第五章柴油机混合气的形成与燃烧

柴油机－低温多级自燃

t1 阶段－混合阶段在压缩过程终了时，燃料喷入汽缸内形成可燃混合

气。燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。混合阶段，为着火做准备。

t2 阶段－第一级反应燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，

火焰就会出现。经过 t1时间后，反应加剧，出现冷火焰，缸内压力超过压缩压力。在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。要求混合气较浓， = 0.4 ～ 0.5 。

t3 阶段－第二级反应温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中

心，出现蓝火焰。混合气稀得多，略小于 1。

柴油机－低温多级自燃

t1+t2+t3 时间后－第三级反应活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发

生爆炸，出现热火焰。混合气更稀， 1 。t1+t2+t3 －着火延迟期

一、燃烧过程

1) 燃烧过程概述着火延迟期

速燃期

缓燃期

补燃期

燃烧过程

人为划分四个阶段：A-B 段为滞燃期B-C 段为速燃期C-D 段为缓燃期D-E 段为补燃期

1 、燃烧过程概述

着火延迟 :从燃油开始喷入燃烧室内 (A 点 )至由于开始燃烧而引起压力升高使压力脱离压缩线开始急剧上升 (B点 )。

特点：温度越高、压力越高、柴油十六烷值越高着火延迟期越短。时间一般为： 0.0003 ～ 0.0007 秒。

速燃 :从压力脱离压缩线开始急剧上升 (B点 )至达到最大压力 (C点 )。

特点：速燃期内，在着火延迟期内准备好的混合气几乎同时开始燃烧，使燃烧室内的压力、温度急剧上升。燃浇室内的最大压力 (又称为最大爆发压力 )有可能达到 13MPa 以上。

汽油机的爆燃现象就是终端混合气的自燃现象 , 它与柴油机的工作粗暴性 , 在燃烧本质上是一致的 , 均是可燃混合气自燃的结果。但两者发生的部位不一致。

柴油机工作粗暴发生在急燃期的始点 .

燃烧过程


缓燃期 : 从最大压力点（ c 点）到最高温度点 D点）。

特点：一般喷射过程在缓燃期都已结束、随着燃烧过程的进行。空气逐渐减少而燃烧产物不断增多，燃烧的进行也渐趋缓慢。柴油机燃烧室内的最高温度可达 2000K 左右，一般在上止点后 20° ～ 35° 曲轴转角处出现。

由于不可能形成完全均匀的混合气，所以使柴油机必须在过量空气系数次 α>1 的条件下工作，保证基本完全燃烧的最小空气过量系数的大小随燃烧室的不同而异，在分隔室燃烧室中最小可达 1.2 左右。与汽油机相比，柴油机的空气利用率较低，这也是其升功率和比重量的指标比汽油机差的主要原因。

燃烧过程


补燃 : 从最高温度点 (D 点 ) 至燃油基本燃烧完(E 点 ) 。补燃期内燃油的燃烧可称为后燃，由于燃烧时间短促，混合气又不太均匀，总有少量燃油拖延到膨胀过程中继续燃烧。特别在高速、高负荷工况下，因过量空气系数小，混合气形成和燃烧的时间更短．这种后燃现象就更为严重。

2)燃烧放热规律瞬时放热速率：是指在燃烧过程中的某一时刻，单位时间内 (或 1° 曲轴转角内 ) 燃烧的燃油所放出的热量。

累积放热百分比：是指从燃烧过程开始至某一时刻为止已经燃烧的燃油与循环供油量的比值。

瞬时放热速率和累积放热百分比随曲轴转角的变化关系，称为燃烧放热规律

燃烧过程

２、燃烧放热规律燃烧过程

燃烧起点

燃烧放热规律曲线形状

燃烧持续时间

燃烧放热规律三要素

２、燃烧放热规律

　　　一般来说，较理想的燃烧放热规律要求有一合适的燃烧起点，同时燃烧应该是先缓后急。在开始放热阶段，不希望燃烧放热速率上升得过快，以降低压力升高率，使柴油机的工作粗暴得到控制；然后燃烧应加速进行，使绝大部分燃油在尽可能靠近上止点处完成燃烧，以提高经济性。燃烧持续时间不宜过长。

3)柴油机的有害排放物和噪声振动(1) 有害排放柴油机的主要排放物包括：微粒（ PM ）、氮氧化

合物 (NOX) 、一氧化碳 (CO) 、碳氢化合物 (HC) 。其中主要的是氮氧化合物和微粒。

柴油机排气的黑烟、白烟与蓝烟。

燃烧过程

３、柴油机的有害排放物和噪声振动

　　黑烟：主要在柴油机大负荷和加速时产生，主要因为燃烧室内缺氧，燃烧不充分而产生的。

　　白烟与蓝烟是柴油机冷起动后怠速或低负荷下暖机过程中产生，由于燃烧室内工质温度低，燃油不能完全蒸发燃烧，未燃烧或部分氧化的燃油以液态微粒的形式随废气排出，冷凝形成白烟与蓝烟，白烟与蓝烟主要区别是白烟的微粒直径较大。

(2) 柴油机的噪声与振动人可听频率范围为 20Hz～ 20000Hz，噪声的频率就

在这一范围中。现代城市中的交通噪声是环境噪声的主要部分，可高达城市噪声的 75％左右，这里又以汽车为主，汽车的主要噪声源是发动机和轮胎（尤其在高速行驶时）。

燃烧过程

动力噪声

机械噪声

燃烧噪声

柴油机噪声

３、柴油机的有害排放物和噪声振动燃烧过程

a 、柴油机噪声分类

ｂ、噪声的度量与分析（一）声压、声功率和声强


　　　当声波在弹性介质中运动时，使介质中的压力在稳定压力 P附近增加或减小，这个压力的变化量，成为声压，它表示某一声波作用在单位面积上的压力大小。单位时（ Pa）。

　声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声压大小，即：

( )P

W Wt

燃烧过程

　声强是单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积上的能量，通常用 I表示，其单位是瓦 /米 2 （ W/m2 ），即：

2( / )W

I W mS


　式中 S－声波的作用面积（ m2）。　　基准声压所对应的声强为 10 － 12W/m2，称为听阀声强；痛阀声强声压所对应的声强为 1W/m2，称为痛阀声强。

（二）声压级、声功率级和声强级　　　声学中普遍使用对数标度来度量声压、声强、和声功率等噪声的客观量度，称为声压级、声强级和声功率级，单位表示为分贝（ dB ）。

　　　声压级定义为：

燃烧过程

0

20lg ( )p

PL dB

p


　　式中 P 为待测声压； P0=2×10-5Pa ，即基准声压（听阀声压）。听阀声压级为 0dB, 而痛阀的声压级为 120dB.

