1、汽車發動機原理第六章 柴油機混合氣的形成與燃燒主要內容第一節 燃料噴射與霧化第二節 柴油機燃燒過程與放熱第三節 混合氣形成與燃燒室第四節 燃燒過程的優化第五節 影響燃燒過程的因素第一節 燃油的噴射與霧化 柴油機使用的燃料是較難揮發而較易自燃的柴油，它的燃燒組織與汽油機相比有著本質的不同。在柴油機的工作過程中，混合氣形成和燃燒是個主要過程，對柴油機的特性影響最大。一、噴油系統 1、作用及要求 作用： 定時、定量并按一定規律向柴油機各缸供給高壓燃油。 要求：在壓縮行程接近終了時，把柴油噴入氣缸，使之與空氣混合成可燃混合氣，并利用空氣壓縮所形成的高溫、高壓使其自行著火燃燒，控制三要素： 1）燃油噴入

2、量）燃油噴入量 2）噴油時間）噴油時間 3）油束的空間形態）油束的空間形態 注意：避免出現異常噴射現象 1）能產生足夠的噴油壓力，以保證燃料良好的霧化混合與燃燒，且燃油油束需與內燃機燃燒室和氣流運動相匹配相匹配，保證油氣混合均勻。（定質定質） 2）對每一個內燃機運轉工況（一定的轉速與負荷組成一個工況），精確控制每循環噴入氣缸的燃油量，且噴油量能隨工況變化而自動變化。在工況不變時，各循環之間的噴油量應當一致。對多缸內燃機而言，各缸的噴油量應當相等。（定量定量） 3）在內燃機所運轉的工況范圍內，盡可能保持最佳的起始噴油時刻、噴油持續時間與噴油規律，以保證良好的燃燒并取得優良的綜合性能。（定時定時）

3、2、噴油系統的工作原理、噴油系統的工作原理直列柱塞式噴油泵燃油供給系直列柱塞式噴油泵燃油供給系1噴油器噴油器 2燃油濾清器燃油濾清器 3直列柱塞式噴油泵直列柱塞式噴油泵 4噴油提前器噴油提前器 5輸油泵輸油泵 6調速器調速器 7油水分離器油水分離器 8油箱油箱 9高壓油管高壓油管 10回油管回油管 11低壓油管低壓油管1. 柱塞式噴油泵供油系統柱塞式噴油泵供油系統 2、噴油泵、噴油泵柱塞式噴油泵柱塞式噴油泵 噴油過程普遍采用柱塞式噴油泵。 柱塞上行，使噴油泵內壓力升高，當壓力升高到一定值時，克服噴油泵上方出油閥彈簧預緊力和高壓油管內的殘余油壓，頂開出油閥，通過高壓油管向噴油器供油。 上行油槽底

4、點過了2點之后，打開回油口，使泵內油壓下降。當泵內油壓小于出油閥彈簧預緊力和高壓油管內的殘余油壓力時，出油閥落座，噴油停止。 下行油槽底點過了2點之后，回油停止，重新進油。4、噴油器、噴油器噴油器的頭部結構噴油器的頭部結構(a) 單孔單孔 (b) 多孔多孔 (c) 標準軸針標準軸針 (d) 節流軸針節流軸針不同噴油嘴的流通特性不同噴油嘴的流通特性 二、噴射與霧化1.噴射過程噴射過程:定義：定義：噴油泵開始供油直至噴油器停止噴 油的過程，整個噴射過程在全負荷 下約占1540曲軸轉角。 噴噴射射過過程程噴射延遲階段噴射延遲階段I：從噴油泵柱塞頂封閉進回油孔的理論供油始點到噴油器針閥開始升起(噴油始

5、點)為止。主噴射階段主噴射階段 ：從噴油始點到噴油器端壓力開始急劇下降為止。噴油結束階段噴油結束階段 ：從噴油器端壓力開始急劇下降針閥完全落座 (噴油終點)為止。噴射過程噴射過程a) 噴油泵端壓力噴油泵端壓力 b) 噴油器端壓力噴油器端壓力 c) 針閥升程針閥升程 （1）噴油延遲階段噴油延遲階段：從噴油泵壓出燃油（供油始點）到噴油器針閥開始抬起（噴油始點）為止，這一階段稱為噴油延遲階段。 當柱塞關閉進油孔后，泵油室內燃油被壓縮，油壓開始升高，直到油壓超過高壓油管中的剩余壓力和出油閥的彈簧壓力時，出油閥抬起，至減壓環帶完全脫離導向孔后，燃油才能進入高壓油管，使泵端油管壓力升高，并以壓力波形式向噴

