三、柴油机混合气形成与燃烧
    1．柴油机混合气形成
    柴油机在混合气形成上与汽油机有较大差异，这些差异在工作过程、结构性能等方面的体现相当显著。
    由不同的喷雾及气流组织形式组成了各种混合气形成方式，其基本形式可分为空间雾化混合和油膜蒸发混合。空间雾化混合方式将燃油喷射到气缸空间，依靠燃油与空气的相互碰撞、打碎、蒸发汽化与空气混合，要求喷雾尽量喷得细，可以使细小油滴更快蒸发，有利于动力性和经济性的提高。混合气的形成主要取决于喷雾特性，当然，气流运动也起重要的辅助作用。油膜蒸发混合方式为燃油直接喷射到燃烧室表面（活塞顶），利用空气强烈的涡流作用使燃油表面展开形成较薄油膜层，然后受热后层层蒸发成油气，进而扩散与空气混合。这种混合方式应用于小型半开式燃烧室的高速机。
    在车用柴油机中，两种混合气形成方式均有，但以空间雾化混合为主。只有采用球形燃烧室的柴油机，才以油膜蒸发混合方式为主。两种方式对比见表1-2。
                              
    由于柴油不易蒸发及柴油机混合气形成时间极短的缘故，要形成柴油机混合气一般都需要组织缸内气流，因而柴油机混合气形成要依靠三方面的相互作用：①燃烧室的结构；②燃料的喷雾；③缸内适当的空气运动。
   缸内空气气流组织形式存在如下几种类型，它们的设计依据都是促进或配合混合气形成和燃烧。
    （1）进气涡流在空气进入气缸的过程中借助于它所具有的动能形成绕气缸中心线旋转的运动称为进气涡流。四冲程发动机常采用带导气屏的进气阀、切向进气道、螺旋进气道；二冲程发动机采用具有切向倾斜角的进气口。
    螺旋进气道的气道在气门座上方呈螺旋状，偏离气缸中心，气流形成绕气门中心的旋转运动。切向进气道的气道母线与气缸相切，气流进入气缸后形成涡流。
    （2）挤压涡流利用活塞顶部的特殊形状，在压缩行程中和膨胀行程初期，使空气在燃烧室中产生强烈的旋转，出现在上止点附近，持续时间短。活塞上行时，产生挤压涡流，如图1-5a所示；活塞下行时，燃烧室的气体又会形成向外的涡流，称为逆挤压涡流，如图1-5b所示。转速越高涡流越强，对油束的吹散作用越大。空气涡流能加速火焰的传播，使燃烧速率提高。

    （3）压缩涡流在压缩行程中，气缸中空气被活塞挤压经过通道进入涡流室中，形成强烈的有规律的旋转运动，称为压缩涡流（图1-6）。其燃烧室（涡流室式燃烧室）分主、副（涡流室）两室。

    （4）燃烧涡流利用在预燃室中部分燃油燃烧产生的能量，使预燃室中的混合气高速喷人主燃室，造成主燃室空气的强烈涡动称为燃烧涡流（图1-7）。其燃烧室（预燃室式燃烧室）分为主、副（预燃室）两室。

    由上可以看到缸内气流的各种组织形式均与柴油机本身，尤其是燃烧室的构造有关，燃烧室的类型和形状必须与喷油和缸内气流相互配合。
    2．燃烧方式
    柴油机是在压缩行程中活塞接近上止点时，借助喷油设备将燃油在高压下呈雾状喷人燃烧室的，以便与空气形成可燃混合气。
    油滴着火要满足两个条件：①混合气的温度要高于着火临界温度；②混合气的浓度要适当，即混合气的浓度要在着火界限之内。
    柴油机缸内着火时机、地点不固定，首先着火的部位是在油束核心与外围之间混合气浓度适当（理想混合气）和温度适当处，如图1-8所示。

    由于缸内符合此要求的部位不止一处，所以可能是多点同时发火，且各循环的着火点也不尽相同。当火核形成之后，火焰即向四周传播，形成稳定的燃烧，传播的路径与速度取决于可燃混合气形成的状态及空气的扰动。
    3.燃烧过程
    在燃烧过程中，气缸内气体的压力和温度不断变化，压力和温度是综合反映燃烧进行情况的最重要的参数，可以用来分析燃烧过程的进展情况，其与曲柄转角的关系如图1-9所示。