　　声强级定义为：

0

10lg ( )i

IL dB

I

燃烧过程

　式中， I为待测声强 ;I0=10-12w/m2,即听阀强。听阀的声级为 0 dB ，而痛阀的声强级为 120dB 。声功率级定义为 :

0

10lg ( )W

WL dB

W


　式中， W为待测声功率 ;W0=10-12W，是基准值。　在大多数噪声测量现场，噪声源往往不止一个，噪声的声级的合成与分解是经常遇到的问题。应注意的是，声级的单位分贝 (dB) 是对数单位，因此声级的求和求差不能按一般的自然数直接进行运算，而应按照叠加的关系进行运算。计算方法在此不加讨论。

（三）响度和响度级　　　实践证明，人耳对声音的感觉不仅与声压级有关，

而且还与频率有关。两个声压相等的声音给人耳的感觉有可能不一样。例如空气压缩机和小轿车的噪声声级都90dB ，但就人耳的感觉而言，前者的高频噪声要比后者的低频率噪声响的多。这就说明声音的响亮程度是由声压级和频率两个因素决定的。响度级就是一个能把声压级和频率用一个概念统一起来的量，单位是方 (phon) 。

燃烧过程


　　　用响度级表示声音的大小，可以直接推算出声响增加或降低的百分数，如某声源经声学处理后，响度级降低 10方，则相当与响度降低 50%; 响度级降低 20方，相当于响度降低 75%; 响度级降低 30方，相当于响度降低 87.5%等等。显然，用响度级表示声音的变化是很直观的。

燃烧过程


　　　　　　从图可以看出，人耳最敏感的频率范围是从图可以看出，人耳最敏感的频率范围是 20002000 ～～5000Hz5000Hz 。频率最低时，声压级最高，也不一定能听到。。频率最低时，声压级最高，也不一定能听到。

　　　响度与响度级的关系是：　　　响度与响度级的关系是：　　　　　　　　　　　　　　　　

燃烧过程

40

102 ( )pL

N

宋即：响度级为即：响度级为 4040方时，其响度级为方时，其响度级为 11宋。宋。

（四）计权声级　　声级计是测量声音强弱的仪器，声级计的“输入”是声音的客观存在的物理量度一声压和频率，而它的“输出”不仅要求是对数关系的声压级，而且应该是符合人耳特性的主观量度一响度级。然而声压级没有反映出频率的影响，它具有平直的频率响应。为使声级计的输出


　符合人耳的听觉特性，应通过一套电学的滤波器网络，对某些频率成分进行衰减，这种特殊的滤波期叫计权网络。通过计权网络测得的声压级，已不在是客观物理量的声压级，而是经过听感修正的声压级，叫做计权声级。

　　　通常，声级计设有 A, B, C 三种计权网络，它能对不同频率的声音信号进行不同程度的衰减。 A计权网络是效仿 40方等响曲线而设计，其特点是对低频和中频声有较大的衰减，即测量仪器对高频敏感，对低频不敏感，这与人耳对声音的感觉比较接近 ;B计权网络是仿效 70方等响曲线，使被测的声音通过时，对低频段有一定的衰减 ;C计权网络是仿效 100方等响曲线，任何频率段都没有衰减，可用 C计权网络测得的读数代表总声压级。

燃烧过程


c 、噪声控制 ( 一 )、被动控制 :消声控制、隔声控制 ( 二 )、主动控制 :降低声源的振动能量一、吸声技术 1 、吸声材料的分类和吸声特性 1 ）吸声材料的分类在噪声控制工程设计中，常用吸声材料和吸声结构来降低室内噪声，尤其在体积较大，混响时间较长的室内空间，应用相当普遍。吸声材料按其吸声机理来分类，可以分成多孔性吸声材料及共振吸声结构两大类。

燃烧过程


多孔吸声材料多孔性吸声材料的内部有许多微小细孔直通材料表面，或其内部有许多相互连通的气泡，具有一定的通气性能。多孔吸声材料的种类很多，我国目前生产的大体可分为四大类。

（ 1）无机纤维材料，如玻璃棉、岩面及其制品。（ 2 ）有机纤维材料，如棉麻植物纤维及木质纤维制品 (软质纤维板、木丝板等 )。

（ 3 ）泡沫材料，如泡沫塑料和泡沫玻璃、泡沫混凝土等

（ 4 ）吸声建筑材料，如膨胀珍珠岩、微孔吸声砖等。

燃烧过程


共振吸声结构由于共振作用，在系统共振频率附近对入射声

能具有较大的吸收作用的结构，称为共振吸声结构。常见的有穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声结构、薄板和薄膜吸声结构等。

2）吸声系数及其测量（ 1）吸声系数吸声系数定义为材料吸收的声能与入射到材料上

的总声能之比，可用吸声系数来描述吸声材料或吸声结构的吸声特性 .计算公式为 :

燃烧过程

1i r

i i

E E Er

E E


式中 : 一入射声能 ; 一被材料或结构吸收的声能 ; Er一被材料或结构反射的声能 ; r一反射系数。由上公式可见，当入射声波被完全反射时， a =0，表示无吸声作用 ;当入射声波完全没有被反射时， a=l，表示完全吸收。一般的材料或结构的吸声系数在 0-1之间，值越大，表示吸声性能越好，它是卧前表征吸声性能最常用的参数。为了表示方便，有时还用中心频率 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 六个倍频程的吸声系数的平均值，称为平均吸声系数 a 。各种吸声材料的吸声系数的大小可查阅相关手册。

燃烧过程

iEE


（ 2）多孔吸声材料多孔吸声材料是目前应用最为厂一泛的吸声材料。

最初的多孔吸声材料是以麻、棉、毛发、甘蔗渣等天然动植物纤维为主，目前则以玻璃棉、矿渣棉等无机纤维替代。这些材料可以为松散的，也可以加工成棉絮状或采用适当的粘结剂加工成毡状或板状。

a 、多孔吸声材料的吸声原理多孔材料内部具有无数细微孔隙，孔隙间彼此相通，且通过表面与外界相通，当声波入射到材料表面时，一部分在材料表面上反射，一部分则透入到材料内部向一前传播。在传播过程中，引起孔隙中的空气运动，与形成孔壁的固体筋络发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而耗散掉。声波在刚性壁面反射后，经过材料回到其表面时，一部分声

燃烧过程


波透回空气中，一部分又反射回材料内部，声波的这种反复传播的过程，就是能量不断转化耗散的过程，如此反复，直到平衡，这样，材料就吸收了部分声音。

由此可见，只有材料的孔隙对表面开口，孔孔相连，且孔隙深入材料内部，才能有效地吸收声能。有些材料内部虽然也有许多微小气孔，但气孔密闭，彼此不相通，当声波入射到材料表面时，很难进入到材料内部，只是使材料作整体振动，其吸声机理和吸声特性与多孔材料不同，不应作为多孔吸声材料来考虑。如聚笨和部分聚氯乙烯泡沫塑料，内部虽然有大量气孔，但多数气孔为单个闭孔，互不相通，它们可以作为隔热材料，但不能作为吸声材料。开孔是吸声材料的基本构造 (见图 )。

燃烧过程


在实际工作中，为防止松散的多孔材料飞散，常用透声织物缝制成袋，再内充吸声材料，为保持固定的几何形状并防止对材料的机械损伤，可在材料间加筋条 (龙骨 ) ，材料外表面加穿孔护面板，制成多孔吸声结构。

（ 3）共振动吸声结构 a 、薄膜与薄板共振吸声结构薄膜或薄板可与背后封闭的空气形成共振系统。共振频率由单位面积薄膜或薄板的质量、薄膜或薄板后空气层厚度决定。其共振频率可按下式计算 :

燃烧过程

20

00 0

1 600

2

cf

M L M L


式中 :M—膜的单位面积质量， kg/m2; L—膜与刚性壁之间空气层的厚度， cm。薄膜吸声结构的共振频率通常在 200-1000Hz 范围，

最大吸声系数约为 0.3-0.4 ，一般把它作为中频范围的吸声材料。当薄膜作为多孔材料的面层时，结构的吸声特性取决于膜和多孔材料的种类以及安装方法。一般说来，在整个频率范围内吸声吸数比没有多孔材料只用薄膜时普遍提高。

实用中薄板厚度常取 3-6mm，空气层厚度一般取3-10cm，共振频率约在 80-300Hz,故通常用于低频率吸声。

常用的薄膜、薄板结构的吸声系数可查阅相关手册。

燃烧过程


b、穿孔板共振吸声结构

燃烧过程

在板材上，以一定的孔径和穿孔率打上孔，背后留有一定厚度的空气层，就成为穿孔板共振吸声结构，见上图。这种吸声结构可以看作是由许多单腔共振吸声结构并联而成。其共振频率是 :