6、油器端傳播。當傳播到噴油器針閥處的壓力超過針閥的開啟壓力p0時，針閥才打開，將燃油噴入氣缸。從供油始點到噴油始點的時間間隔稱為噴油延遲時間，其相應的曲軸轉角稱噴油延遲角，即噴油延遲角等于供油即噴油延遲角等于供油提前角減去噴油提前角提前角減去噴油提前角。 一般轉速升高，噴油延遲角加大；高壓油管加長，壓力波由泵端到噴油器端的傳播時間增加，噴油延遲角亦加大。供油提前角 柴油機為獲得高的熱效率，要求燃燒在上止點附近完成，噴油需在上止點前某一時刻開始，過早或過遲噴油對燃燒熱效率都有影響。燃油噴入氣缸的時刻到活塞上止點所經歷的曲軸轉角稱為噴油提前角噴油提前角。 供油提前角供油提前角就是噴油泵柱塞關閉進、回

7、油孔開始壓油到柴油機活塞上止點所經歷的曲軸轉角。 通過控制供油提前角的方法來保證噴油提前角，兩者之間的差值是噴油延遲角。噴油延遲角的大小由高壓油管長度、柴油機轉速等參數決定。油管越長、轉速越高，噴油延遲角越大。因此，對于多缸柴油機而言，各缸用高壓油管長度應當一致。 （2）主噴射階段主噴射階段：從噴油始點到噴油器端壓力開始急劇下降時為止，這一階段稱為主噴射階段。 針閥剛開啟時，燃油開始噴入氣缸，噴油器壓力有瞬時下降，隨著柱塞繼續運動，壓力又上升。當柱塞控油斜邊打開回油孔時，最初開度很小，因節流作用，泵端壓力并不立刻下降。隨著柱塞運動，回流孔逐漸開大，泵端壓力急劇下降，出油閥落座。 因出油閥落座過

8、程減壓環帶的減壓作用，使高壓油管壓力迅速下降，并影響到噴油器端的壓力，因此，噴油器端壓力下降較遲。絕大部分燃油是在這一階段噴入氣缸的，其時間長短主要與柱塞有效行程（即柴油機負荷）有關，其次，也受到高壓系統容積、出油閥減壓作用等因素的影響。 （3）滴漏階段滴漏階段：從噴油器端壓力開始急劇下降到針閥完全落座（噴油終點）為止，這一階段稱為滴漏階段。 當噴油器端壓力下降到針閥關閉壓力后，針閥落座，停止噴油。這期間還有少量燃油從噴孔噴出，由于噴油壓力降低噴油壓力降低，燃油霧化不良，故應縮短這一階段。( (一一) )二次噴射二次噴射 噴油器針閥落座以后，在壓力波動的影響下再次升起的噴油現象。由于二次噴射是

9、在燃油壓力較低的情況下噴射的，導致這部分燃油霧化不良，燃燒不完全，碳煙增多，并易引起噴孔積炭堵塞。此外，二次噴射還使整個噴射持續時間拉長，則燃燒過程不能及時進行，造成經濟性下降，零部件過熱等不良后果。二次噴射易發生在高速、大負荷工況。 （二）斷續噴射（二）斷續噴射 由于在某一瞬間噴油泵的供油量小于從噴油器噴出的油量和填充針閥上升空出空間的油量之和，造成針閥在噴射過程中周期性跳動的現象。這時噴油泵端壓力及針閥的運動方向不斷變化，容易導致針閥偶件的磨損。不正常噴射（三）不規則噴射和隔次噴射 供油量過小時，循環噴油量不斷變動，還可能出現有的循環不噴油的現象。不規則噴射和隔次噴射易發生在柴油機怠速工況

10、下，造成怠速運轉不穩定，工作粗暴，并限制了柴油機的最低穩定轉速。（四）滴油現象 在針閥密封正常的情況下，噴射終了時，由于系統內的壓力下降過慢使針閥不能迅速落座，出現仍有燃油流出的現象。這種在噴射終了時流出的燃油速度及壓力都很低，難以霧化，易生成積炭堵塞噴孔。 為了避免出現不正常噴射現象，應盡可能地縮短高壓油管長度，減少高壓容積，以降低壓力波動，減小其影響，并合理選擇噴射系統的參數，如噴油泵柱塞直徑、凸輪廓線、出油閥形式及尺寸、出油閥減壓容積、高壓油管內徑、噴油器噴孔尺寸、針閥開啟壓力等。2.供油規律與噴油規律：供油速率供油速率：單位凸輪軸轉角（或單位時間）由噴油泵供入高壓油路中的燃油量；噴油速

