柴油机混合气形成与燃烧课件

第五章

柴油机混合气的形成和燃烧第五章

柴油机混合气的形成和燃烧2主要内容第一节柴油机混合气的形成第二节柴油机的燃烧过程第三节柴油机混合气形成和燃烧的技术发展第四节不同混合气形成和燃烧过程的比较2主要内容第一节柴油机混合气的形成3背景知识：1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机。3背景知识：1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原445第一节柴油机混合气的形成一、柴油机混合气形成的特点和方式1.混合气形成特点：（1）缸内进行：在压缩行程接近终了时柴油由喷射系统直接喷入燃烧室内。（2）混合时间短：难以形成均匀的混合气，燃烧室内的工质成分随时间和地点而变化。（3）采用较大的过量空气系数：柴油本身粘度大，蒸发性不好。（4）混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧，且混合过程、着火过程和燃烧过程共存。5第一节柴油机混合气的形成一、柴油机混合气形成的特点和方62.混合气形成的基本方式1）空间雾化混合

将燃油喷向燃烧室空间进行雾化，通过燃油与空气间的相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气。相对运动速度越高，混合气越均匀。

采用多孔喷嘴，燃烧完全，经济性好。初期空间分布燃料多，燃烧迅速，工作粗暴。柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：一是燃烧室的结构,二是燃料的喷雾，三是缸内适当的空气运动。62.混合气形成的基本方式柴油机混合气形成靠三方面的相互作72）壁面油膜蒸发混合

空间雾化混合是将燃料喷在燃烧室空间。油膜蒸发型混合：将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜，只有一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速（先缓后急）。采用单、双孔喷嘴，放热先缓后急,工作柔和，噪声小，经济性较好，但冷起动困难。，72）壁面油膜蒸发混合采用单、双孔喷嘴，放热先缓后急,工8

目前多数车用柴油机仍以空间雾化混合为主。8目前多数车用柴油机仍以空间雾化混合为主。91喷油系统油箱

输油泵

滤油器

低压油管

喷油泵

高压油管

喷油器（喷油嘴）多余的油液经溢流阀流回油箱。二燃油的喷射与雾化91喷油系统油箱输油泵滤油器低压油管101喷油泵作用：提高柴油压力，按照发动机的工作顺序、负荷大小，定时、定量地向喷油器输送高压柴油，且各缸供油压力均等。分类：直列柱塞式、转子分配式101喷油泵112喷油器作用：将喷油泵供给的柴油，以一定的压力，呈雾状喷入燃烧室。喷油器有孔式和轴针式两种。112喷油器喷油器有孔式和轴针式两种。12特点：喷孔的位置和方向与燃烧室形状相适应，以保证油雾直接喷射在球形燃烧室壁上；喷射压力较高；喷油头细长，喷孔小，加工精度高。孔式喷油器适用于直接喷射式燃烧室，孔数1～8个，孔径0.2～0.8mm。12特点：孔式喷油器131314喷孔为圆环形狭缝，孔径13mm,喷油压力较低，1214Mpa。轴针式喷射器

用于分隔式燃烧室。特点：不喷油时针阀关闭，使高压油与燃烧室隔开；喷孔较大，便于加工且不易堵塞；针阀在油压达到一定压力时迅速打开，供油停止时又在弹簧作用下立即关闭，没有滴油现象。14喷孔为圆环形狭缝，孔径13mm,喷油压力较低，1214M1515162喷射过程:喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程，整个喷射过程在全负荷下约占15°～40°曲轴转角，喷入油量一般为供油量的30-40%

。

喷射过程I喷射延迟阶段：从喷油泵柱塞顶封闭进回油孔的理论供油始点到喷油器针阀开始升起(喷油始点)为止。Ⅱ主喷射阶段：从喷油始点到喷油器端压力开始急剧下降为止。Ⅲ喷油结束阶段：从喷油器端压力开始急剧下降针阀完全落座(喷油终点)为止。162喷射过程:喷射过程I喷射延迟阶段：从喷油泵柱塞顶封闭173供油规律与喷油规律：供油速率：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；喷油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油器喷入燃烧室内的燃油量；供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。173供油规律与喷油规律：供油速率：单位凸轮轴转角（或单位184喷雾燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小微粒的过程，称为燃油的喷雾或雾化。

将燃油喷射雾化，可以大大增加其表面积，加速混合气形成。184喷雾燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小微粒的过程，称为19油束的几何形状主要包括油束射程L(又称贯穿距离)和喷雾锥角β或油束的最大宽度B。当燃油高速从喷孔喷出(喷出速度为l00一300m／s)便形成如园锥形状的喷注，也称油束。19油束的几何形状主要包括油束射程L(又称贯穿距离)和喷雾锥205不正常喷射二次喷射：主喷射结束针阀落座后，在高压油管内压力波反射作用下，针阀再次升起进行喷油的现象。滴油：在正常喷射结束后，如断油不干脆，仍有少量柴油滴出，称为滴油。断续喷射：进入喷油嘴燃油量不稳定，压力波动引起。不规则喷射和隔次喷射：低速（怠速）时，油压不足，压不开针阀。下一循环时油压聚足，压开针阀喷射。致使怠速运转不稳定。205不正常喷射21二、缸内气流运动内燃机缸内气体运动方式涡流挤流滚流湍流进气涡流压缩涡流21二、缸内气流运动内燃机缸内涡流挤流滚流湍流进气涡流压缩涡22⑴进气涡流：在气缸盖上采用特殊形状的进气道,使空气进入气缸时,形成绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动。产生进气涡流运动的方法有:切向进气道、螺旋进气道、组合进气系统。1.涡流