0 2 ( )

c Pf

L t


式中 :c一声速， m/s; L一板后空气层厚度， m; t 一板厚， m; s一孔口末端修正量， m; P 一穿孔率，即穿孔面积与总面积之比。由上式可知，板的穿孔面积越大，吸声频率越高 ;

空腔越深或板越厚，吸声的频率越低。一般穿孔板吸声结构主要用于吸收低中频噪声的峰值。吸声系数约为 0.4-0.7 。工程上一般取板厚 2-5mm，孔径 2-4mm，穿孔率 1%-10%，空腔深 (即板后空气层厚度 ) 以 10-25cm为宜。尺寸超过以上范围，多有不良影响，例如穿孔率在 20%以上时，几乎没有共振吸声作用，而仅仅成为护面板了。

燃烧过程


在确定穿孔板共振吸声结构的主要尺寸后，可根据主要尺寸查阅手册，选择近似或相近结构的吸声系数，再按实际需要的减噪量，计算应铺设吸声结构的面积。由于穿孔板自身的声阻很小，这种结构的吸声频带较窄，如在穿孔板背后填充一些多孔的材料或敷上声阻较大的纺织物等材料，便可改进其吸声特征。填充吸声材料时，可以把空腔填满，也可以只填一部分，关键在于控制适当的声阻率。下图是填充多孔材料前后吸声特性的比较。由下图可见，填充多孔材料后，不仅提高了穿孔板的吸声系数，而且展宽了有效吸声频带宽度。为扩展吸声频带，还可以采用不同穿孔率、不同腔深的多孔板吸声结构的组合。

燃烧过程


(1)背后空气层内填充 50 厚玻璃棉吸声材料 (2)背后空气层内填充 25 厚玻璃棉吸声材料 (3)背后空气层50 ，不填吸声材料 (4)背后空气层25 ，不填吸声材料


二、隔声技术隔声是在噪声控制中最常用的技术之一。声波在空气中传播时，使声能在传播途径中受到阻挡而不能直接通过的措施，称为隔声。隔声的具体形式有隔声墙、隔声罩、隔声间等。

1 、隔声墙隔声技术中，常把板状或墙状的隔声构件称为隔板或隔墙，简称墙。仅有一层隔板的称单层墙 ;有两层或多层，层间有空气或其它材料的，称为双层墙或多层墙。

通过理论计算可以推出，对于一般的固体材料，如砖墙、木板、钢板、玻璃等单层隔声材料，隔声量为 :TL 20 lgmf-42.5 ，其中， m是指单位面积

燃烧过程


们墙体的质量， f是指声波的频率。这就是关于隔声的质量定律。它表明， m和 f 每增加 1倍，隔声量都增加 6dB 。

由质量定律可知，增加墙的厚度，从而可增加单位面积的质量，即可增加隔声量，但是仅依靠增加墙的厚度来提高隔声量是不经济的，在这种情况下通常采用双层墙。例如，单层墙的隔声量为 30 dB ，如果隔墙厚度增加一倍时，隔声量为 36dB ，即提高了 6dB.如果作为完全分离的双层墙，在理想的情况下，总隔声量可达 60dB 。当然，在实际上双层墙相互不可能离的很远，中间空气层的祸合作用必须加以考虑，因此总隔声量并不是两层墙板隔声量的简叠加。但作为实用的双层墙，即使是 10cm厚的空气层，也大致能使隔声量增加 8-12dB 。如果达到与单层墙同样的隔声量，则双层墙的总重量仅为单层墙的三分之一左右。

燃烧过程


有时，把多层结构组成一个整体，成为一种复合墙，比较切合实用要求。从整体来说，它可看成是单层复合墙板。为了提高复合板的隔声效果，一般地说，应遵照下列设计原则 :

①相邻两层材料间声阻抗之比尽可能大些，使界面上的声反射系数提高，从而可以提高隔声效果。

②对于双层复合板，宜使其中一层较为柔顺，并具有较大的损耗因子，可用来减弱弯曲振动，使临界频率以上隔声量提高。另一层具有足够大的刚性和强度，使能满足机械性能上的要求。

③对于多层复合板，宜采用“夹心”结构，即在外层用刚性较好、强度较大的薄层材料，在心层采用柔软的厚层吸声或阻尼材料。

燃烧过程


2 、隔声罩隔声罩是噪声控制中常被采用的设备，用它把声源封闭在罩内，以减少向周围的声辐射。隔声罩的技术措施简单，降噪效果好，在噪声控制工程中广为应用，在设计和选用隔声罩时应注意以下几个方面 :

①罩壁必须有足够的隔声量，且为了便于制造安装维修，宜采用 0. 5-2mm厚的钢板或铝板等轻薄密实的材料制作。

②用钢板或铝板等轻薄型材料作罩壁时，须在壁面上加筋，涂贴阻尼层，以抑制与减弱共振和吻合效应的产生。

③罩体与声源设备及其机座之间不能有钢性接触，以避免形成“声桥”，导致隔声量降低。

燃烧过程


④隔声罩周围要采取减振和密封措施。 ⑤罩内要加吸声处理，使用多孔松散材料时，应有

较牢固的护面层。 ⑥罩壳形状恰当，尽量少用方形平行罩壁，以防止仗内空气声的驻波效应，同时，罩壁与设备之间应留有较大的空间，一般为设备所占空间的 1/3 以上。

三、隔振技术及阻尼减振声波起源于物体的振动，物体的振动除了向周围

空间辐射在空气中传播的声 ( 称“空气声” )外，还通过与其相连的固体结构传播声波，简称“固体声”，固体声在传播的过程中又会向周围空气辐射噪声，特别是引起物体共振时，会辐射很强的噪声。

燃烧过程


对于振动的控制应从以下两个方面采取措施 : 一是对振动源进行改进以减弱振动强度 ;二是在振动传播途径上采取隔振措施，或用阻尼材料消耗振动的能量并减弱振动向空间的辐射。从而直接或间接地使噪声降低。隔振措施是在振动部件和基础之间安装隔振器或隔振材料，使振动部件和基础之间的刚性联结变成弹性支撑。工程中广泛使用的有钢弹簧、橡胶、玻璃棉粘、软木和空气弹簧等。它们的隔振特点见下表 :

燃烧过程


有很多噪声是因为金属薄板受激发振动而产生，金属薄板本身阻尼很小，而声辐射效率很高。降低这种振动和噪声，普遍采用的方法是在金属薄板构件上喷涂或粘贴一层高内阻的粘弹性材料，如沥青、橡胶或高分子材料。当金属板振动时，由于阻尼作用，一部分振动能量转变为热能，而使振动和噪声降低。

柴油机振动的危害发动机的振动会危害到发动机的使用寿命，造成

缸套和活塞受到冲击，曲轴、凸轮轴断裂，传动齿轮磨损等。

（ 3）噪声与振动的控制措施 a 、控制燃烧过程来降低燃烧噪声；

燃烧过程


b、改进机体等有关零部件，提高刚度，降低结构振动的振幅和提高共振频率；

c 、减小各部件间的间隙，为减小惯性力，降低活塞平均速度；

d、采用吸振减振材料制造零件；e、改进消音器结构材料，改进空气滤清器、风扇的设计，以降低气体动力噪声；

f、遮屏蔽噪声源，破坏噪声传播途径。

燃烧过程

二、燃油喷射和雾化

1 ）供油系统和喷射过程概述（ 1）供油系分类

工作原

理

柱塞式泵供油系统

分配泵式供油系统

PT燃油系统

柴油机供油系统

1 、供油系统和喷射过程概述

a 、柱塞泵供油系统柱塞泵供油系统使用最广，包含三套偶件（针阀偶件、柱塞、出油阀偶件），最大喷射压力较高。泵喷嘴是柱塞式供油系统的变型。

b、分配泵供油系统分配泵供油系统结构紧凑，体积小，质量轻，供

油压力稍低。以旋转形式供油。 c 、 PT供油系统 PT供油系统是美国专利技术，我国已引进专利生

产，高压产生在喷嘴，而没有高压泵。（ 2）供油系统组成油箱、输油泵、滤清器、喷油泵、喷油器、调整器、供油提前角装置。喷油器、喷油泵、高压油管组成高压油路，称喷射系统。