11、率噴油速率：單位凸輪軸轉角（或單位時間）由噴油器噴入燃燒室內的燃油量； 供油規律供油規律：供油速率隨凸輪軸轉角（或時間）的變化關系。 噴油規律噴油規律：噴油速率隨凸輪軸轉角（或時間）的變化關系。差別： 1）始點差別812曲軸轉角； 2）噴油持續時間較供油持續時間長； 3）最大噴油速率較供油速率低，其形狀有明顯畸變，循環噴油量也 低于循環供油量。供油規律和噴油規律供油規律和噴油規律 兩者的差別主要原因：兩者的差別主要原因： 燃油的可壓縮性燃油的可壓縮性：燃油在低壓時可視為不可壓縮流體，但高壓（30200MPa）時必須考慮其可壓縮性。實驗表明，如果開啟噴油壓力為25MPa，則1m長高壓油管（內徑為

12、2mm）中的燃油體積縮減量相當于循環供油量的24%。 壓力波傳播滯后壓力波傳播滯后：盡管壓力波在柴油機中的傳播速度高達1400m/s，但仍會造成明顯的相位差。如1m高壓油管在發動機轉速為3000r/min時，相位差可達10曲軸轉角以上。 壓力波動壓力波動：高壓系統中壓力波的往復反射和疊加會造成噴油規律與供油規律在形狀上的顯著差異。 高壓容積變化高壓容積變化：指高壓油管的彈性變形以及出油閥和針閥兩個彈性系統的影響。由于噴油規律對燃燒放熱規律有直接的影響，因而噴油規律一直是柴油機燃燒和性能優化優化中的重要內容。噴霧特性與霧化質量：噴霧特性與霧化質量：n燃油噴入燃燒室后被粉碎分散為細小微粒的過程，稱

13、為燃油的噴霧或霧化燃油的噴霧或霧化。n將燃油噴射霧化的目的，可以大大增加燃料蒸發的表面積，增加燃料與氧接觸的機會，以達到迅速混合的目的。油束的形成及特性 燃油在噴油泵中被壓縮后，高壓油管的壓力高達20160MPa，速度可達100400m/s，在高度湍流狀態下從噴油器的噴孔噴入燃燒室內。燃油在高速流動中，在與燃燒室內高壓空氣的相對運動中及湍流的作用下，被逐步粉碎分散成直徑為250um的液滴，由大小不同的液滴組成了油束油束。油束的幾何形狀油束的幾何形狀主要包括油束射程油束射程L(又稱貫穿距離)和噴霧錐角噴霧錐角或油束的最大寬度油束的最大寬度B。 噴霧錐角噴霧錐角：噴霧錐角與噴油器結構有很大的關系。

14、對相同的噴油器結構，一般用來標志油束的緊密程度。 大說明油束松散， 小說明油束緊密。 油束射程油束射程L：即油束的貫穿距離，亦稱貫穿力。L大小對燃料在燃燒室中的分布有很大影響。如果燃燒室尺寸小而射程大，就有較多的燃油噴到燃燒室壁上；反之，如果L過小，則燃料不能很好地分布到燃燒室空間，燃燒室中的空氣得不到充分利用。因此，油束射程必須根據混合氣形成方式的不同要求與燃燒室相互配合。 霧化質量霧化質量：表示燃料噴散霧化的程度，一般是指噴散的細度和噴散的均勻度。燃料噴散得越細，越均勻，說明霧化質量越好。噴散細度可以用油束中油粒的最大直徑與平均直徑之差來表示，直徑差越小則噴霧越均勻。同樣也可以用實驗的方法

15、，把油束中的油粒直徑測量出來后，畫成曲線來表示油粒的細度和均勻度。這種曲線叫做霧化特性曲線。a 油束射程油束射程L 并不一定越大越好，這要根據混合氣形成的機理與燃燒室形狀具體分析。L 燃料噴到壁面上多 空間混合氣太稀。L 燃料集中 混合氣分布不均勻，空氣利用。b 噴霧錐角噴霧錐角 反映油束的緊密程度。孔式噴嘴 油束松散，粒細。軸針式噴嘴 油束緊密，粒粗。c 霧化質量（霧化特性）霧化質量（霧化特性） 細微度 油滴平均直徑 細：霧化好均勻度 油滴最大直徑 - 油滴平均直徑勻：霧化好粒細均勻度好，粒粗均勻度差。一般情況下：噴霧錐角過大，貫穿距離會減小；噴霧錐角過小，霧化程度會變差。影響油束特性的因素

