第9章 柴油机混合气形成和燃烧
柴油机可燃混合气的形成
柴油机可燃混合气的形成一、前言柴油机是一种利用压燃混合气燃烧的内燃机，与汽油机相比，其燃料为柴油，且没有点火系统。
在柴油机中，可燃混合气的形成过程十分重要，因为它决定了发动机的工作效率和排放物质的产生量。
本文将详细介绍柴油机可燃混合气的形成过程。
二、柴油喷射系统柴油喷射系统是柴油机中实现燃料喷射和混合气形成的关键部件。
其主要由高压泵、喷嘴、压力调节器和喷雾器等组成。
高压泵将柴油加压到高压状态，并通过喷嘴将其喷入气缸中，在高温高压下与空气混合形成可燃混合气。
三、空气滤清器空气滤清器是防止空气中杂质进入发动机的装置。
它通常采用纸质或聚酯纤维等材料制成，可以有效地过滤掉空气中的灰尘、颗粒物和其他污染物质，保证发动机的正常运行。
四、进气道进气道是将空气引入发动机的通道，其内部通常包括空气滤清器、节流门和增压器等部件。
空气首先通过空气滤清器被过滤，然后经过节流门控制进气量，并最终通过增压器增加压力，以提高可燃混合气的密度和温度。
五、喷油嘴喷油嘴是柴油喷射系统中的核心部件之一。
它通过高压泵将柴油喷入气缸中，在高温高压下与空气混合形成可燃混合气。
喷油嘴的结构和工作原理对可燃混合气的形成和燃烧过程有着重要影响。
六、燃料过滤器燃料过滤器是防止柴油中杂质进入发动机的装置。
它通常采用纸质或聚酯纤维等材料制成，可以有效地过滤掉柴油中的杂质和水分，保证发动机的正常运行。
七、可燃混合气的形成过程在柴油机中，可燃混合气的形成过程可以分为以下几个阶段：1. 空气进入气缸：空气首先通过空气滤清器和进气道进入发动机的气缸中。
2. 压缩空气：随着活塞向上运动，空气被压缩并加热。
这使得可燃混合气的密度和温度都得到了提高。
3. 燃油喷射：当活塞接近顶死点时，喷油嘴开始将柴油喷入气缸中。
柴油在高温高压下迅速雾化，并与空气混合形成可燃混合气。
4. 燃烧过程：当柴油与空气混合后，它们会在高温高压下自燃并产生爆发式反应。
这将产生大量的能量，并推动活塞向下运动，从而驱动发动机工作。
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。
柴油机混合气的形成和燃烧
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？
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_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
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。
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
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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： dp/dφ ＝0.2～0.6 (MPa/CA)
最终影响发动机性能的是 喷油规律
异常喷射现象
1.二次喷射
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2.滴油现象
3.断续喷射 4.不规则喷射和隔次喷射
5.气穴和穴蚀
避免异常喷射的方法
缩短高压油管长度
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1表示油粒细而匀；3为粗而匀；2则不均匀
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喷油压力、喷射背压和喷孔直径对喷雾特性的影响
9.2.2 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
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。
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供油速率计算
dqp d PA
•
4
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dp
2
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
•
为几何供油规律
第9章 柴油机的混合气形成及燃烧
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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
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油束的雾化质量指油束中液滴的细度和均匀度
平均粒径、索特粒径和粒径分布
di3 ni SMD di2 ni
粒径分布则既表示了油粒大小又表示了其均匀程度
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燃烧
后燃
放热规律
燃烧放热先缓后急，燃烧持续期 较短
燃烧放热先急后缓，燃烧持续期长
汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
示功图（P-φ）： 柴油机
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汽油机
压缩压力
燃烧压力Pmax
压升率（dP/dφ）：
各自的合理范围 dP/dφ低，NOx和噪声低 放热速率dQb/dφ:
汽油机 Vs 柴油机
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对比 项目
着火
汽油机
点燃， 高温单阶段着火，单点着火 火焰在均质预混合气中有序传 播，燃烧柔和 混合均匀，因而后燃期较短 燃烧放热先缓后急， “等腰三 角形”放热曲线， 噪声振动小，基本不产生碳烟 排放，热效率较低
9.2.1 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
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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 ）
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1、 着火落后期（ φA～φB ）
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9.2
燃油喷射及混合气形成
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发动机性能 受控于燃烧特性 受控于混合气形成 喷油规律 混合气 形成速度 气流运动 燃烧室形状
过程极短 (＜0.5ms)
扩散燃烧速度 着火落后期 dp/dφ
本节从油、气两个方面介绍柴油 机混合气形成过程
线面心的位置，也影响预混合燃烧与扩散燃烧的比例。
9.1.2 合理的燃烧放热规律
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
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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↑
4、后燃期（ φD~φE ）
减小高压容积以减缓压力波动
合理选择喷油系统参数：喷油柱塞直径、凸轮型线、出油
阀结构和尺寸，出油阀减压容积，高压油管内径，喷油器 喷孔尺寸、喷油器开启压力
喷雾特性与雾化质量
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油束射程(又称为贯穿距离)L 喷雾锥角 油束的最大宽度
首先取决于喷油持续角的大小，喷油时间逾长则扩散燃烧期愈
长。 其次也取决于扩散燃烧期内混合气形成的快慢和完善程度。
3.放热率曲线形状
放热率曲线形状决定了前后放热量的比例。
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放热始点和放热持续期不变，形状的变化，既影响放热曲
柴油机
压燃， 低温多阶段着火，多点同时着火 两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧 和扩散燃烧，燃烧较粗暴 混合不均匀，因而后燃期较长 燃烧放热先急后缓，“双峰”放热曲线， 持续期较长（） 热效率高，噪声振动大，易产生碳烟排放
燃烧
后燃 放热 规ห้องสมุดไป่ตู้ 性能
9.1.2 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
初期放热率，柴◣，汽▲
形状，汽单峰，柴双峰
汽油机 Vs 柴油机燃烧特性
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汽油机不同负荷时，随负荷的增 加，燃烧持续期缩短； 柴油机，随负荷增加，燃烧持续 期变长； 由于汽油机在中小负荷时的燃烧 持续期拖长，加之上述放热率形 状的不同，其燃烧放热等容度会 低于柴油机，即汽油机最常用的 中小负荷不是“等容放热”
2、燃油喷射过程（机械式）
（1）喷射延迟阶段
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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 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
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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
持续期—尽可能缩短，一般柴油机＜40～60CA
形状—因性能要求而异
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1.放热始点
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放热始点决定了放热率曲线距压缩上止点的位置，在持续
EQ491汽油机，排量2.5升； 大负荷燃烧持续期略有增加，是因为防 止爆震而推迟点火时刻造成的。
汽油机 Vs 柴油机
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?为什么汽油机燃烧放热呈“单峰”，
?而柴油机燃烧放热呈“双峰”？