燃油喷射和雾化

1 、供油系统和喷射过程概述燃油喷射和雾化


a 、喷油泵作用：喷油泵作用是定时、定量地经高压油管向各

缸地喷油器周期性供给高压油。分类：常见的有直列式和分配式两种类型。直列式喷油泵：以柱塞行程、泵缸中心距和

结构待征为基础成为系列，每个系列可以改变柱塞直径和缸数，以适应不同柴油机的需要。

分配式喷油泵：应用于轿车和轻型车中，具有结构紧凑，体积小，质量轻，工作转速高，但难达到较高的供油压力，对燃油的质量要求较高。

b、喷油器作用：喷油器作用是将喷油泵供给地高压油喷入

柴油机的燃烧室，使燃油雾化成微细的油粒，并按一定要求分布在燃烧室内。



分类：分为孔式喷油器和轴针式喷油器。



孔式喷油器孔式喷油器用于直喷式燃烧室中，喷孔的数目、直径及角度与具体的燃烧室形状和空气运动等因素有关。同一喷油器各喷孔直径及角度也不一定相同。较小的喷孔，一方面易引起积炭堵塞等故障，另一方面对加工要求高．难度增大，最小孔径目前可达 0.15mm.


高压油腔


轴针式喷油器轴针式喷油器用于分隔式燃烧室中，针阀喷孔头部的轴针有圆锥体和圆柱体等不同的形状，轴针在喷孔内上下运动 (其间的环状间隙约为 0.05 ～ 0.25mm) ，可起到自洁作用。


轴针高压油腔

受压锥面


（ 3）喷油泵速度特性及其校正喷油泵油量控制机构位置固定，循环供

油量随喷油泵转速变化的关系称为喷油泵速度特性。


柱塞套

柱塞

进油孔


齿杆式油量调节机构拨叉拉杆式油量调节机构


油孔节流作用：对于柱塞式喷油泵，当喷油泵柱塞向上运动中柱塞上端面还未完全关闭油孔时，由于流通截面很小而时间极短，被柱塞挤压的燃油来不及通过油孔流出，泵油就已经开始，结果使出油阀相对提早开启；同样，在油孔刚刚开启时，柱塞上部的燃油不能立即通过油孔流出，使出油阀相对滞后关闭，这就是油孔处的节流作用。

a、喷油泵速度特性通过油孔流出，使出油阀相对滞后关闭，这就是

油孔处的节流作用。转速越高，油孔处节流作用的影响也越大，因此，一段随着转速的上升，循环供油量呈略有增大的趋势 (AB 和 CD 段 )。



b、喷油泵速度校正喷油泵所固有的速度特性通常并不理想，特别对于车用柴油机，因此需要对其进行必要的校正。在较高的转速范围内，一般柴油机的充气效率随转速的上


升而下降，而循环供油量随转速的上升而增大，使空气量与供油量不相匹配。

若在低速 n1固定供油量，则会造成高速供油量过多 (图中的 AB 段 )，使柴油机燃烧不完全而冒黑烟若在高速 n2下固定供油量，则会造成低速供油量不足( 图中的 CD段 )，使柴油机的潜力得不到充分发挥。

通过校正可以得到较理想的喷油泵速度特性 (图中的 AD 段 ) 。这样也将有利于提高车用柴油机适应阻力变化的能力，得到较理想的转矩特性。

（ 4）燃油喷射过程喷射过程是指从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工况下约占 15 ～40 度曲轴转角。喷射过程分为三个阶段：喷射延迟阶段、主喷射阶段和喷射结束阶段。



喷射延迟阶段该阶段从喷油泵上的出油阀开始升起 (供油始点 )

到喷油器的针阀开始升起 ( 喷油始点 ) 为止。出油阀升起后，受压缩的燃油进入高压油管，使喷油泵端的压力上升，压力波以声速 (约 1400m／ s)沿高压油管向喷油器端传播。当传播到喷油器端的压力超过针阀开启压力 (又称喷射压力 )时，针阀即升起，开始喷油。

主喷射阶段该阶段从喷油始点到喷油器端的压力开始急剧下降

为止。在针阀升起过程中，由于针阀上升让出容积以及一部分燃油喷入燃烧室内，喷油器端的压力有一短暂下降。当油孔刚刚开启时，最初因开度小有节流作用，喷油泵端压力并不立即下降；随着油孔逐渐打开，并由于出油阀落座过程中出油阀减压容积的作用，压力才急剧下降。由于压力波传播的原因，喷油器端压力的下降有一滞后。


喷射结束阶段该阶段从喷油器端的压力开始急剧下降到喷油器的针阀完全落座停止喷油为止。这一阶段内还有少量燃油从喷孔喷出。由于压力下降，燃油雾化变差，故应尽可能地缩短这一阶段，即喷射过程的结束应干脆迅速。

（ 5）供油规律和喷油规律供油规律：单位时间内（或 1 度喷油泵凸轮轴转

角）喷油泵供油量随时间（或喷油泵凸轮转角）的变化关系。它纯粹是由喷油泵柱塞的几何尺寸和运动规律确定的。

喷油规律：喷油规律则是单位时间内喷油器喷入燃烧室内的燃油量随时间的变化关系。



（ 6）不正常喷射现象和喷射系统中的穴蚀破坏喷射系统内的压力高变化快，在高速和强化

程度高时尤为突出，产生了出现一些不正常喷射现象的可能性。不正常喷射现象主要包括二次喷射、滴油现象、断续喷射、不规则喷射和隔次喷射。

a 、二次喷射喷油器针阀落座以后，在压力波动的影响下再次升起喷油的现象。由于二次喷射是在燃油压力较低的情况下喷射的，燃油雾化不良，燃烧不完全，碳烟增多、引起喷孔积炭堵塞。二次喷射使喷射待续时间拉长，使燃烧过程不能及时进行，经济性下降，零部件过热。发生在高速、大负荷工况。



b、滴油现象在喷油器针阀密封正常的情况下，喷射终了

时由于系统内的压力下降过慢使针阀不能迅速落座，出现仍有燃油流出的现象。这种在喷射终了时流出的燃油速度及压力极低，难以雾化，易生成积炭并使喷孔堵塞。

c 、断续喷射由于在某一瞬间喷油泵的供油量小于从喷油器喷

出的油量和填充针阀上升空出空间的油量之和，造成针阀在喷射过程中周期性跳动的现象。这时喷油泵端压力及针阀的运动方向不断变化，易导致针阀副的过度磨损。



d、不规则喷射和隔次喷射供油量过小时，循环喷油量不断变动甚至出现

有的循环不喷油的现象。不规则喷射和隔次喷射易发生在柴油机怠速工况下，造成怠速运转不稳定、工作粗暴限制了柴油机的最低稳定转速。

避免不正常喷射的措施：缩短高压油管长度、减小高压容积、降低

压力波动、合理选择喷射系统的参数：如：喷油泵柱塞的直径、凸轮廓线、出油阀形式及尺寸、出油阀减压容积、高压油管内径、喷油器喷孔尺寸、针阀开启压力等。



e、穴蚀破坏在高压容积内产生压力波动时，由于出现极低的

压力而形成气泡，压力迅速升高使气泡爆裂而产生冲击波，这种冲击波多次作用于金属表面则引起穴蚀。穴蚀破坏会影响到喷射系统的工作可靠性和使用寿命。

2）燃油的雾化和油束特性（ 1 ）燃油雾化：是指燃油喷入燃烧室后被粉碎分散

成细小液滴的过程。雾化好可形成较理想的混合气。燃油的雾化增加与空气接触的蒸发表面积、加速

从空气中的吸热过程和液滴的汽化过程，有利于混合气的形成。例如，假设 1mL的燃油为一球体，则其表面积约为 483.6mm2 ，若雾化为直径 40µm的均匀球状油滴，可产生油滴约 3×107 个，其总的表面积约 1.5×105mm2 ，约增加为原来的 310倍。