16、 （1）噴油器結構：噴油器的結構不同，引起油束形成的內部擾動也不同，從而就產生不同形式的油束。油束要與燃燒系統密切配合，不同的燃燒方式要求不同形式的油束，因而就使用不同結構的噴油器。 （2）噴油壓力：燃油的噴射壓力越大，則燃油噴出的初速度就越大，在噴孔中燃油擾動程度及噴出噴孔后所受到的介質阻力也越大，從而使霧化的細度和均勻度提高，即霧化質量好。 （3）介質反壓力：反壓力增加，使介質密度增大，引起作用在油束上的空氣阻力增加，因此燃料霧化有所改善，噴霧錐角增加，并使射程減小。 （4）噴油泵凸輪外形及轉速：當凸輪形狀較陡或凸輪轉速較高時，均使噴油泵的柱塞供油速度加快。由于噴油器噴孔的節流，燃油不能迅

17、速流出，結果使油管中燃油壓力增加，燃油從噴孔流出的速度也隨之增大，因此霧化變好，油束射程和噴霧錐角均有所增加。第二節 燃燒與放熱燃燒過程的特點 1 高壓噴油在汽缸內部形成可燃混合氣。 2 壓縮自燃。柴油機的燃燒過程可分為四個階段： 1 火落后期(又稱為滯燃期)； 2 急燃期； 3 緩燃期； 4 補燃期 第一個階段，著火延遲階段（滯燃期）著火延遲階段（滯燃期）。在壓縮過程中，氣缸中空氣壓力和溫度不斷升高，燃料的著火溫度因壓力升高不斷下降。在上止點前A點噴油器針閥開啟，向氣缸噴入燃料。這時氣缸中空氣氣溫度達600C,遠遠高于燃料在當時壓力下的自燃溫度，但燃料并不馬上著火，而是稍有落后，即到B點才開

18、始著火燃燒，壓力開始急劇升高，B點相當于氣體壓力曲線與純壓縮曲線分離的地方。從噴油開始（A點）到壓力開始急劇升高時（B點）為止，這一段時間成為著火延遲時期或滯燃期。 滯燃期時間雖短，但對整個燃燒過程影響很大，它直接影響第二個階段的燃燒。 影響著火落后期長短影響著火落后期長短的主要因素是燃燒室內的主要因素是燃燒室內工質的狀態：工質的狀態： 噴油時缸內的溫度和噴油時缸內的溫度和壓力越高，則著火延遲壓力越高，則著火延遲期越短。期越短。柴油的自燃性較好（十柴油的自燃性較好（十六值較高），著火延遲六值較高），著火延遲期較短。期較短。其次因素是燃燒室的形其次因素是燃燒室的形狀和壁溫等。狀和壁溫等。溫度與壓

19、力對著火落后期的影響溫度與壓力對著火落后期的影響 第二個階段，即壓力急劇上升的BC階段，稱為急燃期急燃期。在這一階段中，由于在滯燃期內噴入氣缸的燃料幾乎一起燃燒，而且是在活塞靠近上止點附近、氣缸容積較小的情況下燃燒，因此氣缸中壓力升高特別快。一般用平均壓力升高率p/ 來表示壓力升高的急劇程度。p/ =pc-pB/c-B 壓力升高率決定了柴油機運轉的平穩性。如果壓力升高率太大，則柴油機工作粗暴，運動零件受到很大的沖擊負荷，發動機壽命就會顯著縮短。為了保證柴油機運轉的平穩性，平均壓力升高率不宜超過0.40.6MPa/（CA）。 特點：特點：形成多個火焰中心，持續噴油，即隨噴隨燃。壓力急劇上升，壓力

