汽车发动机原理

1. 汽车发动机原理 制作人：张振东

2. 目录 前言： 课程绪论 第一章：发动机性能 第二章：发动机换气过程 第三章：燃料与燃烧 第四章：汽油机混合气的形成与燃烧 第五章：柴油机混合气的形成与燃烧 第六章：发动机的特性 第七章：车用发动机废气涡轮增压 第八章：排气污染机及控制

3. 第五章：柴油机混合气的形成与燃烧 5-1 燃料过程 5-2 燃油喷射与雾化 5-3混合气形成和燃烧室 5-4燃烧过程的影响因素

4. 5-1 燃烧过程 5.1.1 正常燃烧过程 以展开示功图研究燃烧过程。 最高压力 最高温度 着火 无燃烧膨胀线 喷油 压缩线

5. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 缓燃期 后燃期 最高压力 最高温度 快速燃烧期 着火延迟期 着火 无燃烧膨胀线 喷油 压缩线 喷油提前角

6. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 柴油机燃烧分为正常燃烧与非正常燃烧。 正常燃烧是指发动机正常工作的燃烧，是相对于不正常燃烧而言的。 柴油机正常燃烧过程分为 四个阶段： （1）着火延迟期 （1 — 2） 即Ⅰ阶段。 （2）快速燃烧期 （2 — 3） 即Ⅱ阶段。 （3）缓燃期 （3 — 4） 即Ⅲ阶段。 （4）后燃期 （4 — ） 即Ⅳ阶段。 与汽油机相比，柴油机多了一个缓燃期。

7. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 着火延迟期 （Ⅰ阶段）从喷油开始到压力线脱离压缩线所占用的曲轴转角。 缓燃期 （ Ⅲ阶段）从最高燃烧压力到出现最高燃烧温度所占用的曲轴转角。 后燃期 （ Ⅳ阶段）最高燃烧温度出现以后的燃烧。 快速燃烧期 （ Ⅱ阶段）从压力线脱离压缩线到出现最高燃烧压力所占用的曲轴转角。

8. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 最高温度 最高压力

9. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1．正常燃烧过程的评价 （1）着火延迟期 A、特点： 过程复杂，有物理准备 —形成混合气，有化学准备 —氧化反应速度逐渐加快；缸内压力无明显升高。 B、评价指标 着火延迟期长度 Dj12 = j2-j1 着火延迟期 C、影响因素： 十六烷值 十六烷值高，着火延迟期短。 点火时的缸内气体状态 气体温度和压力越高，着火延迟期越短。 喷油提前角 从喷油到上止点间的曲轴转角。 喷油提前角

10. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1．正常燃烧过程的评价 （2）速燃期 • A、特点： • 预混燃烧、多点燃烧；同时又形成混合气；缸内压力急剧升高。 • B、评价指标 • 最高燃烧压力（最高爆发压力）pZ 以及出现时刻j3。 • 希望j3在上止点后15 ~ 20°曲轴转角之内。 • 平均压力升高率 • 表示压力升高的急剧程度。 速燃期

11. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1．正常燃烧过程的评价 （2）速燃期 C、燃烧过程 燃烧为预混燃烧，开始是着火延迟期形成的非均质混合气中多点燃烧，后来燃烧的是喷束扩散形成的混合气，转入扩散燃烧。 因为是多点燃烧，故燃烧速度快，压力升高率大，工作粗暴，振动强，噪声高。 速燃期

12. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1．正常燃烧过程的评价 缓燃期 （3）缓燃期 A、特点： 扩散燃烧；可能有边喷射、边形成混合气、边燃烧；缸内压力下降慢。 B、评价指标 最高燃烧温度TZ 缓燃期延续时间 Dj34 = j4 - j3 希望尽量缩短 C、燃烧过程 比较粗大的油滴独立燃烧，气流运动对完善过程作用极大。如燃烧不好，出现碳烟排放。

13. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1．正常燃烧过程的评价 后燃期 （4）后燃期 特点： 燃烧速度慢，燃烧放热因活塞下行不能利用，反而使排气温度升高。 后燃虽不能绝对消除，但通过完善燃烧过程，可尽量减少。

14. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 2．柴油机燃烧过程组织的困难 （1）节能与排放的矛盾 原因： 节能要求燃烧完全，使燃烧温度高，虽然CO、HC和碳烟排放少，但NOX排放多。 （2）碳烟与氮氧化物排放的矛盾 原因： 消除碳烟要 燃烧完全，使燃烧温度高，氮氧化物排放多。而对减少氮氧化物排放有利的措施，又可能导致碳烟；反之亦然。 （3）节能与工作柔和要求的矛盾 原因： 工作柔和要求前期少喷油，会造成后燃严重，经济性和动力性差；如 燃烧完全，前期喷油多，则压力升高快，工作粗暴。

