第9章 柴油机混合气形成和燃烧

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、燃烧化学发动机（内燃机）燃烧所追求的目标：

高ηe(ηi)

、高Pme（Pmi）、低污染、低噪声振动内燃机燃烧的特点：第9章柴油机的混合气形成及燃烧燃烧过程的高速摄影实例：4º8º12º16º20º24º28º32º40º0º(TDC)火焰特点：多点大面积着火—粗暴“有焰”燃烧—产生碳烟9.1柴油机燃烧过程及其特性分析9.1.1柴油机燃烧过程

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）现象:喷雾及混合+低温多阶段着火，是复杂的物理化学过程；1、着火落后期（φA～φB）着火点的判断方式：

示功图—脱离压缩线的时点高速摄影—出现火焰ROHR—放热率由负变正的拐点柴油机的着火落后期对后续燃烧过程有重要影响。

影响着火落后期的主要因素：

温度、压力、喷油量、雾化特性

2、速燃期（φB~φC）现象大面积多点着火，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）影响dp/dφ的主要因素：

滞燃期中的混合气生成量，与喷油速率、混合速率、滞燃期长短有关燃烧特性参数：

dp/dφ对动力性、ηi

、ηm、NOx、振动噪声有显著影响，一般柴油机：

dp/dφ＝0.2～0.6(MPa/CA)柴油汽油3、缓燃期（φC~φD）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↑，ηi

↓；碳烟和微粒排放↑4、后燃期（φD~φE）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↑

、ηt↓

；减少后燃的基本思路加速混合，以加快燃烧；燃油充分雾化。汽油机Vs柴油机燃烧特性对比项目汽油机柴油机着火点燃，高温单阶段着火，单点着火压燃，低温多阶段着火，多点同时着火燃烧火焰在均质预混合气中有序传播，燃烧柔和两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴后燃混合均匀，因而后燃期较短混合不均匀，因而后燃期较长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）：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:初期放热率，柴◣，汽▲形状，汽单峰，柴双峰

汽油机柴油机

汽油机Vs柴油机燃烧特性汽油机不同负荷时，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”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

?为什么汽油机燃烧放热呈“单峰”，?而柴油机燃烧放热呈“双峰”？汽油机：预混合燃烧柴油机：预混+扩散≈扩散燃烧对比项目汽油机柴油机着火点燃，高温单阶段着火，单点着火压燃，低温多阶段着火，多点同时着火燃烧火焰在均质预混合气中有序传播，燃烧柔和两阶段燃烧，即无序的非均质预混合燃烧和扩散燃烧，燃烧较粗暴后燃混合均匀，因而后燃期较短混合不均匀，因而后燃期较长放热规律燃烧放热先缓后急，“等腰三角形”放热曲线，燃烧放热先急后缓，“双峰”放热曲线，持续期较长（）性能噪声振动小，基本不产生碳烟排放，热效率较低热效率高，噪声振动大，易产生碳烟排放汽油机Vs柴油机放热规律三要素：

放热始点—存在最佳值，一般使Pmax出现在10～15CAATDC

持续期—尽可能缩短，一般柴油机＜40～60CA

形状—因性能要求而异9.1.2合理的燃烧放热规律1.放热始点放热始点决定了放热率曲线距压缩上止点的位置，在持续期和放热率形状不变的前提下，也就决定了放热率中心距上止点的位置。影响：循环热效率、压力升高率、燃烧最大压力2.放热持续期放热持续期的长短，一定程度上是理论循环等压放热预膨胀比ρ值大小的反映。决定循环热效率，有害气体排放。放热持续期原则上越短越好，柴油机一般小于40-60CA.柴油机放热持续期：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。放热始点和放热持续期不变，形状的变化，既影响放热曲线面心的位置，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，取决于实际需要发动机性能受控于燃烧特性

受控于混合气形成本节从油、气两个方面介绍柴油机混合气形成过程扩散燃烧速度着火落后期dp/dφ混合气形成速度气流运动燃烧室形状喷油规律9.2燃油喷射及混合气形成过程极短(＜0.5ms)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

（1）喷射延迟阶段供油提前角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2、燃油喷射过程（机械式）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供油速率计算对于确定的喷油泵，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（7－2）因此也称为几何供油规律注意：看懂图；理解“凸轮工作段”的概念；在右图上如要改变工作段应怎样调整；工作段与柱塞有效行程有什么关系。？为什么会出现两者的差异燃油的可压缩性压力波传播滞后－相位变化压力波反射叠加－形状变化高压油管弹性变形实际发动机中的供油规律与喷油规律对比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