20、達到最高（有可能達到13MPa以上）。影響影響： 壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機的經濟性和動力性會壓力升高率大，燃燒迅速，柴油機的經濟性和動力性會較好；較好； 壓力升高率過大，則柴油機工作粗暴，燃燒噪音大；同壓力升高率過大，則柴油機工作粗暴，燃燒噪音大；同時運動零件承受較大的沖擊負荷，影響其工作可靠性和使用時運動零件承受較大的沖擊負荷，影響其工作可靠性和使用壽命等。壽命等。 壓力升高率應限制在一定的范圍之內，柴油機的壓力升壓力升高率應限制在一定的范圍之內，柴油機的壓力升高率一般應不大于高率一般應不大于0.40.5 MPa()曲軸。與汽油機相比，曲軸。與汽油機相比，柴油機的柴油機的壓力升高率較大

21、。壓力升高率較大。控制壓力升高率的措施控制壓力升高率的措施減小在著火延遲期內的可燃混合氣的量 縮短著火落后期的時間； 減少著火落后期內噴入的燃油或可能形成可燃混合 氣的燃油（燃料的蒸發混合速度、空氣運動、燃 燒室形狀和燃料霧化特性等多種因素） 第三個階段，從壓力急劇升高的終點（C點）起到壓力開始急劇下降的D點為止，稱為緩燃期緩燃期。這一階段的燃燒是在氣缸容積不斷增加的情況下進行，所以燃燒速度必須很快才能使氣缸壓力稍有上升或幾乎保持不變。有些發動機在緩燃期燃料仍在繼續噴射，如果燃料噴到有氧氣的地方，則此時由于氣缸中溫度很高，化學反應很快，著火延遲很短，噴入燃料很快著火燃燒。但這時如果氧氣滲透不充

22、分，過濃的混合氣也容易裂解形成炭煙。因此，在緩燃期，如何加強空氣運動，加速混合氣形成，對保證在上止點附近迅速而完全地燃燒有重要作用。第三階段結束時，燃氣溫度可高達17002000c，一般在上止點后2035曲軸轉角處出現。 一般要求緩燃期不要過長，否則會使放熱時間加長，循環熱效率下降。即緩燃期不要緩燃，而應越快越好。加快緩燃期燃燒速度的關鍵是加快混合氣形成速率。 由于不可能形成完全均勻的混合氣，所以使柴油機必須在過量空氣系數大于1的條件下工作，保證基本上完全燃燒的最小過量空氣系數的大小隨燃燒室的不同而異。特點：特點：（1）噴油過程基本結束，燃燒速率下降（氧氣、柴油濃度減小，廢氣增多）。（2）壓力

23、開始下降（氣缸容積不斷增大），溫度達到最高。最高溫度可達2000K左右，一般在上止點后2035曲軸轉角處出現。 第四個階段，從緩燃期的終點（D點），到燃料基本完全燃燒時（E點）為止稱為后燃期后燃期。在柴油機中，由于燃燒時間短促，燃料和空氣的混合又不均勻，總有一些燃料不能及時燒完，拖到膨脹線上繼續燃燒。特別是在高速、高負荷時，由于過量空氣少，混合氣形成和燃燒時間更短，后燃現象比較嚴重，有時甚至一直繼續到排氣過程之中。在后燃期，因為活塞在下行。燃料在較低的膨脹比下放熱，所放出的熱量不能有效利用，并增加了散往冷卻水的熱損失，使柴油機經濟性下降。此外，燃料后燃增加活塞組的熱負荷并使排氣溫度升高，所以應

24、盡量減少燃料過后燃燒。 柴油機燃燒時，總體空氣是過量的，只是混合不均勻造成局部缺氧。因此，加強缸內氣體運動，可以加速后燃期的混合氣形成和燃燒速度，而且會使碳煙及不完全燃燒成分加速氧化。 根據燃料和空氣混合氣形成的特點，柴油機燃燒過程又可分為以下兩個階段：預混燃燒階段和擴散燃燒階段。 在預混燃燒階段，放熱速率較快，其大小取決于滯燃期中燃油與空氣的混合數量。在擴散燃燒階段，放熱速率一般比預混燃燒慢，主要是因為這時燃燒放熱速率由空氣和燃料形成可燃混合氣的速率控制。滯燃期對柴油機燃燒過程的影響 從上面對燃燒過程的進展情況分析中已經看出滯燃期是燃燒過程的一個重要參數，滯燃期雖然很短，但對燃燒過程有極大影