15. 5.1 柴油机燃烧过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 5.1.2 柴油机的不正常燃烧过程 正常燃烧过程 要求燃油定时、定量并且稳定喷入气缸； 燃油形成混合气的数量与燃烧要求配合。 不正常燃烧 喷射时刻过迟、过早； 喷射不稳定：数量变化或断续喷射； 燃油形成混合气的数量与燃烧要求不配合。 习惯上统称为不正常喷射。

16. 第五章 柴油机混合气形成与燃烧——柴油机的混合气形成过程 5. 2 柴油机混合气形成过程 5.2.1 柴油机的燃油喷射 燃油系统

17. 5. 2 柴油机混合气形成过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、燃油系统 （1）燃油系统的作用 将燃料定时、定量地喷入气缸 ，并形成符合燃烧要求的混合气。 （2）喷油泵的作用 将燃料定时、定量地输送给喷油嘴，并保证稳定的喷射压力。 （3）喷油嘴的作用 将燃料喷射到气缸，并达到一定的雾化质量。 2、喷油嘴的类型 （1）喷油嘴的类型 轴针式 孔式

18. 5. 2 柴油机混合气形成过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 2、喷油嘴的类型 （1）喷油嘴的类型 孔式 （2）喷油嘴开启特性 孔式喷油器用于直喷式燃烧室，孔数多而小，开启特性快； 轴针式喷油器用于分隔式燃烧室，有自洁作用 ，仅有 1 ~ 2 个孔， 孔径较大，开启特性先慢后快。 轴针式 轴针式 孔式

19. 5. 2 柴油机混合气形成过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 3、喷油泵的速度特性及其校正 喷油泵的速度特性 油门位置不变，供油量随喷油泵转速变化的关系。 供油量调整方法：通过转动柱塞套筒孔与柱塞油槽之间的相对位置，使柱塞压油时完全封闭的容积改变，从而调整循环供油量。

20. 5. 2 柴油机混合气形成过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 3、喷油泵的速度特性及其校正 柱塞式喷油泵的固有特性： 由于节流作用，回油量随转速增加而减少，转速增加，循环供油量增加。

21. 5. 2 柴油机混合气形成过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 3、喷油泵的速度特性及其校正 这种特性不符合发动机工作的要求。 （1）可能出现“飞车”； （2）转速下降，循环供油量减少，不能爬坡； （3）与气缸进气量不配合。 因此喷油泵的速度特性必须校正。

22. 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 3、喷油泵的速度特性及其校正 正校正：为使柴油机满足汽车的扭矩要求，应使供油量随转速下降而增加。 （1）出油阀校正： 可变减压容积和可变减压作用； （2） 调速器校正。 负校正：为防止柴油机在低速大负荷时冒烟，应使低速时供油量随转速下降而减少。

23. 4、喷油过程 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 （1）喷油延迟阶段 供油提前角j 供 喷油提前角j 喷 喷油泵出油（出油阀升起）到喷油嘴喷油（针阀升起） D j = j 喷— j供 （2）主喷射阶段 喷油嘴喷油到喷油泵停止出油（出油阀关闭） ，高压油管压力急剧下降 （3）停止喷油阶段 喷油泵停止出油到喷油嘴停止喷油（针阀关闭） 5. 2 柴油机混合气形成过程

24. 5、喷油规律 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 （1）供油规律: 供油速率。单位时间喷油泵供油量与喷油泵凸轮转角（时间）的关系 （2）喷油规律: 喷油速率。单位时间喷油器喷油量与喷油泵凸轮转角（时间）的关系 差异在于： A、燃油可压缩性 B、油管弹性变形 C、压力波传递反射 （3）理想喷油规律：“先少后多、先慢后快” 5. 2 柴油机混合气形成过程

25. 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 5.2.2 柴油机的不正常喷射 （1）二次喷射: 针阀打开二次。针阀落座后，由于压力波动致使针阀再次打开。 后喷的燃油油压低，雾化不良，积碳增多；容易出现喷孔堵塞；后燃严重，经济性下降；排温高、冒黑烟。 （2）断续喷射（多次喷射）：针阀振荡，多次开闭。循环喷油量恰好引起压力波动，并与喷油嘴固有频率发生谐振。 喷油时间正常，但喷油压力低，雾化不良；针阀运动次数多，易磨损；动力性、经济性下降；排气容易冒黑烟。 （3） 隔次喷射：低速、尤其是怠速时，油量少，油压不足，压不开针阀；下一循环时油压凑足，压开针阀喷射。怠速运转不稳定。 5. 2 柴油机混合气形成过程