包括进气涡流和压缩涡流22⑴进气涡流：在气缸盖上采用特殊形状的进气道,使空气进入气231）切向气道形状比较直平，在气门座前强烈收缩，使气流切向进入缸内。

特点：形状简单，流动阻力小，产生涡流强度小，适用于进气涡流强度要求不高的发动机。231）切向气道242）螺旋气道在气门腔里做成螺旋形状，使气流形成一定强度的旋转，在平直气道出口速度分布的基础上增加了一个切向速度。特点：流动阻力小，涡流强度大，适用于高涡流内燃机。但是形状最复杂，结构尺寸及加工精度要求较高，且涡流与流量难于兼顾。242）螺旋气道特点：流动阻力小，涡流强度大，适用于高涡流内253）组合进气系统P115

是指在2个进气门的发动机上，采用不同类型或不同角度的两个进气道以组合所需要的涡流和流速分布。253）组合进气系统P11526⑵压缩涡流：在涡流室式燃烧室中，气体在进气过程中并不产生涡流，而在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡流室时，形成强烈的压缩涡流。虽然这种产生涡流的方式不会使进气阻力增大和进气充量下降，但形成压缩涡流时会伴随着不同程度的能量损失，使循环热效率降低。26⑵压缩涡流：272.挤流在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。

涡流强度较进气涡流小，只起辅助作用。272.挤流在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠28三、柴油机燃烧室2．燃烧室的分类:分隔式和直喷式。1)分隔式燃烧室----主要用于高速柴油机

燃烧室分为主燃烧室和副燃烧室两部分，主燃烧室设在活塞顶部，副燃烧室设在气缸盖上，主副燃烧室用狭窄通道相联通，燃油喷入副燃烧室中。车用柴油机常用的涡流室式燃烧室及预燃室式燃烧室属于分隔式燃烧室。28三、柴油机燃烧室29涡流室式燃烧室

混合气以空间雾化混合为主。一般采用轴针式喷油器。结构特点：副燃烧室是球形的涡流室，容积约占燃烧室总容积的50%~80%，涡流室有切向通道与主燃烧室相通。压缩过程：活塞推进将空气挤进涡流室，形成强烈的、有组织的高速旋转气流燃烧过程：柴油喷入燃烧室中，在涡流的作用下，形成较浓的混合气。部分混合气在涡流室中着火燃烧，已燃和未燃的混合气高速喷入主燃烧室，借助活塞顶部的双涡流凹坑，产生第二次涡流，促使进一步混合燃烧。29涡流室式燃烧室结构特点：副燃烧室是球形的涡流室，容积约30预燃室式燃烧室

结构特点：气缸盖上有预燃室，占燃烧室总容积的1/3，两燃烧室之间由一个或数个细小孔道相连。压缩过程：压缩时空气经孔道节流进入副燃烧室形成紊流运动。燃烧过程：油束大部分喷射在预燃室出口，压缩紊流将一部分小颗粒的燃油吹向预燃室上部，并在那里首先着火。混合气着火后，预燃室中的压力、温度迅速升高。下部已预热的燃油、空气、混合气和火焰一起经过通道高速喷向主燃烧室。在主燃烧室中形成强烈的燃烧紊流，加速燃油的雾化和混合气的形成与燃烧。30预燃室式燃烧室燃烧过程：油束大部分喷射在预燃室出口，压缩312）直接喷射式燃烧室：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的一个统一空间。适用于缸径大于100mm，转速大于3000r/min的柴油机。根据活塞顶部凹坑的深度分类：开式燃烧室、半开式燃烧室。312）直接喷射式燃烧室：32开式燃烧室—浅坑型，如浅盆形或浅ω形燃烧室。进气无涡流，混合气形成方式以空间混合为主。一般采用多孔喷嘴

特点：结构简单，起动性好，经济性好，热负荷低；但α大（1.7~2.2)，工作粗暴，对燃料要求高。32开式燃烧室—浅坑型，如浅盆形或浅ω形燃烧室。33

半开式燃烧室—深坑型，如ω形、球形、复合式燃烧室。①ω型燃烧室混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用多孔喷嘴，并组织一定的进气涡流和挤气涡流，以加速混合气的形成。②球形燃烧室混合气形成：油膜蒸发。一般采用单孔喷嘴，均配有螺旋进气道以产生强进气涡流。33半开式燃烧室—深坑型，如ω形、球形、复合式燃烧室。34复合式（U型）天津大学史绍熙研制。混合气形成方式:空间雾化+油膜蒸发主要特点（1）喷油基本垂直于气流方向，雾化好。（2）采用螺旋进气道，轴针式喷油嘴。（3）低速时，气流弱—

空间分布燃料多，改善了冷起动性和低速性。高速时，气流强—

壁面分布燃料多,工作柔和、平稳，噪声小。气流运动起重要作用。（4）高速性能较差，对增压适应性差。，

34复合式（U型）天津大学史绍熙研制。混合气形35各种燃烧室的比较35各种燃烧室的比较36第二节柴油机的燃烧过程柴油机燃烧过程的特点

1高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。

2通过压缩使燃料自燃。柴油机燃烧的主要研究方向

1喷油雾化

2喷油规律

3气流运动

4燃烧室结构以上几方面配合要好。36第二节柴油机的燃烧过程柴油机燃烧过程的特点37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。柴油机燃烧方式--油滴扩散燃烧37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38