25、響，特別是在空間混合氣形成的燃燒系統中影響更大。滯燃期越長，則在滯燃期內噴入燃燒室的燃料就越多，在著火前形成的可燃混合氣就越多。這些燃料在第二階段中幾乎一起燃燒，使壓力升高比和最高燃燒壓力較高，運動零件受到強烈沖擊負荷，發動機運轉粗暴，影響發動機的使用壽命。由于燃燒過程中，最高燃燒壓力和最大壓力升高比隨滯燃期的增加而增加，因此為了能控制燃燒過程、降低柴油機的機械負荷并使之運轉平穩，應該設法縮短滯燃期，但是，若滯燃期極短，又對混合氣形成不利，反過來又使柴油機性能惡化。 影響滯燃期的因素很多，在正常運轉情況下，壓縮溫度和壓力是影響滯燃期的主要因素。此外，噴油提前角、轉速以及燃料性質等對滯燃期也有較

26、大影響。 為了保證有較好的功率和經濟指標，一般希望在上止點前510（CA）開始著火燃燒，以保證燃燒在上止點附近完成。一）一） 燃燒放熱規律的定義燃燒放熱規律的定義 l瞬時放熱速率瞬時放熱速率：在燃燒過程中的某一時刻 ，單位時間(單位曲軸轉角)內燃燒的燃油所放出的熱量。l累計放熱百分比：累計放熱百分比：從燃燒過程開始至某一時刻止已經燃燒的燃油與循環供油量的比值。l燃燒放熱規律：燃燒放熱規律：瞬時放熱速率和累計放熱百分比隨曲軸轉角的變化關系。二、燃燒放熱規律二、燃燒放熱規律 燃燒放熱規律影響到燃燒過程中缸內燃燒放熱規律影響到燃燒過程中缸內壓力溫度的變化進而影響到柴油機的性能。壓力溫度的變化進而影響

27、到柴油機的性能。燃燒放熱規律燃燒放熱規律 （二）理想的燃燒放熱規律及其（二）理想的燃燒放熱規律及其控制控制1. 放熱始點放熱始點 n 放熱始點的位置能保證該循放熱始點的位置能保證該循環有最大指示熱效率。環有最大指示熱效率。n柴油機通過噴油提前角的變柴油機通過噴油提前角的變化以及著火落后期長短來加化以及著火落后期長短來加以調控。以調控。2. 放熱持續期放熱持續期 放熱持續期首先取決于噴油持續角的大小。噴油持續時間放熱持續期首先取決于噴油持續角的大小。噴油持續時間越長則擴散燃燒期越長。其次，取決于擴散燃燒期內混合越長則擴散燃燒期越長。其次，取決于擴散燃燒期內混合氣形成的快慢和完善程度。噴油再快，混

28、合氣形成跟不上氣形成的快慢和完善程度。噴油再快，混合氣形成跟不上也不能縮短燃燒時間，混合氣形成不完善會拖延后燃時間。也不能縮短燃燒時間，混合氣形成不完善會拖延后燃時間。噴油提前角的調節特性噴油提前角的調節特性3. 放熱規律曲線形狀放熱規律曲線形狀 影響放熱規律曲線形狀的因素比較復雜。為了便于定性分析，一般假定四種柴油機簡單的放熱率圖形如右圖所示，并據此計算出各自的示功圖a、b、c、d曲線。圖中，假定四種放熱規律都在上止點開始放熱，放熱總量相同，持續期均為40。曲線a先快后慢的放熱形狀初期放熱多，壓力升高率值最大，最高爆發壓力達8MPa。此時的指示效率為52.9%，是四種方案中的最高值。曲線d先

29、慢后快的放熱形狀則相反，放熱速率前緩后急，壓力升高率和最高爆發壓力最低，指示熱效率最低，為45.4%。這種形狀對降低噪聲、振動和NOx排放有明顯效果。曲線b和c則介于兩者之間。第三節第三節 混合氣形成與燃燒室混合氣形成與燃燒室一、柴油機混合氣形成的特點和方式：1.柴油機的混合氣形成特點： 柴油機在進氣過程中進入燃燒室的是純空氣，在壓縮過程接近終了時柴油才噴入，經過一定準備后即自行著火燃燒。由于柴油機的混合氣形成的時間比汽油機短得多，而且柴油的蒸發性和流動性都較汽油差，使得柴油難以在燃燒前徹底霧化蒸發并與空氣均勻混合，因此，柴油機不得不采用較大的過量空氣系數，才能使燃燒室內的柴油燃燒得比較完全。