26. 5.2.3 喷束特性与燃油雾化 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、油束特性参数： 宏观参数 （1）油束锥角b 反映油束的紧密程度。 　　孔式喷嘴的  大，油束松散，颗粒细小； 轴针式喷嘴的  小，油束紧缩，颗粒较粗大。 5. 2 柴油机混合气形成过程 （2）射程 L 反映油束的穿透能力。 （3）油束最大宽度 B反映油束的分布特性。

27. 5.2.3 喷束特性与燃油雾化 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、油束特性参数： 微观参数 （4）平均直径 反映油滴的细小程度。 　　油束越松散，颗粒越细小。 （5）均匀度 反映油滴的一致性。 5. 2 柴油机混合气形成过程 宏观参数的影响因素有： A．喷射压力 B．喷油嘴长度直径比 C．空气燃油密度比

28. 5.2.3 喷束特性与燃油雾化 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 2、雾化质量： 燃油的雾化质量主要由平均直径决定。 油滴的平均直径越小，则蒸发速度越快，越容易和空气混合，形成可燃混合气，故雾化质量越好。 5. 2 柴油机混合气形成过程 平均直径的影响因素有： A．喷射压力； B．喷油嘴喷孔直径； C．油束流速；D．空气压力与密度；E．燃油粘度 燃油喷射雾化是混合气形成的准备工作。 柴油机燃烧室结构不同，对雾化质量的要求不同。

29. 5.2.4 柴油机混合气形成特点 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、混合气形成方式 根据混合气形成原理即对雾化质量的要求，柴油机混合气有两种基本形成方式。 空间雾化混合 利用燃油与空气的相对运动形成混合气。雾化质量越高，混合气形成越快，混合越均匀。 空间雾化形成的混合气，包括完全气相和极其细小油滴。 油膜蒸发混合 利用燃烧室壁面高温使其表面的燃油油膜蒸发形成混合气。燃烧室壁温越高，混合气形成越快。 油膜蒸发形成的混合气是完全气相的。 在实际柴油机中，混合气形成兼有两种方式，不能截然区分开，只是何种方式为主。 5. 2 柴油机混合气形成过程

30. 5.2.4 柴油机混合气形成特点 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 2、混合气形成特点 柴油机混合气形成在气缸中进行。这是因为柴油蒸发性差，需要利用气缸内压缩高温的缘故。柴油机混合气形成的特点是： 　　混合气形成时间短； 　　混合气不均匀； 　　空气过量； 多数情况下，需要组织空气运动。 5. 2 柴油机混合气形成过程 3、混合气形成过程 空间雾化混合 雾化 → 蒸发 → 扩散混合 油膜蒸发混合 蒸发 → 扩散混合 因此，油膜蒸发混合必须组织空气运动。

31. 5.2.4 柴油机混合气形成特点 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 5. 2 柴油机混合气形成过程

32. 两种混合方式的特点 空间雾化混合 油膜蒸发混合 大部分燃料喷射雾化 大部分燃料涂布到壁面上 燃料在空气中是细小油滴 燃料在壁面上形成油膜 混合气是气液两相混合气 混合气是气相混合气 滞燃期形成的可燃混合气数量多 滞燃期形成的可燃混合气数量少 工作粗暴 工作柔和 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 5. 2 柴油机混合气形成过程 5.2.5 对燃油系统的要求 1、不能有不正常喷射； 2、尽量接近按理想喷油规律工作； 3、根据发动机工况，可以调节循环供油量； 4、各气缸循环供油量均匀； 5、根据燃烧室特点控制油束特性。

33. 开式 半开式 球型油膜 涡流室式 预燃室式 直接喷射式 统一（室）式 间接喷射式 分隔（室）式 第五章 柴油机混合气形成与燃烧——典型柴油机燃烧室 5. 3 典型柴油机燃烧室 5.3.1 柴油机燃烧室的分类及要求 1、总体目标 (1)经济性好； (2)排放性能好； (3)动力性满足需要； 2、技术要求 (1)结构紧凑，面容比小； (2)充气效率高； (3)组织适当气流运动； (4)燃油油束、气体运动与燃烧室三者要配合。 3、分类（两种类型）

34. 5.3.2 直喷式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、开式燃烧室 5. 3 典型柴油机燃烧室