2 、燃油的雾化和油束特性（ 2）油束组成：燃油在喷油泵中被压缩后，经高压油管在极高压

力 (20 ～ 160MPa) 的作用下以极大的速度 (100 ～ 400m/s)及在高度紊流状态下从喷油器的喷孔喷射入燃烧室内。燃油在高速流动中，在与燃烧室内高压空气的相对运动中及紊流的作用下。被逐步粉碎分散为直径约 2 ～ 50µm的液滴。由大小不同的液滴组成了油束。

结构：下图为在静止的高压空气中喷射过程某一时刻的油束结构示意图。油束核心部分液滴非常密集且液滴直径较大，液滴运动速度较高，空气极少，油束外围部分则与之相反，液滴稀少且液滴直径较小，液滴运动速度也较低 .


2 、燃油的雾化和油束特性

　　特性描述：从几何形状和雾化质量两个方面来描述。　　　 a 、几何形状　　　油束的几何形状主要包括油束射程 ( 又称为贯穿距离 )L和喷射锥角 β或油束的最大宽度 B。

　　　此外，贯穿率是常用的参数之一。贯穿率为相对值，是指油束的贯穿距离与喷孔口沿喷孔轴线到燃烧室壁距离的比值。贯穿率苦大于 1 ，则意味着有一部分燃油喷射到了燃烧室的壁面上。

　　　影响油束几何形状的主要因素有：喷射压力，喷油器喷孔的长度直径比和空气与燃油密度比等。

　　　 b、雾化质量　　　它是指油束中液滴的细度和均匀度。细度可以用液滴平均直径来表示。液滴平均直径越小，油束雾化得越细。减小喷油器喷孔直径，增大燃油喷入时的流


2 、燃油的雾化和油束特性

　速、空气密度的增大以及燃油粘度和表面张力的减小，都会使平均油滴直径减小。

　　　


　　图表示了不同喷射压力时油束的雾化质量。由图可见，喷射压力较高时，油束雾化得较细，比较均匀。　各种不同的燃烧室对油束的几何形状和雾化质量的具体要求有所不同。

３、对喷射系统的要求

　　　喷射系统对柴油机混合气形成和燃烧的质量，进而对柴油机性能的好坏有着重要的作用。


要求

避免出现不正常喷射现象和穴蚀破坏。

实现喷油提前角可随转速和负荷调整

尽可能实现理想的喷油规律


（１）避免出现不正常喷射现象和穴蚀破坏　　　这是对喷射系统最基本的要求。车用柴油机在很

大的转速和负荷工况范围内工作，要保证在任一工况下都不出现不正常喷射现象往往是较为困难的，而且值得注意的是，一些消除不正常喷射现象的措施往往会促成穴蚀破坏的产生。这就需要在喷射系统的调整和匹配过中，考虑到各种工况，同时兼顾各方面的要求。

（２）实现喷油提前角可随转速和负荷调整　　　可以根据不同转速和负荷的工况要求，在最佳的

喷油时刻，精确提供所需要的燃油量。为此，需要实现喷油提前角随不同转速和负荷进行调整。对多缸柴油机，应保证各缸的均匀一致性，为此希望各缸的高压油管长度尽可能地一致。



（３）尽可能实现理想的喷油规律　　　一方面，更高的喷射压力和喷油速率以及更短的喷

油持续时间已是发展趋势。另一方面，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。为保证“先缓后急”的喷油规律，已开发了所谓的“分级喷射”的方法．即实现第一次喷入少量燃油，第二次再喷入其余大部分燃油。

　总结　 1 、高的喷射压力，并在发动机的全工况范围内实时可调；

　 2 、喷油定时灵活可调；　 3 、实现可控制喷油率的形状，可进行多段喷射的喷油

速率柔性控制；　 4 、高精度的油量控制，包括预喷射和后喷射的控制精



　度；　 5 、快速的瞬间响应；　 6、低的均衡驱动转矩４）电子喷射控制系统　　　在柴油机的电子控制系统中，最早研究并实现产业化的是电子控制的柴油喷射系统。随着排放法规的逐步严格以及机械加工、电子制造技术的进步，在原有机械式喷油系统的基础上先后出现了位置控制式电控燃油系统、时间控制式电控燃油系统和压力 - 时间控制式电控燃油系统等三代电控燃油喷射系统，而机械式喷油系统主要有柱塞泵、分配泵、泵喷嘴和单体泵等几种，这几代电控喷油系统是在不同的机械式喷油系统上应用，从而形成了多种类型的电控燃油喷射系统。


４、电子喷射控制系统

（１）电控柴油喷射系统　发展分为三代：　　第一代：传统泵—管—嘴燃油喷射系统的电子控制；　　第二代：泵—喷嘴燃油喷射系统的电子控制；　　第三代：蓄压式（或共轨式）高压燃油喷射系统的电子控制。

a 、第一代 :传统泵—管—嘴燃油喷射系统的电子控制结构组成 :主要由传感器、电控单元、执行器等 3

部分组成。



b、第二代：泵—喷嘴燃油喷射系统的电子控制　


　结构组成 :主要由传感器、电控单元、执行器等 3 部分组成。


c 、第三代：蓄压式（或共轨式）高压燃油喷射系统的电子控制

结构组成 :主要由传感器、电控单元、执行器等 3部分组成。


1


电控柴油喷射系统的特点：　　　与传统的柴油供油系统相比，电控柴油喷射系统有下列优点：

控制精确、灵敏；无控制系统的磨损等问题；控制方式可根据要求在程序中修改完成，不必修改零部件。

下面以泵 ---管 ---嘴燃油喷射的电子控制系统为例来说明：

结构组成：由传感器、电控单元（ ECU）、执行器、不带供油提前器和调速器的高压油泵等部分组成。如下图所示。


４、电子喷射控制系统燃油喷射和雾化


传感器的作用是：适时检测发动机的运行状态，以及驾驶员的操作意向和操作信息，并将其输入给电控单元；

ECU 核心部分是计算机，它与系统软件一起负责信息的采集、处理、计算、和执行程序，并将运行结果作为指令输出到执行器；

执行器按照电控单元送来的指令，调节供油量和供油定时等。



ECD 系统的传感器及控制项目



供油量的控制与修正

ECU根据加速踏板位置传感器和柴油机的转速传感器输入的信号，计算出基本供油量；

然后根据冷却水温度、进气温度、进气压力等信号以及起动机信号对基本油量进行修正；

再按供油量调节套筒位置传感器信号进行反馈修正之后，确定最佳供油量。



供油量的控制与修正 --- 工作原理：如图 5-43 （ P209）控制是通过移动分配泵的的供油量调节套筒进行的。根据 ECU的指令，计算机通过改变电磁阀 1 的通电电流，使供油量调节套筒移动。控制信号电流愈大，磁场强度越强。在磁力作用下可动铁心克服弹簧力向左移动，使供油量调节套筒向右移动，供油量增加。传感器 2将供油量调节套筒的位置反馈给计算机。


