理的 燃烧放热规律和良好的综合性能 c.保证各种工况下精确供给燃油量及各 缸工作均匀性 d.避免异常喷射现象
2、喷油系统工作原理 （略） 柴油机混合气的形成和燃烧
二、喷射与雾化
喷油压力、喷射背压和喷孔直径对喷雾特性的影响
35MPa 28MPa 22MPa
1MPa 0.5MPa 0.1MPa
0.4mm 0.57mm
0.8mm
喷油压力
喷射背压
柴油机混合气的形成和燃烧
喷孔直径
各种异常喷射简介
多出现在大负荷、高转速
多出现在怠速工况
主要原因：压 力波动
在某些工况（特别是低怠速工况）下，当结构参数匹配不当时，循环供油量不
对于n转/分的发动机，喷油有多快？ 15×60/（n×360）
若高速轿车柴油机，n=4000rpm ,则喷油时间＝0.000625 s !
对于传统的柴油机难以实现的，所以，对电控高速电磁阀的速度
越来越高！
前角
是否喷油泵产生压力喷油器即 即开始喷油？
柴油机混合气的形成和燃烧
3、喷雾特性 与雾化质量
雾化：燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小油滴的过程。
雾化的作用：油滴越细小
增加与周围空气接触的蒸发面积
加速从空气中吸热过程和油滴的汽化过程
喷
20～200MPa
雾 锥
角
有利于混合气的形成
2～50µm
最 大
宽
已雾化
度
100~400m/s
射程（贯穿距离）
柴油机混合气的形成和燃烧
雾化质量的评价:油束中油滴的细度和均 匀度，常用指标有平均粒径、索特粒径（µm） 和粒径分布（略）。
影响油粒直径的因素：
减小喷孔直径：喷孔直径减小趋势 增大喷油压力：压力增大的趋势 增大空气密度：增压 减小燃油粘度、表面张力： 粘度小？
电控柴油机中有燃油温度传感器，就是为了修正 油温变化引柴油起机的混合喷气的油形成特和性燃烧的变化！
二次喷射
高压油管压力波动
柴油机混合气的形成和燃烧
机
械
式
柴
初
油 喷
步射
认系
识统
共 轨
与 电 控
柴
油
喷
射
系
统
的
比
较
柴油机混合气的形成和燃烧
电控高压共轨燃油喷射系统的特点是:喷油定时与喷油量的控制 相互独立，喷油压力和喷油持续期不受发动机负荷和转速的影响； 各缸的喷油压力、喷油量和喷油始点可自由调整，从而实现对喷油 正时、喷油量和喷油速率的最优控 制；喷射压力很高且喷射可靠， 能实现多种喷油规律等。这些特点对实现柴油机高效、清洁、低噪 声的燃烧过程起到了显著的作用。
喷油提前角
开始喷油
压力波：1200～1300m/s 柴油机混合气的形成和燃烧
2、供油规律与喷油规律
单位曲轴转角由喷油泵供 入油管的燃油量 取决于柱塞直径和凸轮几 何尺寸
单位凸轮轴转角由喷油器 喷入燃烧室内的燃油量 主要取决于喷油器的结构特点
比较发现：
原因：
8~10°
1、喷油比供油延迟8~10°
1、燃油的可压缩性
第五章 柴油机混合气形成和燃烧 基本思路
柴油机正常工作燃烧的必要条件
(油 ) 燃油的喷射与雾化要素
揭示柴油机的燃烧与放热过程
燃烧各阶段对动力性、经济性、环保性及噪声的影响
探讨优化的途径
混合气(气形成) 与燃烧
燃油喷射 过程优化
室结构优化 (室) 的完美优化组合
实例：结合柴油机柴油的机混直合气的喷形成和式燃烧高压共轨技术
注意：喷射与雾化是柴油机良好工作的前提
究竟如何评价？
通常用喷油特性和喷雾质量来评价喷油质量。
喷油特性:是指喷油开始时间、喷油持续期、喷油速率变化和喷
油压力。
喷雾质量：是指油束贯穿距离、喷雾锥角和喷雾粒径。
1、喷射过程
喷射过程是指从喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油
的过程（全负荷工况下约占曲周转角的15 ° ～40°）。
油轨有足够的压力响应速度，足 以快速适应柴油机工况的变化要 求.要根据具体的柴油机精确设计 适合的容积和形状的高压共轨管
电控喷油器
产生高压（可调压） 实现高度灵活性的燃油喷射
轿车柴油机的喷油压力柴脉油图机混请合气参的形阅成P和2燃1烧7
发动机转速越高，曲轴旋转越快，在相同的 喷油周期所占的曲轴转角下，喷油时间越短，为 满足大负荷，又必须喷入更多的燃油，因此，就 需要高压供油泵提供更高的喷油压力 ，所以，在 高转速、大负荷时共轨高压油泵应该工作在高压 的脉谱图区域中。
2、喷油持续时间比供油时间长
2、压力波传播滞后
3、最大 喷油速率比供油速率低
3、压力波动
4、形状畸变
4、高压容积变化 柴油机混合气5的、形循成和环燃烧喷油量低于循环供油量
为
什
么 要
蓄压
共
轨
？
共轨管的容积能减弱高压油泵 的供油压力波动和每个喷油 器由喷油过程引起的压力震 荡，但其容积不能太大，以保证
断变动，各循环喷油规律也有差异，这种现象称之为不稳定或不规则喷射。对
于不稳定喷射，测量针阀升程和喷油规律即可加以判定，如针阀开启不足，针阀
的跳动无一定的规律，造成每循环喷油量的变动，即所谓不齐喷射，更为严重的 是有的循环针阀不能开启，产生隔次喷射现象。造成这些现象的原因是高速、大
负荷时，为提高喷油速率而采用高喷射压力，为防止二次喷射又采用了较大的出 油阀减压容积；但在低怠速工况时，循环供油量少，柱塞有效供油行程小，漏油
增多，油压低，加之在高压油路中减压过度，造成高压油路系统残压降低并产生
周期性的波动，从而使循环柴油喷机油混合量气也的形相成应和产燃烧生变化。
正常喷射
高压油管压力波动
柴油机混合气的形成和燃烧
异常喷射的原因
喷嘴本身的参数
燃油供给系统的结构参数：高压 油管的长度 高压容积的大小 出油阀的结构 减压容积等