    根据油泵供油、喷油器喷油及气缸压力、温度的变化特点，可将燃烧过程分为滞燃期、速燃期、缓燃期及后燃期四个阶段。
    （1）滞燃期从喷油开始到缸内压力线与压缩线偏离的始点阶段，称为滞燃期或着火延迟期。在压缩终点，缸内空气温度达到450～800℃，大于柴油的自燃温度（330 ～350℃ ），但不会立即着火，而是需要进行着火前的准备。一般着火延迟时间为0.7～3ms。
    滞燃期中，燃油没有明显的燃烧，气缸内的压力基本上与纯压缩线相重合。喷人气缸的燃油主要进行一系列的物理和化学准备，包括燃油的雾化、加热、蒸发、扩散与空气混合等物理准备阶段，以及着火前的预氧化等化学准备阶段。
    滞燃期对燃烧过程有重要的影响：在滞燃期内的喷油量均经充分的物理和化学准备，而且此时活塞已接近上止点，气缸容积很小，一旦发火燃烧，这些可燃混合物会瞬时燃烧，使缸内的压力迅速升高到最高爆炸压力。如滞燃期过长，因参与瞬时燃烧的可燃混合气过多，压力升高过快，使柴油机工作粗暴，发生敲缸和机件损坏，因此应力求缩短滞燃期。
    喷油时缸内温度、压力及燃料性质是影响滞燃期的主要因素。
    （2）速燃期从缸内压力线与压缩线偏离的始点到缸内出现最高压力点的时期称为速燃期。着火后，在滞燃期内形成的混合气同时燃烧，活塞在上止点附近，接近于等容燃烧，平均压力升高率升高很快，放热率大。此时期因近似等容燃烧，缸内压力升高到最高爆炸压力，同时是不可控燃烧。燃烧过程速度过快，使平均压力升高率过大而产生燃烧敲缸。
    （3）缓燃期从缸内最高压力点到最高温度点称为缓燃期。速燃期内喷人的燃油在此阶段燃烧，放热量较大，占总放热量的70％～80%。一般在上止点后20～35℃ A，出现循环最高温度，达1600～ 2000℃。大部分燃油在此阶段燃烧。燃烧产物增多，氧和燃油浓度下降，燃烧速度缓慢。温度虽升高，但活塞已下行，压力近似不变，近于等压燃烧。由于混合时间短，高温缺氧下易形成炭烟，要求过量空气系数大于1。
    缓燃期近似等压燃烧，是可控燃烧（负荷大小）。在缓燃期内缸内达到最高温度，燃烧速率逐渐降低。此阶段主要矛盾：油气得到氧分子的速度赶不上燃烧速度的需要而发生不完全燃烧。为改善此阶段的燃烧质量，应设法加强燃烧室内的空气扰动及加速混合气的形成。速燃期和缓燃期一起构成主燃烧期。
    （4）后燃期从温度最高到燃料燃烧结束的阶段是后燃期。因为远离上止点放热，后燃的危害包括排气温度升高，热负荷增加；燃烧室等部件过热，可靠性降低、可靠性效率降低；油耗率增加，经济性降低；可能引起烟囱着火造成火灾，因此应尽量缩短后燃期。
    形成后燃的主要原因有喷油提前角太小、超负荷运行，喷油结束太迟、喷油雾化不良甚至产生滴漏现象，气缸密封不好、燃油品质不好或雾化预热温度太低等。