一、燃烧过程柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段.A—喷油开始B—着火开始滞燃期C—最大压力急燃期缓燃期D—最高温度E—燃料燃烧完毕后燃期38一、燃烧过程A—喷油开始B—着火开始滞燃期C—最大压力39供油提前角：喷油泵的出油阀开始升起到活塞运行至上止点曲轴转过的角度称为供油提前角。喷油提前角：喷油器开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。39供油提前角：喷油泵的出油阀开始升起到活塞运行至上止点曲轴40（一）着火延迟期（滞燃期）

从A点到B点---自开始喷油到开始着火的这一段时期。在压缩终点,温度达到450-800℃,大于柴油的自燃温度（330-350℃）,但不会立即着火,进行着火前的准备。

着火延迟期一般着火延迟时间τi≈0.0007-0.003s，对应的曲轴转角称为着火延迟角。40（一）着火延迟期（滞燃期）着火延迟期一般着火延迟时间τ41滞燃期：是控制燃烧过程的关键参数，影响发动机的性能。包含了物理滞燃期和化学滞燃期。着火前的物理化学过程：

物理过程—从开始喷油到形成可燃混合气为止，涉及了燃料的喷射、雾化、分布于燃烧室中、吸热、汽化、扩散、混合、升温等一系列过程。化学过程—燃料的重烃成分裂解为轻烃成分、与氧气反应形成中间物；经冷焰、蓝焰和热诱导期而着火过程。两过程相互重叠交叉进行。41滞燃期：是控制燃烧过程的关键参数，影响发动机的性能。包含42（二）速燃期

速燃期:B点到C点。从开始着火到出现最高压力。

特点：形成多个火焰中心，持续喷油，即随喷随燃。压力急剧上升而达到最高（有可能达到13MPa以上）。速燃期42（二）速燃期

速燃期:B点到C点。从开始着火到出现最高43压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好；压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命等。为此，压力升高率应限制在一定的范围之内：柴油机0.4~0.5MPa／ºCA。

汽油机的压力升高率为0.175~0.25Mpa/ºCA。43压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好；44控制压力升高率的措施：1控制燃烧前期的放热，促进后期放热---减少着火延迟期内喷入的燃油或可能形成可燃混合气的燃油（涡流室式燃烧室）；2缩短着火延迟期。。44控制压力升高率的措施：45

（三）缓燃期缓燃期为图中的CD段，即从最大压力点至最高温度点。当缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧。

缓燃期45（三）缓燃期缓燃期46

（四）补燃期

从最高温度点起到燃油基本烧完时为止称为补燃期，即图中DE段。补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的95％—99％时，可认为补燃期结束。即整个燃烧过程结束。应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。

补燃期46（四）补燃期补燃期47补燃产生的负面影响：在补燃期内，燃料在较低的膨胀比下放热，所放出的热量难于有效地利用，使柴油机零件的热负荷增加，排气温度升高，传给冷却水的热损失也增加，柴油机的经济性下降。所以补燃期应尽可能地缩短。

缩短补燃的措施：加强燃烧室内的气流运动，改善混合气的形成，减少缓燃期内的喷油量，并提高缓燃阶段的燃烧速度，使燃烧尽可能在上止点附近完成。47补燃产生的负面影响：在补燃期内，燃料在较低的膨胀比下放热48二、燃烧放热规律瞬时放热速率：在燃烧过程中的某一时刻，单位时间(单位曲轴转角)内燃烧的燃油所放出的热量。累计放热百分比：从燃烧过程开始至某一时刻止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。燃烧放热规律：瞬时放热速率和累计放热百分比随曲轴转角的变化关系。48二、燃烧放热规律49为了分析评价燃烧过程，必须掌握放热速率随曲轴转角变化的规律。从宏观上分析燃烧组织情况，判断进行的是否完善。分析方法：

1.根据喷油规律求算放热规律；

2.由燃烧规律放热模型预测；

3.从实测示功图计算出放热规律。49为了分析评价燃烧过程，必须掌握放热速率随曲轴转角变化的规50（一）放热规律，划分为三个阶段

阶段—在速燃期内，很小的曲轴转角（3°左右）

，单位曲轴转角的放热量最大；

阶段—放热量约80%，约占40°CA，单位曲轴转角的放热量较大；

阶段—在膨胀过程内，放热量约20%，单位曲轴转角的放热量很小

。50（一）放热规律，划分为三个阶段51（二）燃烧过程三要素1放热开始时刻2放热规律3放热持续时间（二）燃烧放热规律的三要素：燃烧放热的始点、持续期、曲线形状。（三）理想放热规律：在不牺牲热效率的前提下，实现低噪声和低NOx的排放—先缓后急；开始燃烧压力升高比低于0.4MPa，随后燃烧加快，在上止点附近燃烧完毕。51（二）燃烧过程三要素（二）燃烧放热规律的三要素：（三）52三影响燃烧过程的因素1燃油喷射、气流运动和燃烧室形状的配合：三者的良好配合是满意的混合气形成和燃烧过程的基本保证；2负荷：负荷增大，循环供油量增大，混合气浓度加大，单位容积混合气燃烧热增加，缸内温度上升，缩短着火延迟期，降低了工作粗暴。52三影响燃烧过程的因素1燃油喷射、气流运动和燃烧室形状533转速转速升高，散热损失和活塞环的漏气损失减小，压缩终点的温度、压力升高；转速升高也会使喷油压力升高，改善燃油的雾化。因而以秒记的着火延迟期会缩短（以曲轴转角记的延迟期可能缩短、可能延长）。4供、喷油提前角过大，喷油时缸内压力、温度较低，着火延迟期长，导致工作粗暴，过早燃烧还会增加压缩负功，降低柴油机的经济性和动力性；过小，则燃油不能在上止点附近及时燃烧，对柴油机的经济性和动力性也不利。533转速545燃油性质的影响1）燃油的着火性