油束射程(又称为贯穿距离)L

喷雾锥角

油束的最大宽度

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

粒径分布则既表示了油粒大小又表示了其均匀程度

1表示油粒细而匀；3为粗而匀；2则不均匀

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（3）进气涡流产生方式：

导气屏：结构简单，强度可调，Ω=0～4，但阻力大，一般用于试验发动机；

切向气道：进气道与气缸切向布置以形成涡流，结构简单，但Ω=1～2；

螺旋气道：以复杂的螺旋气道在进入气缸前形成涡流，结构复杂，但阻力小，Ω=2～4；

组合气道：例如“1切＋1螺”，随工况不同可关闭其中一个气道。一对矛盾：Ω↑，φc↓根据动量守恒的关系，有：Ωc、Ω:

压缩终了时和进气终了时的涡流比D、dk

:

气缸直径、燃烧室凹坑入口直径（4）进气涡流在缸内的发展涡流在缸内发展的两个实例压缩上止点时均达峰值缩口使Ωc明显提高，并保持到上止点后（与理想ROHR有何关系）对柴油机燃烧真正有意义的是Ωc

，

而不是Ω（5）压缩涡流主要指涡流室燃烧室中，气体在压缩过程中由主燃室进入涡流室时产生的涡流（一次涡流），以及相反运动时的涡流（二次涡流）。Ω↑不会引起φc↓，但增加流动损失和散热损失2、挤流压缩时空气被挤入燃烧室凹坑内形成挤流膨胀时燃烧气体冲出凹坑形成逆挤流挤流强度∝dk/D、S0特点：不影响φc和Ω，但强度较弱，作用小于涡流，起辅助作用思考：汽油机中的挤流运动3、湍流（紊流）形成方式：活塞运动自然形成的湍流，较弱且不可控；预燃室中的空气运动（如图，压缩和膨胀均有）；非回转体燃烧室（参见讲义图9-10）；燃烧冲击形成湍流（预燃室的主燃室）

4滚流绕垂直于气缸轴线的有规则的气流运动（与涡流相反），也称纵向涡流近年来开发的混合气形成方式主要用于缸内直喷式汽油机用滚流形成大范围的油气混合滚流被压扁、破碎形成高度湍流强化微混合。滚流缸内滚流的发展柴油机的混合气形成方式1.空间雾化混合：缸内直喷、热混合现象2.壁面油膜蒸发混合1.空间雾化混合空间雾化混合：将燃油喷射到空间进行雾化，通过燃油与空气之间的相对运动和扩散，在空间形成可燃混合气的方式柴油机常用的空间雾化混合方式：1.采用多孔喷油器以高压将燃油喷入燃烧室中的静止空气中。通过多个喷油射束均匀覆盖大部分燃烧室以及高压喷油产生的高度雾化，形成可燃混合气。2.非直喷柴油机，采用两段混合方法。第一阶段预混合，利用压缩涡流和较低压力喷油射速双方的能量，在副燃烧室中并不十分均匀的混合状态下进行着火燃烧。然后，利用高温高压燃烧气体的射流与强扰动作用，在主燃烧室内进行第二阶段的混合于燃烧。2.热混合现象已燃气体的密度比空气小，向心推力将起主要作用，呈向内运动趋势。在旋转的气流中，已燃气体向燃烧室中心运动，而燃料和新鲜空气向外周运动的现象称为热混合现象。2.壁面油膜蒸发混合空间雾化混合油膜蒸发混合1.绝大部分燃料以较高的压力被喷射到燃烧室空间中，散布于空气中2.燃料在空气中呈细小油滴状3.细小油滴以液相与空气混合，形成不均匀混合气（液相混合）4.大量细小油滴受热汽化，在着火延迟期内形成可燃混合气数量多，多点大面积着火5.初期燃烧的放热率很高，以后逐渐变缓1.利用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布到燃烧室壁面上2.燃料在壁面上形成油膜3.油膜蒸发，燃油蒸气与空气混合，形成相对均匀的混合气（气相混合）4.散布在空间的少量燃油，在着火延迟期内形成少量可燃混合气，着火面积较小5.受油膜蒸发速率的影响，燃烧放热率呈前低后高的规律小结：柴油机混合气形成方式本课小结：柴油机燃烧过程分段及特点喷油特性（注意区别喷雾特性）缸内气流运动方式发动机性能受控于燃烧特性

受控于混合气形成扩散燃烧速度着火落后期dp/dφ混合气形成速度气流运动燃烧室形状喷油规律9.2柴油机的燃烧室及其特性9.3柴油机的燃烧室及其特性柴油机燃烧室分类：直喷式（DI,DirectInjection）