４、电子喷射控制系统燃油喷射和雾化

ECU

图 5-43 （ P209）控制


供油定时的控制 ---1

ECU根据加速踏板位置传感器和柴油机的转速传感器输入的信号，计算出基本供油量；

然后根据冷却水温度、进气压力等信号以及起动机信号对基本油量进行修正；

再按喷油提前器活塞位置传感器信号进行反馈修正之后，确定最佳供油定时。



供油定时的控制 ---2 与机械式供油提前调节原理相同，利用喷油提前器活塞左右两侧的压差改变活塞的位置，使喷油提前发生改变。结构不同点在于在活塞的两压力室之间加了一个由供油定时控制电磁阀控制的油路，电磁阀的开闭使喷油提前器活塞的高、低压腔导通和断开，导通时低压腔压力升高，活塞右移；关闭时，低压腔压力恢复低压，活塞左移。


ECU


供油定时的控制 ---3 计算机给供

油定时控制电磁阀的信号是一个周期不变而高低电平比例可调的方波信号，人们将高电平（有效电平）占信号周期的比叫占空比，改变信号的占空比就可改变电磁阀的开闭时间，从而改变喷油提前器活塞两侧的压力差，达到改变供油定时的目的。


ECU


控制滑套式如图所示，

在循环喷油量“位置控制”的电控直列泵的柱塞偶件上增加一个控制滑套，由控制滑套的上下移动改变供油始点，即改变柱塞预行程的方法来实现对喷油速率的控制，而柱塞有效行程不变，即循环供油量不变，其工作原理如图所示。


凸轮

轴速

度

凸轮转角

凸轮升程

（喷油开始）（喷油结束）（喷油开始）（喷油结束）

低预行程高预行程

柱塞滑套

三、混合气的形成和燃烧室

1 ）柴油机混合气形成特点和方式特点：柴油机在进气过程中进入燃烧室的

是纯空气，在压缩过程接近终了时柴油才被喷入，经一定准备后即自行着火燃烧。

形成特点：由于柴油机的混合气形成的时间比汽油机短促得多，而且柴油的蒸发性和流动性都较汽油差，使得柴油难以在燃烧前彻底雾化蒸发并与空气均匀混合，因而柴油机可燃混合气的品质较汽油机差。因此，柴油机不得不采用较大的过量空气系数．使喷入燃烧室内的柴油能够燃烧得比较完全。

形成方式：柴油机混合气形成方式从原理上来分，有空间雾化混合和油膜蒸发混合两种。

1 、柴油机混合气形成特点和方式

空间雾化混合空间雾化混合是在燃烧室空间中利用燃油与空气的相对运动形成较均匀的混合气，燃油与空气的相对运动速度是起主要作用的因素。相对运动速度越高。油粒与空气的摩擦和碰撞越激烈，分散后的油粒也越细小，混合气也越均匀。混合气在这一过程中混有尚未蒸发汽化的液态油粒，不完全是气相的。

油膜蒸发混合油膜蒸发混合是指喷在燃烧室壁面上的燃油形成油膜后，利用受热蒸发和空气相对运动的作用形成较均匀的混合气。这一混合方式中起主要作用的因素是燃烧室壁面温度、空气相对运动速度和油膜厚度。混合气在这一过程中完全是气相的。

混合气的形成和燃烧室

2 、分隔式燃烧室

特点：分隔式燃烧室的结构特点是除位于活塞顶部的主燃烧室外，还有位于缸盖内的副燃烧室两者之间有通道相连。燃油不直接喷入主燃烧室内，而是喷入副燃烧室内。

分类：分隔式燃烧室包括： a 、涡流室燃烧室；

b、预燃室燃烧室。 a 、涡流室燃烧室一般涡流室容积约占整个燃烧室压缩容积的 50％一 60％。涡流室的形状有一些不同的类型、如近似球形的、上部为半球形下部为圆柱形的等等 ;

在压缩过程中，空气从主燃烧室经通道流入涡流室，在涡流室内形成强烈的有组织的压缩涡流．压缩涡流在涡流室燃烧室柴油机的混合气形成中起主要作用。燃油顺涡流方向喷射入涡流室内，着火燃烧后，



涡流室内的压力和温度迅速升高，燃气带着未燃的燃油和空气一起经通道高速流入主燃烧室内。活塞顶部的导流槽或浅凹坑使流入主燃烧室内的工质再次形成强烈的涡流 ( 称为二次涡流 ) ，以加速燃油与空气的混合与燃烧。

涡流室与主燃烧室之间通道的截面积约为活塞截面积的 1％～ 3.5％，通道方向与活塞顶成一定的倾斜角度，其截面形状也有许多种。此外．还有采用双倾斜角通道的，即通道由靠主燃烧室一侧较小的倾斜角度的部分和涡流室一侧较大的倾斜角度的部分组成，以降低通道的流动损失和改善混合气形成。


2 、分隔式燃烧室混合气的形成和燃烧室

单孔喷油器

电热塞

涡流室式燃烧室涡流室式燃烧室


b、预燃室燃烧室相对涡流室来说，预燃室的容积和连接通道的截面积都较小，通道内的最大流速约高 50％。此外，还有在预燃室内还布置一中部为球体两端为较细圆柱体的球形杆油束喷射在球体上向四周反射飞溅。有利于混合气的形成，同时球形杆也起到加强其周围絮流的作用。

在压缩过程中，气缸内部分空气流入预燃室内，由于连接通道截面积很小，且不与预燃室相切，所以在预燃室内形成强烈的无组织的絮流。空气紊流使一部分燃油雾化混合，当着火燃烧后，预燃室内的压力和温度迅速升高，利用这部分燃油的燃烧能量，将预燃室内已部分燃烧的浓混合气高速喷入主燃烧室内，并在主燃烧室内形成工质的运动，即燃烧涡流，促使其余部分的燃油在主燃烧室内迅速与空气混合并燃烧。



结构如图所示。根据气阀数的一侧( 对于二气阀 ) ，也可以置于气缸中心线上或其附近 ( 对于四气阀 ) 。预燃室容积约占整个燃烧室压缩容积的 35 ％～ 45 ％，预燃室与主燃烧室之间通道的截面积约为活塞截面积的 0.3％～ 0.6%。


单孔喷油器

电热塞

预热室式燃烧室预热室式燃烧室


性能特点：由于空气运动的强度随转速提高而增大，保证了高速下也有较好的性能。对喷射系统的要求较低，可以使用轴针式喷油器，喷射压力较低，使喷射系统的制造要求降低，工作可靠性和使用寿命提高。

优点：混合气质量好、高速性能好、对喷射系统要求低、噪声较小。

缺点：结构复杂、散热面积大、节流损失大、热效率低、经济性差、冷却启动困难。

3 ）直喷式燃烧室分类：直喷式燃烧室可根据活塞顶部凹坑的深浅分为半开式燃烧室和开式燃烧室两类。


3 、直喷式燃烧室

（ 1）开式燃烧室结构：开式燃烧室的结构十分简单，活塞顶部的

燃烧室有中心略有凸起的浅 ω形和平底的浅盆形，凹坑较浅，凹坑直径与活塞直径之比一般大于 0.7 。

混合气形成依靠燃油的喷散雾化，因此对雾化质量，也就是对喷射系统有很高的要求。开式燃烧室采用较多喷孔数目 (7 ～ 12孔 ) 的孔式喷油器和较高的喷射压力，最大喷射压力达到 100MPa 以上；而一般不组织或只有很弱的空气涡流运动，在混合气形成中空气运动所起的作用相对很小。混合气在燃烧室的空间内形成，避免油束直接喷到燃烧室的壁面上。



（ 2）半开式燃烧室若将开式燃烧室应用于占车用柴油机大部分

的小缸径高速柴油机中，会遇到很大的困难由于转速高，混合气形成和燃烧的时间极短，单靠燃油的喷散雾化，则不但喷孔直径要很小，喷射压力要很高，制造困难，使用可靠性下降，而且也不能实现在较小的过量空气系数下有较好的混合气形成和燃烧。这种情况下，就可以应用半开式燃烧室。