是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。用十六烷值表示。十六烷值高，着火性好，滞燃期短，ΔP/ΔΦ较小，工作柔和。起动性也好。十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，会产生排气冒烟。车用柴油机的十六烷值，一般为40～50。2）

蒸发性蒸发性要适中，蒸发性过强，工作粗暴。蒸发性差，启动性不好、燃烧不完全。545燃油性质的影响1）燃油的着火性556废气再循环（EGR）废气再循环已在轿车柴油机上得到广泛应用，它是指将一部分已燃废气再次引入到燃烧室参与燃烧。EGR可以由简单的机构来控制，也可以与电控喷射系统相结合，实现更精确、更理想的控制。通过废气再循环降低了燃烧过程中工质的温度，从而降低了NOX的生成。但是EGR也降低了过量空气系数，对完善的、及时的燃烧产生不利，柴油机经济性变差，特别是在高速、高负荷时更是如此。仅在低速、低负荷是才实施EGR。556废气再循环（EGR）5656577压缩比压缩比较大时，压缩终点的温度和压力都较高，使得着火延迟期缩短，发动机工作比较柔和。不同压缩比对着火延迟期的影响如图所示。压缩比的增大还可以提高发动机的经济性，改善启动性。但是，压缩比过高，燃烧最高压力过分增大，曲柄连杆机构会承受过高的负荷，影响发动机的使用寿命。577压缩比压缩比的增大还可以提高发动机的经济性，改善启动588活塞材料的影响铸铁活塞和铝合金活塞相比其温度较高，可以缩短着火延迟期，因此在其他条件相同时，采用铸铁活塞的柴油机工作较柔和。9喷油规律的影响喷油速度随时间而变化的规律。从减轻燃烧粗暴性考虑，理想的喷油规律是先缓后急。喷油延续角不宜过大，以使燃烧过程在上止点附近进行，从而获得良好的性能。588活塞材料的影响59四

燃油喷射的电子控制P130柴油机与汽油机电控喷射的主要差别：汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比（汽油与空气的比例）；柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出的大小，柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。因此，基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制套位置传感器的信号进行反馈修正，确定最佳喷油量的。59四燃油喷射的电子控制柴油机与汽油机电控喷射的主要差别：60电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与巳储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。60电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部61

笨重、噪音大、喷黑烟，令许多人对柴油机的直观印象不佳。其实经过多年的研究和新技术应用，现代柴油机的现状已今非昔比。现代先进的汽车柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压、中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。

第三节柴油机混合气形成和燃烧的技术发展

61笨重、噪音大、喷黑烟，令许多人对62

据权威统计，柴油发动机的需求在不断增加。欧洲的一些典型汽车产品中，有高达90%～95%的配备了柴油发动机。

原因：动力性----如梅塞德斯S级轿车、BMW7系列轿车中均使用了8缸柴油发动机。在8缸汽油发动机无法超过460Nm输出扭矩的情况下，上述两种车型采用了输出扭矩为560Nm的柴油动力。

经济性----某重型货运车辆，其整个车净重达2.5t，10缸柴油发动机百公里油耗为12.2L。环保性----欧洲的环境保护主义者和环保当局对柴油发动机的CO2排量进行了精确的测试，得出了CO2排放量、经过滤后有害颗粒的排放量也较低的结论。62据权威统计，柴油发动机的需求在不断增加。欧洲的一些典型631常规燃油喷射系统的缺陷周期性的燃油喷射使常规燃油喷射系统产生压力波动导致----二次喷油、间歇性喷油现象。二次喷油会导致不完全燃烧，增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。这些现象在燃油压力提高以后更为明显。为了解决柴油机燃油压力波动的缺陷，现代柴油机采用了“共轨”的技术。电控高压共轨燃油喷射系统什么是共轨技术？为什么要采用共轨技术?

631常规燃油喷射系统的缺陷电控高压共轨燃油喷射系统642电控高压共轨（HPCR）燃油喷射系统低压油泵高压油泵

电控单元（ECU）电控喷油器

共轨管（蓄压器）nMe2）系统原理：低压的输油泵将经过滤清的柴油输入高压油泵，高压油再输入共轨管（commonrail),共轨管的压力由传感器传输给电控单元，电控单元根据发动机的实际工况（n、Me)确定并通过溢流阀调节燃油压力。同时，电控单元确定最优的喷油规律并通过电控喷油器将燃油喷入燃烧室。1）系统组成：它主要由电控单元、高压油泵、共轨管(蓄压器)、电控喷油器以及各种传感器等组成。642电控高压共轨（HPCR）燃油喷射系统低压油泵高压油656566HPCR能将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开；由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管（共轨管），通过对共轨管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨压力和电磁阀开启时间的长短。66HPCR能将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开；67HPCR的优点：

a、共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。

b、可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120Mpa～200MPa），可同时控制NOx和微粒（PM）在较小的数值内，以满足排放要求。

c、柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机NOx，又能保证优良的动力性和经济性。

d、由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。67HPCR的优点：

a、共轨系统中的喷油压力柔性可调，对68由于高压共轨系统具有以上的优点，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有：德国ROBERTBOSCH公司的CR系统日本电装公司的ECD-U2系统意大利的FIAT集团的unijet系统英国的DELPHIDIESELSYSTEMS公司的LDCR系统迪尔公司的高压共轨系统等。