燃油直接喷入主燃烧室内进行混合燃烧非直喷式

（IDI,IndirectInjection）

燃油不直接喷入主燃烧室内进行混合燃烧9.3.1直喷式（DI）燃烧室浅盘型深坑型球型特点： 燃烧室凹坑开口大、深度浅（dk/D＝0.72~0.88;dk/h=5~7） 多孔油嘴（6～12孔）、高压喷射 无涡流或弱进气涡流性能： 滞燃期内形成较多混合气，dp/dφ高，NOx、噪声高； 空气利用率差，φa≥1.6；

dp/dφ高，流动及散热损失小，be低，易起动。应用范围： 适用于缸径大（≥140mm）转速低（≤2000r/min）的柴油机。近年，随高压喷射采用，向小缸径拓展。“油找气”方式1、浅盘型燃烧室特点：

dk/D≈0.6;dk/h=1.5～3.5; 较强涡流Ω=1.5～3；有中心凸起，引导涡流，消除流动弱区； 喷孔少（4～6），喷压较高； 形状：ω形、挤流口形、四角形。性能：

空气利用率较高，最小φa＝1.3； 随n提高而涡流强度提高，适于高速；

dp/dφ较浅盆形低，燃烧较柔和。应用范围：

小缸径（≤

φ120mm）高转速柴油机（中、轻、轿车）油气相互运动2、深坑形燃烧室S0影响—

顶隙S0减小，可使：空气集中在燃烧室凹坑内，利用率高；燃油不要分散在S0内，此处混合不好；S0内的燃烧受壁面淬冷，燃烧慢，不完全。因此，所有柴油机燃烧室都应尽量减小S0燃室设计参数对性能的影响

通过改变dk/D、dk/h、Vk/Vc、S0、e1、e2、燃室形状、喷雾贯穿距离、涡流比等，可改变燃烧特性2、深坑形燃烧室2、深坑形燃烧室形状影响：实际中在A形与B形中间，可有多种方案，A燃烧室，有缩口形状，烟度及be明显改善；随喷油推迟，A燃烧室的烟度及be优势更加明显气流运动2、深坑形燃烧室大众捷达柴油机船用柴油机活塞形状影响（续）：作为极端例子：泼金斯的挤流口式燃烧室，初期放热速率明显低于一般直喷式燃烧室。2、深坑形燃烧室四角形燃烧室（非回转体燃烧室）大尺度涡流＋局部微涡流和湍流；解决低速涡流太弱而高速过强的问题局部微涡流，可加速混合燃烧，PM低；问题：难以加工，工艺性差；缩口部热负荷过高易开裂。2、深坑形燃烧室特点：

球形燃烧室，高涡流比（Ω>3） 单孔（或1主1副）喷油嘴，沿壁面顺气流喷油，形成油膜，蒸发混合速度受控于壁温和涡流强度性能：

dp/dφ低，放热率呈前低后高，

NOx低、轻声低烟、空气利用率高，φa

≈1 但难以兼顾所用工况，工艺要求高， 冷起动困难。应用：

60～70年代曾有不少应用，目前已绝迹；

其理论意义重大，相对空间雾化的传统理论是一个创新3、球形燃烧室（M燃烧过程）油膜蒸发混合对比ROHR（M比ω）预混燃烧峰值下降扩散燃烧峰值上升燃烧持续期基本相同（燃烧不拖后）对比示功图（M比ω）dp/dφ下降（NOx和燃烧噪声低）球形燃烧室与ω燃烧室的燃烧特性对比球形燃烧室是由MAN公司的Meurer先生（1956年）发明的，也称M燃烧过程。

9.3.2非直喷式燃烧室主要特征：两个燃烧室（空间）两个燃烧阶段不利用进气涡流IDI预燃室（Pre-combustionChamber）涡流室（SwirlChamber）也称为：分隔式燃烧室主副燃烧室烧室设计：主副室之间有一个或数个孔道相连，压缩气流在预燃室中形成湍流，单孔轴针式喷油器与预燃室轴线重合，低压喷射，容积比Vk/Vc=35~45%；连通道截面比Fk/F=0.3%~0.6%1、预燃室式燃烧室工作过程：（参见右图）压缩过程中，在预燃室内形成湍流，湍流强度高于主室；第一次燃烧在预燃室内的浓混合气气氛中进行，燃烧不完全，dp/dφ小；第二次混合气及燃烧在主燃烧室内稀混合气气氛中进行：浓稀两阶段燃烧＋低dp/dφ＝低NOx（右下图）特点：dp/dφ小，NOx低，空气利用率高，最小φa＝1.3制造工艺成本低，适用高速柴油机。适用：轿车，轻型车，大功率柴油机1、预燃室式燃烧室2、涡流室式燃烧室特点：主副室之间有1个连通道，与副室切向连接，形成压缩涡流，Vk/Vc=50~70%，Fk/F=1%~3.5%，有多种形状（如下图）原理相同性能：对比预燃室式，更适合小型柴油机，转速高，油耗低区别：预燃室式涡流室式--湍流--涡流小结：柴油机混合气形成方式分类：空间雾化混合、壁面油膜蒸发混合1、空间雾化混合