结构：半开式燃烧室的活塞顶部有较深的凹坑，形状有很多种，常见的有中心凸起的 ω形和平底的深坑形，凹坑有缩口的，也有不缩口的，凹坑口径与活塞直径之比一般约在 0.35 ～ 0.7之间。


3 、直喷式燃烧室混合气的形成和燃烧室

半开式燃烧室 1- 油束 2-凹坑 3- 空气涡流

开式燃烧室 1-凹坑 2- 喷油器 3- 油束


半开式燃烧室中的混合气形成依靠燃油的喷散雾化和空气运动两方面的作用。它采用孔式喷油器，常见的喷孔数目为 4 ～ 6 孔，并有较高的喷射压力，对喷射系统有较高的要求。此外，利用以进气涡流为主，挤压涡流为辅的空气运动，来帮助和相加强混合气形成，对气道也有较高的要求。一般认为，比较理想的油束贯穿率约为 1.05 。

与开式燃烧室相比，半开式燃烧室中的空气利用率有所提高，在过量空气系数约为 1.3 ～ 1.5 时，可以实现完善的燃烧。

因一般空气运动的强度随着转速的提高而增大，而涡流强度过强或过弱会造成油束贯穿不足或过度，均会影响混合气形成和燃烧，故半开式燃烧室对转速的变化较为敏感。



（ 3）半开式燃烧室中的空气运动 a 、进气涡流在混合气形成中，进气涡流起了重要作用。产生进

气涡流的方法一般是采用螺旋进气道。螺旋气道如下图所示。一方面把气阀座上方的气道内腔做成螺旋形，使空气在气道内就形成绕气阀中心的旋转运动，并在进入气缸后继续保持旋转；另一方面，由于气阀中心与气缸中心的不重合，会产生空气沿气缸壁绕气缸中心的旋转运动。产生的进气涡流，可视为两部分 (即气道本身的形状和气阀中心相对于气缸中心的位置 )共同作用的结果。

螺旋气道的主要结构参数 (如气阀座上方的螺旋室高度，气道最小截面积等 ) 以及进气道安装位置等，都会影响气道的持性。好的螺旋气道应在首先保证所要求涡流强度的前提条件下，尽可能地提高流通性能、降低



流动阻力，这往往需要进行仔细调试和反复改进，但保证一定的涡流强度往往是以进气阻力的提高为代价的，故采用螺旋进气道的柴油机，其充气效率一般相对稍低。


切向气道也是产生进气涡流的方法。如上图所示，切向气道形状比较平直，在气阀座前作强烈收缩，使气流运动加速，并引导气流以单边切线方向进入缸内，造成阀入门处气流速度分布的不均匀，从而使缸内空气产生旋转运动。切向气道结构简单，但对气道位置较为敏感。因涡流较强时，切向气道的流动阻力将很快增加，故仅在涡流强度要求较低的柴油机中应用。

此外，还有在进气阀或缸盖上加遮蔽屏来产生进气涡流的方法。通过在进气阀或缸盖上加遮蔽屏，强制空气从遮蔽屏前流出，再加上气缸劈面的约束，使进入气缸的空气产生旋转运动。这种方法目前已基本不再采用。



b、挤压涡流如下图所示，在压缩过程期间，当活塞接近上止点

时，活塞顶部外围的环形空间中的空气被挤入活塞顶部的凹坑内，由此产生的涡流就是挤压涡流，简称挤流。当活塞下行时，活塞顶部凹坑内的气体又向外流到活塞顶部外围的环形空间，这种流动又称为逆挤压涡流，简称逆挤流。

挤压涡流的强度与活塞顶部凹坑喉口直径以及活塞顶间隙有密切关系。活塞顶部凹坑喉口直径和活塞顶间隙越小，则挤压涡流的强度越大。

挤压涡流 (包括逆挤压涡流 ) 不会影响充气系数，但却有助于改善和帮助混合气的形成。其持续的时间较短 (仅在上止点附近 ) ，强度与进气涡流相比一般较小，在混合气形成和燃烧中起到配合作用。



由于开式燃烧室与半开式燃烧室相比，具有经济性更好，微粒排放量较低的突出优点，使近年来在缸径相对较大的半开式燃烧室中出现了向开式燃烧室方向发展的趋势，即提高喷射压力，缩小喷孔直径，增多喷孔数日，增大活塞顶部凹坑喉门直径并减弱空气涡流强度。当然，这是以制造技术水平的提高以及增压技术的采用作为其前提条件的。

（ 4）直喷式燃烧室柴油机的性能特点 a 、由于燃烧迅速、故经济性好，有效燃油消耗率

低。直喷式柴油机比分隔式柴油机的有效燃油消耗率约低 10％～ 20％，经济性好是直喷式柴油机的突出优点。但其工作较粗暴，压力升高率大、燃烧噪声大。



b、燃烧室结构简单，表面积与容积比小，因此散热损失小，也没有主、副室之间的流动损失、一方而可使冷起动性能较好，另一方面也是经济性好的主要原因。燃烧室结构简单，表面积与容积比小，因此散热损失小，也没有主、副室之间的流动损失、一方而可使冷起动性能较好，另一方面也是经济性好的主要原因。

c 、对喷射系统的要求较高，特别是开式燃烧室，半开式燃烧室对气道也有较高的要求。

d、 NOX的排放量较分隔式燃烧室柴袖机高，特别在较高负荷的区域内，约高一倍左右。开式燃烧室的微粒排放量相对较低。



e、对转速的变化较为敏感，特别是半开式燃烧室，较难同时兼顾高速和低速工况的性能，因而，适用转速较分隔式燃烧室柴油机低。

4）其它燃烧室（ 1）球型油膜燃烧室结构如图，柴油机在活塞顶部有一较深的球形或近似球形的凹坑，凹坑喉口直径与活塞直径的比值约为 0.35 ～ 0.45 。一般用螺旋进气道产生强烈的进气涡流，采用单孔或双孔喷油器，喷射压力较高。

球型油膜燃烧室仅从燃烧室结构上来看，可以看成是半开式燃烧室的一种，但在混合气形成和燃烧等方面却有着本质的区别。球型油膜燃烧室主要应用油膜蒸发方式形成混合气。燃油在高压下顺气流和接近


4 、其它燃烧室混合气的形成和燃烧室

1

燃烧室的切线方向喷入燃烧室内，其中绝大部分分布在凹坑内的燃烧室壁面上，形成较均匀的油膜，只有极少量的燃油分布在空间。油膜从燃烧室壁面吸热。原已分布在燃烧室空间内的雾状燃油首先完成与空气的混合而着火，由于大部分在着火延迟期内喷入的燃油并不可能立即形成可燃混合气，因此使速燃期内的压力升高率相对较低。随燃烧过程的进展，燃烧室内的温度越来越高，可以保证燃油以越来越高的速度蒸发并与空气均匀混合，使燃烧过程得以及时进行。逐层蒸发，强烈的空气涡流加速了油膜的蒸发且使混合气更为均匀。

4 、其它燃烧室

特点：球型油膜燃烧室柴油机工作较为平稳，燃烧噪声较小，且经济性也较好；但冷起动较困难，变工况性能较差，特别在低速、低负荷工况下，因壁面温度低，空气涡流弱，使油膜蒸发产生困难。因此，目前实际上已很少应用。