68由于高压共轨系统具有以上的优点，现在国内外柴油机的研究机696970简述柴油机混合气形成的两个基本方式和特点。分阶段简述柴油机的燃烧过程。为什么应尽量减少发动机的补燃？简述着火延迟期对柴油机性能的影响。引起柴油机工作粗暴和噪声的原因是什么？如何改善？影响燃烧过程的三要素是什么？什么叫供油提前角和喷油提前角？简述柴油机的不正常喷射现象。简述柴油机燃烧室的分类及适用范围。为什么球型燃烧室的噪声和废气排放污染较低？电控高压共轨（HPCR）燃油喷射系统如何克服了常规燃油喷射的缺陷？思考题70思考题第五章

柴油机混合气的形成和燃烧第五章

柴油机混合气的形成和燃烧72主要内容第一节柴油机混合气的形成第二节柴油机的燃烧过程第三节柴油机混合气形成和燃烧的技术发展第四节不同混合气形成和燃烧过程的比较2主要内容第一节柴油机混合气的形成73背景知识：1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原理，研制出压燃式柴油机。3背景知识：1892年，德国工程师狄塞尔根据定压热功循环原74475第一节柴油机混合气的形成一、柴油机混合气形成的特点和方式1.混合气形成特点：（1）缸内进行：在压缩行程接近终了时柴油由喷射系统直接喷入燃烧室内。（2）混合时间短：难以形成均匀的混合气，燃烧室内的工质成分随时间和地点而变化。（3）采用较大的过量空气系数：柴油本身粘度大，蒸发性不好。（4）混合气在高温、高压下多点自燃着火燃烧，且混合过程、着火过程和燃烧过程共存。5第一节柴油机混合气的形成一、柴油机混合气形成的特点和方762.混合气形成的基本方式1）空间雾化混合

将燃油喷向燃烧室空间进行雾化，通过燃油与空气间的相互运动和扩散，在空间形成可燃混合气。相对运动速度越高，混合气越均匀。

采用多孔喷嘴，燃烧完全，经济性好。初期空间分布燃料多，燃烧迅速，工作粗暴。柴油机混合气形成靠三方面的相互作用：一是燃烧室的结构,二是燃料的喷雾，三是缸内适当的空气运动。62.混合气形成的基本方式柴油机混合气形成靠三方面的相互作772）壁面油膜蒸发混合

空间雾化混合是将燃料喷在燃烧室空间。油膜蒸发型混合：将燃料喷在燃烧室壁面上，使之成为薄薄的一层油膜，只有一小部分燃料分布在燃烧室空间。经燃烧室壁面和燃烧加热，边蒸发，边混合，边燃烧。初期蒸发、燃烧慢，后期蒸发、燃烧迅速（先缓后急）。采用单、双孔喷嘴，放热先缓后急,工作柔和，噪声小，经济性较好，但冷起动困难。，72）壁面油膜蒸发混合采用单、双孔喷嘴，放热先缓后急,工78

目前多数车用柴油机仍以空间雾化混合为主。8目前多数车用柴油机仍以空间雾化混合为主。791喷油系统油箱

输油泵

滤油器

低压油管

喷油泵

高压油管

喷油器（喷油嘴）多余的油液经溢流阀流回油箱。二燃油的喷射与雾化91喷油系统油箱输油泵滤油器低压油管801喷油泵作用：提高柴油压力，按照发动机的工作顺序、负荷大小，定时、定量地向喷油器输送高压柴油，且各缸供油压力均等。分类：直列柱塞式、转子分配式101喷油泵812喷油器作用：将喷油泵供给的柴油，以一定的压力，呈雾状喷入燃烧室。喷油器有孔式和轴针式两种。112喷油器喷油器有孔式和轴针式两种。82特点：喷孔的位置和方向与燃烧室形状相适应，以保证油雾直接喷射在球形燃烧室壁上；喷射压力较高；喷油头细长，喷孔小，加工精度高。孔式喷油器适用于直接喷射式燃烧室，孔数1～8个，孔径0.2～0.8mm。12特点：孔式喷油器831384喷孔为圆环形狭缝，孔径13mm,喷油压力较低，1214Mpa。轴针式喷射器

用于分隔式燃烧室。特点：不喷油时针阀关闭，使高压油与燃烧室隔开；喷孔较大，便于加工且不易堵塞；针阀在油压达到一定压力时迅速打开，供油停止时又在弹簧作用下立即关闭，没有滴油现象。14喷孔为圆环形狭缝，孔径13mm,喷油压力较低，1214M8515862喷射过程:喷油泵开始供油直至喷油器停止喷油的过程，整个喷射过程在全负荷下约占15°～40°曲轴转角，喷入油量一般为供油量的30-40%