30、 2. 混合氣形成基本方式混合氣形成基本方式1、空間霧化混合空間霧化混合 將燃油噴向燃燒室空間燃燒室空間進行霧化，通過燃油與空氣間的相互運動和擴散，在空間形成可燃混合氣的方式稱為空間霧化混合。這時，燃油與空氣的相對運動速度是起主要作用的因素。相對運動速度越高，油粒與空氣的摩擦和碰撞越激烈，分散后的油粒也越細小，混合氣越均勻。混合氣在這一過程中混有尚未蒸發汽化的液態油粒，不完全是氣相的。直噴式柴油機的空間霧化混合氣形成方式直噴式柴油機的空間霧化混合氣形成方式a) 靜止空氣靜止空氣 b) 空氣作旋轉運動空氣作旋轉運動a) 靜止空氣式空間霧化混合 直噴式柴油機中的混合氣形成方式如右圖所示。一種方法是

31、采用多孔噴油器（612孔）以高壓將燃油噴入燃燒室中的靜止空氣中，通過燃油的高度霧化和多個油束均勻覆蓋大部分燃燒室，形成可燃混合氣。混合所需能量主要來源于油束，空氣是被動參與混合的，因而是一種“油找氣”的混合方式。由于不組織進氣渦流，進氣充量較高，但混合氣濃度分布不均勻，在車用高速柴油機中，由于轉速高，燃燒時間短，這種混合方式不能保證迅速和完全的燃燒。b) 空氣作旋轉運動式空間霧化混合 下圖b表示油和氣相互運動的混合氣形成方法。用噴孔較少（35孔）的噴油器將燃油噴到空間中，由于組織進氣渦流，在噴油能量和空氣旋流的同時作用下，油束的擴散范圍急劇擴大。這時，渦流強度與油束的匹配是十分重要的，在理想的

32、渦流強度下，相鄰油束幾乎相接，以使油霧盡可能充滿燃燒室。渦流太弱，油束擴散范圍不夠；渦流過強，上游油束的已燃氣體又會妨礙下游油束前端部的燃燒，這種現象也稱為過強渦流。直噴式柴油機的空間霧化混合氣形成方式直噴式柴油機的空間霧化混合氣形成方式a) 靜止空氣靜止空氣 b) 空氣作旋轉運動空氣作旋轉運動2、 壁面油膜蒸發混合 以球形燃燒室為代表的壁面油膜蒸發混合方式，如右圖。燃油沿壁面順氣流噴射，在強烈的渦流作用下，在燃燒室壁面上形成一層很薄的油膜。在較低速度蒸發，加上噴油油束在空間的少量蒸發，形成少量可燃混合氣。著火后，隨燃燒的進行，油膜受熱逐層加速蒸發，使混合氣形成速度和燃燒速度加速。 這一混合方

33、式中起主要作用的因素是燃燒室壁面溫度、空氣相對運動速度和油膜厚度。混合氣在這一過程中完全是氣相的。油膜蒸發混合方式油膜蒸發混合方式兩種混合方式的對比： 在空間霧化混合中，燃油的噴霧特性對混合起決定性的作用。為提高混合氣形成速度，往往要將燃料盡可能噴得很細，分布均勻。這樣就會使較多的油滴受熱蒸發，在著火延遲期內形成大量的可燃混合氣，造成燃燒初期放熱率過大，壓力急劇升高，工作粗暴，NOx排放高。但如果減小著火延遲期內混合氣生成量，則勢必造成大量燃油在著火后的高溫高壓下蒸發混合，容易因空氣不足而裂解成碳煙。因此，空間霧化混合方式盡管有較高的熱效率，但碳煙、NOx和燃燒噪聲均較高。 油膜蒸發混合的指導

34、思想是利用燃油蒸發速率控制混合氣生成速率，燃燒室壁面溫度和空氣旋流起了主要作用。在噴入燃燒室的燃料量相同的條件下，由于油膜受熱蒸發所需時間要比細小油滴長得多，加上燃燒室壁溫控制較低，使油膜蒸發混合方式在初期生成的混合氣量遠小于空間霧化方式。隨燃燒進行，在高溫和火焰輻射作用下，油膜蒸發加速，使混合氣生成速度加快。另外，大部分燃料是在蒸發后以氣體狀態與空氣或高溫燃氣接觸，可以避免空間霧化混合時常有的液態燃油高溫裂解問題，使碳煙特別是大顆粒碳煙排放降低。二、缸內氣流運動二、缸內氣流運動內燃機缸內氣體運動方式四種氣流運動方式被分別四種氣流運動方式被分別或組合應用于不同的燃燒或組合應用于不同的燃燒系統系