35. 5.3.2 直喷式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、开式燃烧室 整个燃烧室是由气缸盖底平面、活塞顶面及气缸壁所形成的统一容积。燃油直接喷人气缸，混合气形成是空间雾化混合。燃烧室中一般不组织空气涡流运动，依靠油束的扩展与空气混合。 浅盆形燃烧室的最大优点是经济性好，容易起动。对转速和燃料较敏感，因为喷雾质量随转速和燃油粘度而变。 大型柴油机采用浅盆形燃烧室。 5. 3 典型柴油机燃烧室

36. 5.3.2 直喷式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 2、半开式燃烧室 对车用小型高速柴油机，由于转速高（可达5000 r／min)，混合气形成和燃烧的时间极短，采用空间雾化混合时，不能只依赖油束的雾化，还要组织进气涡流。 半开式燃烧室将活塞顶上的凹坑加深，凹坑口径缩小，燃烧室基本上集中在活塞顶部。 混合气形成既利用一定的喷雾质量，同时组织进气涡流及形成挤流促进混合气形成和燃烧。 5. 3 典型柴油机燃烧室 半开式燃烧室对燃油系统的要求不很高。由于利用进气涡流，提高了空气利用率，过量空气系数为1.3 ~ 1.5，并保持燃油消耗率低和起动容易的优点。

37. 5.3.2 直喷式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 2、半开式燃烧室 5. 3 典型柴油机燃烧室 半开式燃烧室的形状很多，应用最多的是ω形燃烧室。燃烧室底部中心有一个凸起，目的是帮助形成挤流，并使燃烧室形状与油束配合，将空气集中在油束附近。

38. 5.3.2 直喷式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 2、半开式燃烧室 进气涡流强度对发动机性能有很大影响。 涡流过弱，混合气形成和燃烧不好，性能下降；涡流过强，增加热损失，还使相邻油束之间的燃烧发生干扰，性能也下降。 因此对于每一工况有一最佳涡流强度。 稳流试验所得的平均涡流强度对性能的影响如图。 5. 3 典型柴油机燃烧室 图中1%、2%的损失是因涡流不足或涡流过强而使燃油消耗率增高的百分数。 最佳涡流强度随发动机转速升高而降低。

39. 5.3.2 直喷式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 3、球形油膜燃烧室 球形油膜燃烧室布置在活塞顶部，混合气主要是油膜蒸发混合形成，燃烧室中组织强烈进气涡流。 燃油顺气流方向沿燃烧室壁面喷射，在强烈的进气涡流作用下，在燃烧室壁上形成油膜。燃烧室壁温控制在200 ~ 350℃，使壁面上燃料在比较低的温度下蒸发，以控制燃料的裂解反应。 5. 3 典型柴油机燃烧室 蒸发的油气与空气混合形成混合气。 喷射时，会从油束中分散出一小部分燃料，在空气中混合，形成可燃混合气，并在适当时着火，然后点燃从壁面蒸发形成的可燃混合气。 随着燃烧进行，大量热量辐射在油膜上，使油膜加速蒸发，不断提供新鲜混合气，保证迅速地燃烧。

40. 5.3.2 直喷式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 3、球形油膜燃烧室 球形油膜燃烧室改进了空间雾化方式存在压力升高率大，发动机工作粗暴；大负荷有黑烟。 球形燃烧室优点是：发动机工作柔和，燃烧噪声小，排气烟度小，性能好。 此外，球形油膜燃烧室便于使用轻质燃料，也可使用汽油。 5. 3 典型柴油机燃烧室 球形油膜燃烧室 缺陷在于：1 ) 冷起动困难； 2 ) 加速性能较差；3 ) 低负荷时冒蓝烟，HC排放增加；4 ) 低速性能差；5 ) 增压适应性差。 球形燃烧室主要应用在小型高速柴油机，缸径在75~130mm范围，不适合大缸径柴油机。

41. 5.3.3 间接喷射式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、涡流室燃烧室 燃烧室分为两部分，主燃烧室和涡流室，两者之间由一个或数个通道相连。通道方向与涡流室相切。涡流室容积约占整个燃烧室容积的50% ~ 80%，通道的面积为活塞面积的1.2% ~ 3.5%。喷油嘴安装在祸流室内，燃油顺涡流方向喷射。 在压缩过程中，气缸中空气经过通道流入涡流室，形成强烈的涡流，使喷入涡流室中的燃油形成混合气。 5. 3 典型柴油机燃烧室 当涡流室中着火燃烧后，其中的气体压力、温度迅速升高，将涡流室中末燃烧的燃料、空气及燃气一起经过通道流入主燃烧室中，并形成燃烧涡流（二次涡流)，在主燃烧室，与空气进一步混合燃烧。