。

喷射过程I喷射延迟阶段：从喷油泵柱塞顶封闭进回油孔的理论供油始点到喷油器针阀开始升起(喷油始点)为止。Ⅱ主喷射阶段：从喷油始点到喷油器端压力开始急剧下降为止。Ⅲ喷油结束阶段：从喷油器端压力开始急剧下降针阀完全落座(喷油终点)为止。162喷射过程:喷射过程I喷射延迟阶段：从喷油泵柱塞顶封闭873供油规律与喷油规律：供油速率：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；喷油速率：单位凸轮轴转角（或单位时间）由喷油器喷入燃烧室内的燃油量；供油规律：供油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。喷油规律：喷油速率随凸轮轴转角（或时间）的变化关系。173供油规律与喷油规律：供油速率：单位凸轮轴转角（或单位884喷雾燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小微粒的过程，称为燃油的喷雾或雾化。

将燃油喷射雾化，可以大大增加其表面积，加速混合气形成。184喷雾燃油喷入燃烧室后被粉碎分散为细小微粒的过程，称为89油束的几何形状主要包括油束射程L(又称贯穿距离)和喷雾锥角β或油束的最大宽度B。当燃油高速从喷孔喷出(喷出速度为l00一300m／s)便形成如园锥形状的喷注，也称油束。19油束的几何形状主要包括油束射程L(又称贯穿距离)和喷雾锥905不正常喷射二次喷射：主喷射结束针阀落座后，在高压油管内压力波反射作用下，针阀再次升起进行喷油的现象。滴油：在正常喷射结束后，如断油不干脆，仍有少量柴油滴出，称为滴油。断续喷射：进入喷油嘴燃油量不稳定，压力波动引起。不规则喷射和隔次喷射：低速（怠速）时，油压不足，压不开针阀。下一循环时油压聚足，压开针阀喷射。致使怠速运转不稳定。205不正常喷射91二、缸内气流运动内燃机缸内气体运动方式涡流挤流滚流湍流进气涡流压缩涡流21二、缸内气流运动内燃机缸内涡流挤流滚流湍流进气涡流压缩涡92⑴进气涡流：在气缸盖上采用特殊形状的进气道,使空气进入气缸时,形成绕气缸轴线旋转的有组织的气流运动。产生进气涡流运动的方法有:切向进气道、螺旋进气道、组合进气系统。1.涡流

包括进气涡流和压缩涡流22⑴进气涡流：在气缸盖上采用特殊形状的进气道,使空气进入气931）切向气道形状比较直平，在气门座前强烈收缩，使气流切向进入缸内。

特点：形状简单，流动阻力小，产生涡流强度小，适用于进气涡流强度要求不高的发动机。231）切向气道942）螺旋气道在气门腔里做成螺旋形状，使气流形成一定强度的旋转，在平直气道出口速度分布的基础上增加了一个切向速度。特点：流动阻力小，涡流强度大，适用于高涡流内燃机。但是形状最复杂，结构尺寸及加工精度要求较高，且涡流与流量难于兼顾。242）螺旋气道特点：流动阻力小，涡流强度大，适用于高涡流内953）组合进气系统P115

是指在2个进气门的发动机上，采用不同类型或不同角度的两个进气道以组合所需要的涡流和流速分布。253）组合进气系统P11596⑵压缩涡流：在涡流室式燃烧室中，气体在进气过程中并不产生涡流，而在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡流室时，形成强烈的压缩涡流。虽然这种产生涡流的方式不会使进气阻力增大和进气充量下降，但形成压缩涡流时会伴随着不同程度的能量损失，使循环热效率降低。26⑵压缩涡流：972.挤流在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。

涡流强度较进气涡流小，只起辅助作用。272.挤流在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠98三、柴油机燃烧室2．燃烧室的分类:分隔式和直喷式。1)分隔式燃烧室----主要用于高速柴油机

燃烧室分为主燃烧室和副燃烧室两部分，主燃烧室设在活塞顶部，副燃烧室设在气缸盖上，主副燃烧室用狭窄通道相联通，燃油喷入副燃烧室中。车用柴油机常用的涡流室式燃烧室及预燃室式燃烧室属于分隔式燃烧室。28三、柴油机燃烧室99涡流室式燃烧室

混合气以空间雾化混合为主。一般采用轴针式喷油器。结构特点：副燃烧室是球形的涡流室，容积约占燃烧室总容积的50%~80%，涡流室有切向通道与主燃烧室相通。压缩过程：活塞推进将空气挤进涡流室，形成强烈的、有组织的高速旋转气流燃烧过程：柴油喷入燃烧室中，在涡流的作用下，形成较浓的混合气。部分混合气在涡流室中着火燃烧，已燃和未燃的混合气高速喷入主燃烧室，借助活塞顶部的双涡流凹坑，产生第二次涡流，促使进一步混合燃烧。29涡流室式燃烧室结构特点：副燃烧室是球形的涡流室，容积约100预燃室式燃烧室