35、統 缸內的渦流運動一直是柴油機混合氣形成的主要手段，根據形成方法不同，渦流又可分為進氣渦流和壓縮渦流。渦流轉速與發動機轉速之比稱為渦流比，作為衡量渦流強度的指標。 進氣渦流 在進氣過程中形成的繞氣缸軸線旋轉的有組織的氣流運動，稱為進氣渦流。所以，進氣渦流需要人為組織的。 內燃機中進氣渦流的產生方法一般有四種: 導氣屏、切向進氣道、螺旋進氣道、組合進氣系統。 導氣屏導氣屏 設置在進氣門上，設置在進氣門上，導引進氣流以不同角導引進氣流以不同角度流入氣缸在氣缸壁度流入氣缸在氣缸壁面的約束配合下產生面的約束配合下產生渦流。渦流。 切向進氣道切向進氣道 螺旋進氣道螺旋進氣道切向氣道、螺旋氣道的原理切向氣

36、道、螺旋氣道的原理a) 切向氣道切向氣道 b) 純螺旋氣道純螺旋氣道組合進氣系統組合進氣系統 在在2個進氣門的發動機上，采用不同類型個進氣門的發動機上，采用不同類型或不同角度的兩個進氣道以組合所需要的渦或不同角度的兩個進氣道以組合所需要的渦流強度和流速分布。流強度和流速分布。 壓縮渦流壓縮渦流 在壓縮過程中由主燃燒室經連通道進入渦流室在壓縮過程中由主燃燒室經連通道進入渦流室時，形成強烈的壓縮渦流。時，形成強烈的壓縮渦流。 2. 擠流擠流 當活塞接近上止點時，氣缸內的空氣被擠入當活塞接近上止點時，氣缸內的空氣被擠入活塞頂部的燃燒室凹坑內，由此產生擠壓渦流活塞頂部的燃燒室凹坑內，由此產生擠壓渦流(

37、擠擠流流)。 當活塞下行時，凹坑內的燃燒氣體又向外流當活塞下行時，凹坑內的燃燒氣體又向外流到活塞頂部外圍的環型空間，與空氣進一步混合到活塞頂部外圍的環型空間，與空氣進一步混合燃燒，這種流動也稱為逆擠流。燃燒，這種流動也稱為逆擠流。擠流的形成擠流的形成 a)無進氣渦流或渦流不強時的擠流無進氣渦流或渦流不強時的擠流 b)進氣渦流強時的擠流進氣渦流強時的擠流 c)逆擠流逆擠流 湍流湍流 在氣缸內形成的無規則的小尺度氣流運動稱為湍流，也稱微渦流。 滾流 在進氣過程中形成的，繞垂直于氣缸軸線的有組織的空氣旋流，也稱為縱渦。 三、柴油機燃燒室三、柴油機燃燒室直接噴射式燃燒室直接噴射式燃燒室非直噴式燃燒室（

38、分開式燃燒室）非直噴式燃燒室（分開式燃燒室）1、直接噴射式燃燒室直接噴射式燃燒室： 1） 淺盆形燃燒室淺盆形燃燒室 2） 形燃燒室形燃燒室 3） 擠流口式燃燒室擠流口式燃燒室 4） 球形燃燒室球形燃燒室 各種直噴式燃燒室形式各種直噴式燃燒室形式a) 淺盆形淺盆形 b) 形形 c) 擠流口形擠流口形 d) 球形球形非回轉體燃燒室非回轉體燃燒室a) 四角形四角形 b) 微渦流微渦流MTCC c) Quardram d) 花瓣形花瓣形5）非回轉體燃燒室）非回轉體燃燒室 、分開式燃燒室、分開式燃燒室。1）渦流室燃燒室）渦流室燃燒室 圖圖5-30 渦流室的形狀渦流室的形狀a)球形球形 b)圓錐形平底圓錐形平底 c) 圓柱形平底圓柱形平底）預燃室燃燒室）預燃室燃燒室 預燃室燃燒室預燃室燃燒室a) 傾斜偏置，單孔道；傾斜偏置，單孔道； b)中央正置，多孔道；中央正置，多孔道； c)側面正置，單孔道側面正置，單孔道 第四節第四節 燃燒過程的優化燃燒過程的優化一、燃燒過程優化的基本原則目標：目標：燃燒更完善、更柔和、損失小、排出更清潔。原則：原則： 1. 油氣燃燒室