42. 5.3.3 间接喷射式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、涡流室燃烧室 5. 3 典型柴油机燃烧室

43. 5.3.3 间接喷射式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、涡流室燃烧室 涡流室燃烧室主要特点 (1) 混合气形成和燃烧主要是利用有组织的强烈压缩涡流； (2) 混合气形成质量对转速变化不敏感； (3) 充气效率较高； (4) 压力升高率较小，运转平稳； (5) 节流损失和散热损失大，冷起动困难，燃油消耗率较高； (6) NOX、HC和微粒排放比直喷式柴油机低。 影响发动机性能的因素 (1) 涡流室的结构，其主要结构参数是涡流室容积与压缩容积之比 ( VK / VC ) ；通道截面积与活塞面积之比 ( A / FP ) 。 VK / VC 越大或 A / FP 越小，则压缩涡流越强。 5. 3 典型柴油机燃烧室

44. 5.3.3 间接喷射式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、涡流室燃烧室 影响发动机性能的因素 5. 3 典型柴油机燃烧室 (2) 连接通道的位置 当通道位置与涡流室相切时，压缩涡流较强。流出路径短，涡流室中气体容易流出。 (3) 活塞顶部形状 主燃烧室里有较多的空气，为充分利用这些空气，在活塞顶上开有导流槽和凹坑。

45. 5.3.3 间接喷射式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 1、涡流室燃烧室 影响发动机性能的因素 5. 3 典型柴油机燃烧室 (4 ) 喷油方向 喷油方向对性能影响很大。 随着喷油方向从逆气流变到顺气流喷射，燃油消耗率和烟度都显著地得到改善。当逆气流喷射或指向涡流室中心喷射时，从通道流入涡流室的空气冲击油束，使空间雾化燃料增多，所以初期放热率大，起动性能好。

46. 5.3.3 间接喷射式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 2、预燃室燃烧室 燃烧室分为两部分，主燃烧室和预燃室，两者之间由一个或数个通道相连。喷油嘴安装在预燃室中心线附近。由于连接通道不与预燃室相切，所以并不产生有组织的强烈涡流，但空气流过通道产生强烈湍流，空气湍流使一部分燃料雾化混合。 着火后，预燃室中压力、温度迅速升高，利用这部分燃料燃烧的能量将预燃室中的混合气高速喷入主燃烧室，并在主燃烧室内造成空气运动（燃烧涡流），促使大部分燃料在主燃烧室内混合燃烧。 5. 3 典型柴油机燃烧室 预燃室燃烧室的经济性差，现代压燃式发动机基本上不采用。

47. 5.3.4 改进直喷式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 紊流直喷式燃烧室 由于进气涡流对充气效率有影响，因此发展出紊流直喷式燃烧室。 小松 105系列柴油机MTCC燃烧室(Micro Turbulence Combustion Chamber) 比较有代表性。 燃烧室凹坑的上部为四角形，下部为圆形，上下部连接处经切削加工，过渡圆滑。设计目的是利用紊流增加缓燃期的燃烧速率，以推迟喷油提前角，使速燃期爆发压力和温度下降，减少NOX ，工作柔和。 5. 3 典型柴油机燃烧室

48. 5.3.4 改进直喷式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 紊流直喷式燃烧室 在四角形凹坑和圆形凹坑的交界面上，底部的气流旋转速度高，上部气流旋转受到四角形阻碍，旋转速度下降，存在着气流速度差，产生紊流；上部四角形凹坑的四角处气流（小涡流）旋转方向与中间气流（大涡流）的方向相反，也产生紊流。燃油对着交界面喷射，先通过低速大涡流区，然后通过紊流区，最后到达下部高速大涡流区。 5. 3 典型柴油机燃烧室

49. 5.3.4 改进直喷式燃烧室 第五章 柴油机混合气形成与燃烧 紊流直喷式燃烧室 油束直接喷向交界面，受紊流作用，改善油气混合质量。燃烧室内到处存在涡流，空气运动充分，能保证获得较高的燃烧效率。与常规直喷燃烧室相比，燃油消耗率下降，烟度下降，在低速时性能的改善尤为明显。 5. 3 典型柴油机燃烧室

50. 第五章 柴油机混合气形成与燃烧——柴油机燃烧室的比较与选型 5. 4 柴油机燃烧室的比较与选型 1、 柴油机燃烧室的比较