结构特点：气缸盖上有预燃室，占燃烧室总容积的1/3，两燃烧室之间由一个或数个细小孔道相连。压缩过程：压缩时空气经孔道节流进入副燃烧室形成紊流运动。燃烧过程：油束大部分喷射在预燃室出口，压缩紊流将一部分小颗粒的燃油吹向预燃室上部，并在那里首先着火。混合气着火后，预燃室中的压力、温度迅速升高。下部已预热的燃油、空气、混合气和火焰一起经过通道高速喷向主燃烧室。在主燃烧室中形成强烈的燃烧紊流，加速燃油的雾化和混合气的形成与燃烧。30预燃室式燃烧室燃烧过程：油束大部分喷射在预燃室出口，压缩1012）直接喷射式燃烧室：燃油直接喷入由活塞顶和缸盖形成的一个统一空间。适用于缸径大于100mm，转速大于3000r/min的柴油机。根据活塞顶部凹坑的深度分类：开式燃烧室、半开式燃烧室。312）直接喷射式燃烧室：102开式燃烧室—浅坑型，如浅盆形或浅ω形燃烧室。进气无涡流，混合气形成方式以空间混合为主。一般采用多孔喷嘴

特点：结构简单，起动性好，经济性好，热负荷低；但α大（1.7~2.2)，工作粗暴，对燃料要求高。32开式燃烧室—浅坑型，如浅盆形或浅ω形燃烧室。103

半开式燃烧室—深坑型，如ω形、球形、复合式燃烧室。①ω型燃烧室混合气形成：空间雾化混合为主。一般采用多孔喷嘴，并组织一定的进气涡流和挤气涡流，以加速混合气的形成。②球形燃烧室混合气形成：油膜蒸发。一般采用单孔喷嘴，均配有螺旋进气道以产生强进气涡流。33半开式燃烧室—深坑型，如ω形、球形、复合式燃烧室。104复合式（U型）天津大学史绍熙研制。混合气形成方式:空间雾化+油膜蒸发主要特点（1）喷油基本垂直于气流方向，雾化好。（2）采用螺旋进气道，轴针式喷油嘴。（3）低速时，气流弱—

空间分布燃料多，改善了冷起动性和低速性。高速时，气流强—

壁面分布燃料多,工作柔和、平稳，噪声小。气流运动起重要作用。（4）高速性能较差，对增压适应性差。，

34复合式（U型）天津大学史绍熙研制。混合气形105各种燃烧室的比较35各种燃烧室的比较106第二节柴油机的燃烧过程柴油机燃烧过程的特点

1高压喷油在汽缸内部形成可燃混合气。

2通过压缩使燃料自燃。柴油机燃烧的主要研究方向

1喷油雾化

2喷油规律

3气流运动

4燃烧室结构以上几方面配合要好。36第二节柴油机的燃烧过程柴油机燃烧过程的特点107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。柴油机燃烧方式--油滴扩散燃烧37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108

一、燃烧过程柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段.A—喷油开始B—着火开始滞燃期C—最大压力急燃期缓燃期D—最高温度E—燃料燃烧完毕后燃期38一、燃烧过程A—喷油开始B—着火开始滞燃期C—最大压力109供油提前角：喷油泵的出油阀开始升起到活塞运行至上止点曲轴转过的角度称为供油提前角。喷油提前角：喷油器开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。39供油提前角：喷油泵的出油阀开始升起到活塞运行至上止点曲轴110（一）着火延迟期（滞燃期）

从A点到B点---自开始喷油到开始着火的这一段时期。在压缩终点,温度达到450-800℃,大于柴油的自燃温度（330-350℃）,但不会立即着火,进行着火前的准备。

着火延迟期一般着火延迟时间τi≈0.0007-0.003s，对应的曲轴转角称为着火延迟角。40（一）着火延迟期（滞燃期）着火延迟期一般着火延迟时间τ111滞燃期：是控制燃烧过程的关键参数，影响发动机的性能。包含了物理滞燃期和化学滞燃期。着火前的物理化学过程：

物理过程—从开始喷油到形成可燃混合气为止，涉及了燃料的喷射、雾化、分布于燃烧室中、吸热、汽化、扩散、混合、升温等一系列过程。化学过程—燃料的重烃成分裂解为轻烃成分、与氧气反应形成中间物；经冷焰、蓝焰和热诱导期而着火过程。两过程相互重叠交叉进行。41滞燃期：是控制燃烧过程的关键参数，影响发动机的性能。包含112（二）速燃期

速燃期:B点到C点。从开始着火到出现最高压力。

特点：形成多个火焰中心，持续喷油，即随喷随燃。压力急剧上升而达到最高（有可能达到13MPa以上）。速燃期42（二）速燃期

速燃期:B点到C点。从开始着火到出现最高113压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好；压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命等。为此，压力升高率应限制在一定的范围之内：柴油机0.4~0.5MPa／ºCA。

汽油机的压力升高率为0.175~0.25Mpa/ºCA。43压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好；114控制压力升高率的措施：1控制燃烧前期的放热，促进后期放热---减少着火延迟期内喷入的燃油或可能形成可燃混合气的燃油（涡流室式燃烧室）；2缩短着火延迟期。。44控制压力升高率的措施：115

（三）缓燃期缓燃期为图中的CD段，即从最大压力点至最高温度点。当缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧。

缓燃期45（三）缓燃期缓燃期116

（四）补燃期

从最高温度点起到燃油基本烧完时为止称为补燃期，即图中DE段。补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的95％—99％时，可认为补燃期结束。即整个燃烧过程结束。应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。

补燃期46（四）补燃期补燃期117补燃产生的负面影响：在补燃期内，燃料在较低的膨胀比下放热，所放出的热量难于有效地利用，使柴油机零件的热负荷增加，排气温度升高，传给冷却水的热损失也增加，柴油机的经济性下降。所以补燃期应尽可能地缩短。