（ 2）非回转体燃烧室非回转体燃烧室可以认为是半开式燃烧室的变型，

同时也是半开式燃烧室的进一步发展。从 70年代以来，已发展了多种类型的非回转体燃烧室，以进一步提高柴油机各方面的性能。

结构：典型的非回转体燃烧室如图所示。其中包括：



a 、日本五十铃公司的四角形燃烧室四角形燃烧室是于 70年代初出现的。活塞顶凹坑

从纵剖面看与传统的形燃烧室相同，俯视为四角带圆弧的正方形。此外，还有加缩口增强挤流作用的四角形燃烧室。

b、日本小松公司的微涡流燃烧室其活塞顶凹坑的上部为四角形，下部仍为回转体，

上下部连接处经切削加工圆滑过。 c 、英国 Perkins 公司的 Quardram燃烧室。该燃烧室在回转体燃烧室侧壁上有四个均匀分布

的小圆弧凹坑，这些凹坑被称为强絮流袋。 d、上海内燃机研究所研制的花瓣形燃烧室在传统的形燃烧室的基础之上，将凹坑的横截面

从圆形改变为花瓣形。



特点： a 、在半开式燃烧室的基础之上，利用燃烧室形状的设计来产生微涡流，改善混合气形成和燃烧。除大尺度的涡流 (如进气涡流和挤压涡流 ) 以外，小尺度的涡流，又称为微涡流或紊流，对混合气形成和燃烧的促进作用已得到公认。微涡流主要是利用大尺度的涡流在燃烧室内不同位置造成的速度差以及流经一些特殊设计的边角、凹凸时产生的气流扰动所形成的。

b、一些特殊设计的边角、凹凸对空气涡流有衰减作用，这种衰减作用随着空气涡流的增强而增大，提高柴油机的转速适应性，解决半开式燃烧室中低速涡流太弱，高速涡流太强的问题是有利的，适合于车用柴油机在宽广的转速范围内工作的情况。但另一方面，这种衰减作用的存在，就需要相对较强的进气涡流而有可能影响充气效率，进而影响柴油机的动力性。



c 、如图所示，燃烧室形状的设计还可能控制喷在燃烧室壁面上的那一部分燃油的反射，即使燃油反射到空气涡流的下游而不是上游，从而改善燃烧室内的燃油分布、有利于形成较为均匀的混合气。


1

优点：着火延迟期较短使压力升高率相对较低，燃烧比较完善，有害排放量较小，对转速变化不太敏感，油耗曲线较干坦等。缺点：非回转体燃烧室的加工相对较复杂，一些突出部位的热负荷较高，可能会影响工作的可靠性。

四、燃烧过程的影响因素

1 ）燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合实际上对柴油机燃烧过程的要求是多方面的，而且往往相互之间是矛盾的。例如，为提高柴油机经济性，应使燃油完全燃烧，希望有较大的过量空气系数，但这将导致气缸工作容积利用率低，即升功率降低，动力性变差。要保证在上止点附近的迅速燃烧以提高动力性和经济性，但这又可能会使压力升高率和最大爆发压力都较高，工作平稳性变差，燃烧噪声增大，也会降低工作可靠性和使用寿命。此外，降低柴油机废气中的有害排放量往往是以柴油机经济性的降低、制造成本的提高作为代价的。降低柴油机废气中的各种有害排放量的要求，特别是柴油机废气中的两

1、燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合

种主要有害排放物 (微粒和 NOX) 的控制，往往也会产生矛盾。同时，针对车用柴油机工作范围宽广的特点，希望不仅是在某一工况，而是在各种转速、负荷的工况下，都能有较好的性能。

燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的良好配合，是满意的柴油机混合气形成和燃烧过程的基本保证。在燃烧喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合中，一般应兼顾各方面的要求。并根据具体使用情况有所重。寻求一个较理想的折衷方案。

燃油喷射、气流运动与燃烧宝形状间的配合，目前仍以大量试验、反复改进为主要手段来进行。近年来，一方面燃烧宝内部的测试有较大发展，通过激光测量、高速摄影和缸内取样等，深入了解混合气形成和燃烧过程，从而寻求最佳的配合；另一方面，应用计算机对柴油机的工作

燃烧过程的影响因素

过程进行模拟计算也已得到应用，燃烧模型也从简单的零维模型发展为三维模型，这也投成为设计改进工作的有力工具。

2）影响燃烧过程的运转因素（ 1）负荷影响柴油机的负荷调节方法是“质调节”，即空气

量基本上不随负荷变化，而只调节循环供油显。负荷增大，循环供油量也增大，过量空气系数减小，单位容积内混合气燃烧放出的热量增加，引起缸内温度上升，缩短着火延迟期，这对降低柴油机的工作粗暴有利。

在中小负荷工况下，燃烧效率的变化一般不大，但随着循环供油量的加大，过量空气系数变少 , 燃烧过程延长，都可能使燃烧效率下降。

燃烧过程的影响因素1、燃油喷射、气流运动与燃烧室形状间的配合

2 、影响燃烧过程的运转因素燃烧过程的影响因素

（ 2）转速影响一般来说，转速

过低或过高时，都会使燃烧效率降低。转速过低时 ,空气运动减弱 ,喷油压力下降 , 使混合气质量变差 ;转速过高时，燃烧过程所占的曲轴转角过大 ,充气效率下降 , 也会给燃烧效率带来不利的影响。

燃烧过程的影响因素2 、影响燃烧过程的运转因素

燃烧过程的影响因素2 、影响燃烧过程的运转因素

（ 3）燃油的影响燃油的十六烷值是衡量燃油自燃性的指标，对燃烧过程也有一定影响 . 十六烷值为 55 的燃油自燃性相对较好，即较易于着火自燃，使着火延迟期较短，因此在同样喷油规律的条件下比较，十六烷值为 45 的燃油的压力升高率和最大爆发压力都明显较低．从而使燃烧噪声和 NOX 的排量都降低 . 一般直喷室比分隔式燃烧室对燃油的性质更为敏感。

2 、影响燃烧过程的运转因素

（ 4）供油提前角

供油提前角 (或喷油提前角 ) 对柴油机的燃烧过程，进而对其性能有很大影响。供油提前角过大，燃油将喷入温度和压力相对较低的空气中，着火延迟期增长，同时在着火燃烧后，活塞仍在

上行，使压力升高率和最大爆发压力都较高，工作较粗暴，NOX的排放量也会由于燃烧温度的升高而增加。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。

供油提前角过小，则会使燃油不能在上止点附近及时燃烧，也对柴油机的经济性和动力性不利，微粒的排放量也会增加。过迟燃烧还会使燃烧温度升高，散热损失增加。对于每一种工况，均有一个最佳的供油提前角，此时在负荷不变

的前提下，有效燃油消耗率最低。



为了兼顾降低 NOX的排放量和燃烧噪声的需要，一般调节供油提前角略小于最佳的供油提前角。

在不同转速和负荷下，最佳的供油提前角也不同。当转速增加时，由于喷油延迟角增大以及燃烧过程所占的曲轴转角可能增大，为保证燃油在上止点附近及时燃烧，需要适当加大供油提前角。一般直喷式燃烧室最佳供油提前角随转速的变化比分隔式燃烧室的大。汽车柴油机中的供油提前角调节装置，就是用于实现最佳供油提前角随转速的变化调节的。当负荷增加时，由于循环供油量增大以及燃烧过程变长，也需要适当加大供油提前角。对于最佳供油提前角随负荷的变化调节，则较难实现。只有在柴油机电控喷射系统中，才能真正实现最佳供油提前角随各种工况变化的准确调节。



（ 5）废气再循环影响废气再循环已得到了较多的实际应用 (主要在轿车柴油机中 ) ，它是指将一部分已燃的废气再次引入燃烧室内参加燃烧。废气再循环可由简单的机构来进行控制，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的工质温度，从而有效地控制了 NOX的生成，降低了 NOX的排放量。也会使碳烟的排放量增多，柴油机经济性变差。


第五章 柴油机混合气 的形成与燃烧

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第五章柴油机混合气的形成与燃烧