    4，燃烧过程中存在的问题
    燃烧过程中总是存在着各种各样的问题，主要包括如下问题。
    （1）混合气形成困难，燃烧不完全柴油机混合气形成时间短，其工作过程为边喷油、边混合、边燃烧，混合极不均匀。
    （2）工作粗暴，燃烧噪声较大速燃期内，急剧升高的压力直接使燃烧室壁面及活塞、曲轴等机件产生强烈的振动，并通过气缸壁传到外部，形成燃烧噪声。燃烧噪声与速燃期内的平均压力升高率有很大关系。为使工作柔和，要求△P/△Φ≤<400kPa/℃ A。△P/△Φ的大小主要与滞燃期中形成的可燃混合气的数量有关。缩短着火延迟时间，减少滞燃期内的喷油量，抑制此阶段混合气的形成，可减小燃烧噪声，但与提高动力性相矛盾。
    （3）封汽冒黑烟冒黑烟主要原因为燃烧不完全，造成燃烧不完全的原因多种多样，包括：
    1）超负荷或变工况时，缸内燃烧缺氧。
    2）喷油器雾化不良、燃油滴漏时或者燃油质量不好或过好。
    3）空气滤清器堵塞、换气质量差。
    4）喷油过迟或后燃严重。
    5）气门正时或气门间隙不正确、气门密封不良。
    6）气门压力过小或喷油器弹簧断裂。
    7）活塞与缸套严重磨损等。
    柴油机排气冒黑烟主要发生在大负荷工况时，如加速、爬坡等。燃油在高温缺氧下燃烧时易形成炭烟。减少黑烟的主要措施如下：
    1）增加过量空气系数，但与提高柴油机的动力性相矛盾。
    2）改善混合气的形成，但与改善柴油机工作的柔和性相矛盾。
    （4）排气冒蓝烟、白烟蓝烟的根本原因为大量润滑油燃烧，具体原因包括：
    1）刮油环安装不正确。
    2）长期低负荷运行，，活塞与缸套间隙过大。
    3）油浴式空气滤清器中的机油过多。
    4）气缸油过多等。
    柴油机排气冒白烟可能为水蒸气（燃烧室漏水或油中有水），也可能是未经燃烧的润滑油或燃油液体微粒。在冷起动时点火不良会使燃油液体微粒排出，缸套过度磨损造成润滑油上窜。
    必须注意的是，在冷起动及怠速、低负荷运转时，气缸内温度低，燃烧不良，不同直径的柴油微粒随废气排出，受光线的反射呈现不同的颜色，白烟由0.6～1μm的颗粒构成，而蓝烟由0. 6 μm以下的颗粒构成。暖机时，一般先冒白烟，后冒蓝烟，然后变为无色。
    5．影响燃烧过程的因素
    （1）燃油的影响
    1）燃油的着火性。十六烷值越高，自燃着火性能越好，滞燃时间越短，燃烧过程越平稳，但过高的十六烷值，容易使燃油在高温下裂化分解为游离碳，造成燃烧不完全，柴油机冒黑烟；十六烷值过低，会使滞燃期变长，燃油着火滞后，造成缸内最高燃烧压力和压力升高率变高，使柴油机工作变得粗暴。
    2）蒸发性。蒸发性好，工作粗暴；蒸发性差，则燃烧不完全。
    （2）混合气质量影响混合气质量的原因较多，除燃油及缸内气流外，主要与缸内工质状态、燃油雾化质量、换气质量有关。
    缸内工质状态包括气缸压缩压力与温度，其中压缩温度影响最大，压缩温度高则滞燃时间短，工作平稳。压缩温度取决于进气压力／温度、气缸密封、传热条件、压缩比等，扰动对混合气形成起促进作用。
    燃油雾化质量差时，滞燃时间长，工作易粗暴；雾化质量好，柴油机整体性能水涨船高。
    换气质量好，则滞燃时间短，可促进燃烧完全。反之，将使滞燃时间延长，燃烧不完全。
    （3）压缩比的影响随着压缩比的上升，喷油时气缸内空气温度和压力随之上升，滞燃期从而缩短。速燃期内燃烧的混合气减少。柴油机工作柔和，并能改善柴油机冷起动性。同时热效率会随压缩比上升而上升。但压缩比过大时，缸内最高压力上升，这会导致机械磨损上升。
    （4）喷油提前角的影响喷油器开始喷油瞬时到上止点之间的曲轴转角称为喷油提前角。由于柴油机没有点火正时，喷油提前角实际上即为柴油机的“点火正时”，对柴油机性能及运行影响极大，实际上也是柴油机电控的重要内容。
    喷油提前角对柴油机的燃烧过程有直接影响。如提前角太大，则由于喷油时气缸内的压力和温度较低而使滞燃期延长，最大爆发压力及压力升高率增大，从而使柴油机工作粗暴，功率下降；若提前角太小，则会使燃烧后移，气缸内的压力和温度已下降而使滞燃期延长，并使后燃增加，热效率降低。因此每一种柴油机都有一个最佳的喷油提前角，使燃烧过程比较合理，既有较高的经济性和动力性，又能平稳运转。
    同一柴油机在不同负荷时有不同的最佳喷油提前角。负荷较小时，最大功率较低，柴油机承受机械负荷的能力没有充分发挥，把喷油提前角适当加大，可使燃油消耗率降低。
    同一柴油机燃用不同的燃油，最佳喷油提前角也不同。由柴油改烧重油时，由于重油燃烧缓慢，功率下降，主要燃烧阶段延后，后燃加重，因此适当加大供油提前角，提高功率，减少后燃，可使燃油消耗率降低。
    （5）转速影响发动机转速上升，有改善混合气形成的作用，导致着火延迟时间下降，但着火延迟角有可能上升，也有可能下降。
    柴油机转速上升，气缸漏气及散热损失减少，压缩温度和压力将上升。同时，转速升高能使喷油压力提高，燃油雾化变好，加速了着火准备过程。此外，转速升高时，燃烧室内的空气扰动加剧，促使油气混合。
    综上所述，转速升高能限制混合气形成的时间，使滞燃时间有所缩短。
    （6）负荷影响柴油机的负荷对滞燃期有间接影响。图1-10所示为负荷对着火延迟角和燃油消耗率的影响。当负荷增加时，喷油量增加，气缸内的总发热量也随之增加，使燃烧室壁温度提高，滞燃期稍有缩短。但是在负荷增加时，因喷油量增加和喷油过程的延长，总的燃烧持续期几乎是成比例增长的，其最大燃烧压力提高，后燃加剧。同时，随着喷油量增加，喷油持续角增大，造成燃烧恶化。负荷过大时，燃烧恶化加剧，排气冒黑烟，经济性进一步下降。

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