缩短补燃的措施：加强燃烧室内的气流运动，改善混合气的形成，减少缓燃期内的喷油量，并提高缓燃阶段的燃烧速度，使燃烧尽可能在上止点附近完成。47补燃产生的负面影响：在补燃期内，燃料在较低的膨胀比下放热118二、燃烧放热规律瞬时放热速率：在燃烧过程中的某一时刻，单位时间(单位曲轴转角)内燃烧的燃油所放出的热量。累计放热百分比：从燃烧过程开始至某一时刻止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。燃烧放热规律：瞬时放热速率和累计放热百分比随曲轴转角的变化关系。48二、燃烧放热规律119为了分析评价燃烧过程，必须掌握放热速率随曲轴转角变化的规律。从宏观上分析燃烧组织情况，判断进行的是否完善。分析方法：

1.根据喷油规律求算放热规律；

2.由燃烧规律放热模型预测；

3.从实测示功图计算出放热规律。49为了分析评价燃烧过程，必须掌握放热速率随曲轴转角变化的规120（一）放热规律，划分为三个阶段

阶段—在速燃期内，很小的曲轴转角（3°左右）

，单位曲轴转角的放热量最大；

阶段—放热量约80%，约占40°CA，单位曲轴转角的放热量较大；

阶段—在膨胀过程内，放热量约20%，单位曲轴转角的放热量很小

。50（一）放热规律，划分为三个阶段121（二）燃烧过程三要素1放热开始时刻2放热规律3放热持续时间（二）燃烧放热规律的三要素：燃烧放热的始点、持续期、曲线形状。（三）理想放热规律：在不牺牲热效率的前提下，实现低噪声和低NOx的排放—先缓后急；开始燃烧压力升高比低于0.4MPa，随后燃烧加快，在上止点附近燃烧完毕。51（二）燃烧过程三要素（二）燃烧放热规律的三要素：（三）122三影响燃烧过程的因素1燃油喷射、气流运动和燃烧室形状的配合：三者的良好配合是满意的混合气形成和燃烧过程的基本保证；2负荷：负荷增大，循环供油量增大，混合气浓度加大，单位容积混合气燃烧热增加，缸内温度上升，缩短着火延迟期，降低了工作粗暴。52三影响燃烧过程的因素1燃油喷射、气流运动和燃烧室形状1233转速转速升高，散热损失和活塞环的漏气损失减小，压缩终点的温度、压力升高；转速升高也会使喷油压力升高，改善燃油的雾化。因而以秒记的着火延迟期会缩短（以曲轴转角记的延迟期可能缩短、可能延长）。4供、喷油提前角过大，喷油时缸内压力、温度较低，着火延迟期长，导致工作粗暴，过早燃烧还会增加压缩负功，降低柴油机的经济性和动力性；过小，则燃油不能在上止点附近及时燃烧，对柴油机的经济性和动力性也不利。533转速1245燃油性质的影响1）燃油的着火性

是指柴油喷入汽缸后能否迅速着火燃烧的能力。用十六烷值表示。十六烷值高，着火性好，滞燃期短，ΔP/ΔΦ较小，工作柔和。起动性也好。十六烷值过高，使燃油来不及混合就燃烧，会产生排气冒烟。车用柴油机的十六烷值，一般为40～50。2）

蒸发性蒸发性要适中，蒸发性过强，工作粗暴。蒸发性差，启动性不好、燃烧不完全。545燃油性质的影响1）燃油的着火性1256废气再循环（EGR）废气再循环已在轿车柴油机上得到广泛应用，它是指将一部分已燃废气再次引入到燃烧室参与燃烧。EGR可以由简单的机构来控制，也可以与电控喷射系统相结合，实现更精确、更理想的控制。通过废气再循环降低了燃烧过程中工质的温度，从而降低了NOX的生成。但是EGR也降低了过量空气系数，对完善的、及时的燃烧产生不利，柴油机经济性变差，特别是在高速、高负荷时更是如此。仅在低速、低负荷是才实施EGR。556废气再循环（EGR）126561277压缩比压缩比较大时，压缩终点的温度和压力都较高，使得着火延迟期缩短，发动机工作比较柔和。不同压缩比对着火延迟期的影响如图所示。压缩比的增大还可以提高发动机的经济性，改善启动性。但是，压缩比过高，燃烧最高压力过分增大，曲柄连杆机构会承受过高的负荷，影响发动机的使用寿命。577压缩比压缩比的增大还可以提高发动机的经济性，改善启动1288活塞材料的影响铸铁活塞和铝合金活塞相比其温度较高，可以缩短着火延迟期，因此在其他条件相同时，采用铸铁活塞的柴油机工作较柔和。9喷油规律的影响喷油速度随时间而变化的规律。从减轻燃烧粗暴性考虑，理想的喷油规律是先缓后急。喷油延续角不宜过大，以使燃烧过程在上止点附近进行，从而获得良好的性能。588活塞材料的影响129四

燃油喷射的电子控制P130柴油机与汽油机电控喷射的主要差别：汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比（汽油与空气的比例）；柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出的大小，柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。因此，基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制套位置传感器的信号进行反馈修正，确定最佳喷油量的。59四燃油喷射的电子控制柴油机与汽油机电控喷射的主要差别：130电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器