柴油机可燃混合气
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。
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。
柴油机电控燃油喷射系统技术解析
书山有路勤为径；学海无涯苦作舟
柴油机电控燃油喷射系统技术解析
现在的柴油发动机大多使用了电控喷射系统，与传统的机械喷射系统相比，电控喷射系统可以有效的提高柴油机的动力性和经济性，同时大幅度的降低尾气的污染。
今天我们就来简单说说柴油机电控喷射系统的工作原理和组成结构。
柴油机可燃混合气形成有什幺特点
1．混合空间小、时间短：供油的持续时间只有汽油机的1/20～1/10，只占曲轴转角的15°～35°
2．混合气不均匀，α值变化范围很大：大负荷时喷油量多、α值小、混合气浓；怠速时喷油量少、α值大、混合气稀，α值可达4～6。
3.边喷边燃，成分不断变化。
柴油机燃烧过程
燃烧过程可以分为四个阶段：
备燃期Ⅰ：从燃油喷出（A点）到出现火焰中心（B点）为止。
备燃期特点：
1、首先着火的是浓度合适是地方，火源是位置和数量是不固定的；
2、此时喷入的油量占每循环供油量的30%----40%；
3、备燃期积油量越多，达到一定程度时，一旦燃烧，由于同时着火的油量多，压力升高率过大，冲击性的压力是燃烧噪音加大，工作粗暴，机件磨损加剧。
速燃期Ⅱ：从出现火焰中心（B点）到产生最大压力点（C点）为止。
速燃期特点：
1、活塞正靠近上止点，燃烧几乎在等容下进行；
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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
【学习】第五章柴油机混合气形成和燃烧
fp — 柱塞面积 [ mm ]；
Wp — 柱塞速度 [ ml/degPA ]。
几何供油规律与喷油规律不同。
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供油规律和喷油规律
两产定者生义的差：差 异异 的： 原因：
喷燃供油始的规点可律滞压：后缩单于性位供时油间始内点喷 油喷系泵油统的持内供续产油时生量间压随较力时长波间的的传变播化 关最高系大压。喷油油管速的率弹较性低变形 油曲器喷线喷油的入规形燃律状烧：有室单一内位定的时的燃间变油内化量喷 随时间的变化关系。
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三 气流运动对混合气形成的影响
（一） 气流运动的作用
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（二） 气流运动
1、 进气涡流 使进气气流相对于气缸中心产生一个力，形成涡流。 （1） 切向气道 特点: 气道母线与气缸相切。 优点: 结构简单，气流阻力小 缺点: 涡流强度对进气口位置敏感。 （2） 螺旋气道 特点: 进气道呈螺旋型。 优点: 能产生强烈的进气涡流。 缺点: 工艺要求高，制造、调试难度较高
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50
油 束 射 程m m
(a)
10 0
油 束 射 程m m 50
(b)
2
3
3 .3
3.5 m s
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（四） 喷油规律
单位时间（或曲轴转角）的喷油量随时间（或曲轴转角） 的变化规律。
1 、喷油延迟角 喷油提前角 — 开始喷油 上止点的曲轴转角。 ’ — 上止点 停止喷油的曲轴转角。 喷油延迟角’ — 开始喷油 停止喷油的曲
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二 、喷油泵速度 特性及其校正
（一） 节流作用 1 理论上 （不存在节流） 2 实际上 （存在节流） 所以，实际供油比理
论供油时间长，供油量 大。
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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％。
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（一）可燃混合气的特点
（1） 混合空间小、时间短。
混合气不均匀、燃烧室内过量空气 （2） 系数α值变化范围很大。
可燃混合气的形成和燃烧过程是同时、
（3） 连续、重叠进行的，即边喷射、边混合、边
（4）
燃烧，成分不断变化。
柴油黏度大，不易挥发，必须以雾状喷入。
柴油机可燃混合气
（二）可燃混合气形成方法
图1-5 油膜蒸发混合方式
3. 复合式
柴油机可燃混合气
复合式燃烧室，即空间雾 化混合和油膜蒸发混合二者兼 而有之，低速以前者为主，高 速以后者为主。
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（三）可燃混合气的形成与燃烧过程
可燃混合气的形 成与燃烧大体分为4个 时期，如图1-6所示。
图1-6 可燃混合气的形成与燃烧
柴油机可燃混合气
（3）
经济性好，容易起动。
工作粗暴，燃烧噪声大。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