静止或弱旋流场＋多孔高压喷油：

“油找气”，如开式燃烧室

强旋流场＋3～5孔高压喷射：

油气相互运动，如ω燃烧室

热混合作用：在涡流作用下，密度较大的燃油颗粒及空气向外运动，密度较小的废气向内运动，有利于油气混合。热锁现象：当涡流过弱时，离心力过小，燃油颗粒无法被抛向周围，而被“锁定”在中心区域，被废气包围。过涡流（OverSwirl）：当涡流过强时，上游油束的已燃气体会混入下游油束的未燃混合气区域，妨碍混合及燃烧。小结：柴油机混合气形成方式强旋（湍）流场＋低压单孔喷嘴：涡流室和预燃室柴油机，两次混合，对喷油和进气涡流要求低；

但燃烧慢，热效率低。1、空间雾化混合

静止或弱旋流场＋多孔高压喷油：

“油找气”，如开式燃烧室强旋流场＋3～5孔高压喷射：

油气相互运动，如ω燃烧室小结：柴油机混合气形成方式

小插曲—德国人的骄傲：OttoEngineDieselEngineWankelEngineM-Engine全部由德国人发明

小结：柴油机混合气形成方式壁面蒸发控制＋强旋流场：喷射形成壁面油膜，控制初期蒸发速率；随燃烧温度提高，燃油蒸发混合速率加快，形成“前缓后急”的燃烧方式2、油膜蒸发混合

滞燃期空间雾化混合油膜蒸发混合1.绝大部分燃料以较高的压力被喷射到燃烧室空间中，散布于空气中2.燃料在空气中呈细小油滴状3.细小油滴以液相与空气混合，形成不均匀混合气（液相混合）4.大量细小油滴受热汽化，在着火延迟期内形成可燃混合气数量多，多点大面积着火5.初期燃烧的放热率很高，以后逐渐变缓1.利用强烈的空气旋流将大部分燃料涂布到燃烧室壁面上2.燃料在壁面上形成油膜3.油膜蒸发，燃油蒸气与空气混合，形成相对均匀的混合气（气相混合）4.散布在空间的少量燃油，在着火延迟期内形成少量可燃混合气，着火面积较小5.受油膜蒸发速率的影响，燃烧放热率呈前低后高的规律小结：柴油机混合气形成方式常用柴油机燃烧室比较1.燃油经济性：直喷优于非直喷2.排放特性：直喷优于非直喷3.功率密度：非直喷优于直喷4.噪声振动性能：非直喷优于直喷5.制造成本：非直喷低于直喷9.4柴油机的燃烧噪声汽车高速行驶时的噪声，发动机占40%以上。发动机噪声源：1.进排气口和风扇引起的气体噪声2.往复运动和零部件间隙等引起机械噪声3.燃烧过程中压力等参数的急剧变动引起的燃烧噪声1.燃烧噪声的产生机理1)气体动力载荷2）气体高频振动2.主要影响因素压力升高率最高燃烧压力压力升高比零部件自振频率3.降低燃烧噪声的主要措施1）缩短着火落后期2)减少着火落后期内喷油量3）减少着火落后期内形成的可燃混合气量4)推迟喷油时间，可以缩短着火落后期5）提高冷却水温度和进气温度9.5柴油机电子控制燃油喷射系统单体泵；泵喷嘴；电控高压喷射系统。共轨系统泵喷嘴供油系统由于高压油管的物理特性的限值，传统的泵-管-嘴系统所能产生的燃油压力有限，并且油压波动对燃油喷射也有不利影响。泵喷嘴将油泵和油嘴做成一体，取消了高压油管，燃油的喷射压力可以达到1800bar，并缩短了燃油喷射时间，提高了怠速和低负荷燃油喷射的稳定性。泵喷嘴由于在气缸盖上产生很高的压力，对气缸套和气缸盖的刚性要求较高。高压油泵的凸轮离曲轴距离较远，对传动系的刚度要求较高，这限制了泵喷嘴燃油喷射压力的进一步提高。泵喷嘴基本都得电磁控制，因为是高压喷射，对电磁阀要求高。增加了气缸高度，并且对气门特别是4气门布置带来很大困难。泵喷嘴供油系统工作过程泵喷嘴直接安装在气缸盖上，由柴油机上的凸轮轴8驱动。它的喷油始点和终点都由快速启闭的电磁阀5控制。当电电磁阀开启时，泵喷嘴内的油压较低，不足以打开喷油嘴，燃油经回油孔流走。当电