柴油机可燃混合气
2. 球形油膜燃烧室
1)结构特点
球形油膜燃烧室如 图1-8所示。
图1-8 球形油膜燃烧室
柴油机可燃混合气
（1）球形油膜燃烧室位于活塞顶部 中央，形状大于半个球，与喷油器相对 的位置，开有缺口与球面相切，燃油从 这里顺气流方向喷在室壁上形成油膜。
喷油质量应与燃烧室形 状相适应，形成均匀的混合气。
喷油时刻要准确，混合气形 成的规律应合适。
必须要有足够的空气 量和适当的柴油量。
（五）燃烧室
柴油机可燃混合气
1. ω形燃烧室
1)结构特点
由平的气缸盖底面和活 塞顶内的ω形凹坑及气缸壁组 成，属于直接喷射燃烧室和 空间雾化混合方式。ω形燃烧 室如图1-7所示。
（2）采用强涡流螺旋进气道。
（3）燃烧室底壁较薄，其背 面由来自飞溅和从连杆小头喷油 孔喷出的润滑油加以冷却。
（4）采用单孔喷嘴或双孔喷嘴。
柴油机可燃混合气
2)混合气形成特点
燃油顺气流沿球面切线方向喷入时，约95 （1） %被喷涂均布在室壁上，形成一层薄的油膜，5
%散布在燃烧室空间形成火源，点燃混合气。
（2） 油膜逐层蒸发、逐层卷走、逐层燃 烧，形成燃气涡流。
（4）
喷油压力较高，油耗率较低，能适应
（3）
多种不同着火性能的燃料。
进气管上多安装加热装置，如火焰加热器等。
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3. 预燃室式燃烧室
1)结构特点
预燃室式燃烧室如 图1-9所示。
图1-9 预燃室式燃烧室
柴油机可燃混合气
2)混合气形成特点
（1）使进气产生涡流。 利用弱涡流切向进气道或强 涡流螺旋进气道，可以在进 气冲程中使空气绕气缸轴线 旋转运动，如图1-3所示。
图1-3 进气涡流的产生 （a）切向进气道 （b）螺旋进气道
柴油机可燃混合气
（2）产生挤压涡流。利 用活塞顶部的特殊形状，在压 缩过程中和膨胀冲程开始时， 使空气在燃烧室中产生强烈的 旋转运动，它存在于上止点附 近，持续时间较短，如图1-4 所示。
1. 备燃期
备燃期指从喷油始点A到燃烧始点B之间所对应的曲轴转 角。喷入气缸中的雾状柴油并不能马上着火燃烧，气缸中的气 体温度虽然已高于柴油的自燃点，但柴油的温度不能马上升高 到自燃点，要经过一段时间物理和化学的准备过程。随着柴油 温度升高，少量的柴油分子首先分解，并与空气中的氧分子进 行化学反应，具备着火条件而着火，形成了火源中心，为燃烧 做好了准备。这一时期很短，一般仅为0.000 7~0.003 s。
1. 空间雾化混合方式
1)油雾形成
燃料以高压、高速从喷油器以圆锥形的油束喷出，如 图1-2所示。
喷雾锥角β表示油束的扩散程度，β越大扩散越好。 射程L表示油束的穿透能力。 雾化质量表示油束喷散雾化的程度，喷散的越细、越 均匀，则雾化质量越好。
柴油机可燃混合气
图1-2 油雾的形成
柴油机可燃混合气
2)空气运动促进混合
图1-7 ω形燃烧室
2)混合气形成特点
柴油机可燃混合气
（1） 主要是依靠多孔喷雾(多为4孔)，利用油 束和燃烧室的吻合，在空间形成混合气。
喷孔直径小，多在0.25~0.4 mm， （2） 喷孔轴线夹角为140°~160°,喷油压力较
高，一般为20 MPa左右。
（4）
结构紧凑，热损失小，故热效率高，
（1）利用压缩紊流先预燃。
（2）利用强烈的燃烧涡流，促 使燃料完全燃烧。 （3）对喷油的雾化质量要求不高，可采用不 易堵塞的大直径单孔喷嘴，喷油压力较低 (8~12 MPa），有适应大转速范围和不同着火 性能燃料的能力。 （4）运转平顺，燃烧噪声小，但经济性 较差。热损较大，起动性能差，必须加 装电热塞。
2. 速燃期
柴油机可燃混合气
速燃期指燃烧始点B到气缸产生最大压力点C之间所对 应的曲轴转角。火源中心已经形成，已准备好的混合气迅速 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
图1-4 (a)挤压流动 (b)
A—环形空间
柴油机可燃混合气
2. 油膜蒸发混合方式
油膜蒸发混合方式如图1-5所示，它 是将柴油喷向球形油膜燃烧室的壁面，在 强烈的空气涡流作用下，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，有少量油粒(5%)悬浮在空间， 形成着火源。油膜在空间火源的热能作用 下，逐层蒸发、逐层卷走、逐层燃烧，产 生燃气涡流，其燃烧速度前期慢、后期快 ，燃烧过程加速进行到终点。
4. 后燃期
柴油机可燃混合气
后燃期指从最高温度点D到燃烧终点E为止所对应的曲 轴转角。这一时期，虽然不喷油，但仍有一少部分柴油没有 燃烧，随着活塞下行继续燃烧。后燃期没有明显的界线，有 时甚至延长到排气行程还在燃烧。
柴油机可燃混合气
（四）对混合气形成的要求
（1）
（2）
（4）
（3）
气流的搅动适当， 燃料的物理性能合适。
柴油机可燃混合气
缓燃期指从最高压力点C到最高温度点D为止所对应的 曲轴转角。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，燃烧速度逐 渐减慢，几乎是边喷射边燃烧。但因为气缸中氧气减少，废 气增多，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。
柴油机可燃混合气
4. 涡流室式燃烧室
1)结构特点
涡流室式燃烧室如 图1-10所示。