第四章 柴油机的燃料与燃烧过程

柴油机的物理知识点总结一、柴油机的工作原理柴油机的工作原理主要包括四个基本过程：进气、压缩、燃烧和排气。

这些过程也称为柴油机的四冲程，分别对应柴油机的一次循环。

下面我们来逐一介绍这四个过程。

1. 进气：首先是进气过程。

柴油机进气门打开，活塞向下运动，气缸内的压力降低，空气被吸入气缸内。

这时燃油喷射器喷射一定量的柴油，与进入气缸内的空气混合。

2. 压缩：接着是压缩过程。

活塞向上运动，将混合气体压缩至高压。

在高压下，混合气体的温度也会升高，使混合气体更容易燃烧。

3. 燃烧：压缩结束后，喷油嘴向气缸内喷射高压柴油，柴油遇到高温高压气体瞬间着火，产生爆炸。

爆炸产生的高压气体推动活塞向下运动，驱动曲轴旋转，从而传递动力。

4. 排气：最后是排气过程。

气缸内的废气通过排气门排出，为下一个循环的进气过程做准备。

以上四个过程构成了柴油机的一个完整工作循环，也称为柴油机的四冲程。

二、柴油机的原理结构柴油机包括外部部分和内部部分。

外部部分包括机壳、缸盖、气门、进气管、排气管等，主要起到保护和连接的作用。

内部部分主要包括曲轴、连杆、活塞、气缸、燃油喷射器等。

以下我们逐一介绍柴油机的主要部件。

1. 气缸：气缸是柴油机中存放燃气的空间，根据气缸数量不同，柴油机可以分为单缸、多缸等类型。

气缸通常由高强度金属材料制成，具有耐高温、耐磨损的特点。

2. 活塞：活塞是气缸内的活动部件，负责压缩混合气体和转换爆炸能量。

活塞通常由铝合金或铸铁制成，具有良好的导热性能和耐磨损性能。

3. 曲轴：曲轴是柴油机的主要旋转部件，是由几节连杆构成的转轴。

曲轴可将活塞的上下往复运动转换为旋转运动，驱动柴油机的输出轴。

4. 连杆：连杆连接活塞和曲轴，起到传递动力的作用。

连杆承受着来自活塞的冲击力和扭矩，需要具有足够的强度和刚度。

5. 燃油喷射器：燃油喷射器是柴油机的关键部件，负责在适当的时机将高压柴油喷射到气缸内与空气混合。

燃油喷射器的喷油量和喷油时间由电控系统控制，从而控制燃烧的时机和效果。

柴油机的化学方程式
0号柴油是柴油机的燃料，主要由原油蒸馏、催化裂化、热裂化、加氢裂化、石油焦化等过程生产的柴油馏分调配而成也可由页岩油加工和煤液化制取。

用做转速不低于960r/min的压燃式高速柴油发动
机的燃料，也可用做各种柴油燃烧器的燃料。

柴油为混合物，主要成分为烃，即碳氢化合物柴油燃烧的化学反应方程式：
CmH4n +(m+n) O2=点燃= mCO2 2nH2O m，n 为正整数，对于柴油，m大约在9-12左右。

用作负荷转速不低于每分钟1000转的高速压燃式柴油机的燃料。

柴油燃烧的化学反应
柴油是由烷烃，芳香烃，烷基苯，萘类，茚类等有机化合物混合而成的有机物既然有烃类，燃烧后肯定有水生成，其次就是二氧化碳。

柴油机的燃烧过程
COMBUSTION IN DIESEL ENGINE
1 滞燃期(AB 段)
从燃料喷入气缸到压力线脱离压缩压力线开始急剧升高这一段燃前准备时间。

◆ 滞燃期过长，压力升高率和最高燃烧压力高，柴油机工作粗暴。

◆ 滞燃期过短，扩散燃烧增加，易恶化柴油机性能和颗粒排放。

2 急燃期 BC 段
柴油机的预混燃烧期
在上止点附近快速进行，压力升高率大。

形成第一峰放热。

平均压力升高率不宜超过0.6 MPa/︒CA
3 缓燃期 CD 段
柴油机的扩散燃烧期
◆ 缸内温度和压力高，扩散燃烧速度快。

◆ 气缸工作容积不断增加，缸压变化缓。

◆ 缓燃期对应于放热规律曲线的第二峰。

4 后燃期 DE 段
少量柴油的后续燃烧
◆ 过浓混合气未燃烧的燃料、尾喷燃料、碳烟等的燃烧。

膨胀行程的中后期，膨胀比低，做功能力小。

◆ 增加排温和向冷却水的散热损失，使发动机的热负荷增加，经济性下降。

柴油机燃烧缸内p -Φ图 )
()(B C B C p p p ϕϕϕ--=∆∆
滞燃期速燃期缓燃期后燃期
柴油机燃烧放热规律图。

第二章发动机的性能指标1.研究理论循环的目的是什么？理论循环与实际循环相比，主要作了哪些简化？答:目的：1.用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均有效压力为代表的动力性的基本途径2.确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力3.有利于分析比较发动机不同循环方式的经济性和动力性简化：1.以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环中工质的比热容等物理参数为常数，均不随压力、温度等状态参数而变化2.将燃烧过程简化为由外界无数个高温热源向工质进行的等容、等压或混合加热过程，将排气过程即工质的放热视为等容放热过程3.把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热等熵过程，忽略工质与外界的热交换及其泄露等的影响4.换气过程简化为在上、下止点瞬间开和关，无节流损失，缸内压力不变的流入流出过程。

2.简述发动机的实际工作循环过程。

四冲程发动机的实际循环由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气组成3.排气终了温度偏高的原因可能是什么？有流动阻力，排气压力>大气压力，克服阻力做功，阻力增大排气压力增大,废气温度升高。

负荷增大Tr增大；n升高Tr增大，∈+，膨胀比增大，Tr减小。

4.发动机的实际循环与理论循环相比存在哪些损失？试述各种损失形成的原因。

答：1.传热损失，实际循环中缸套内壁面、活塞顶面、气缸盖底面以及活塞环、气门、喷油器等与缸内工质直接接触的表面始终与工质发生着热交换2.换气损失，实际循环中，排气门在膨胀行程接近下止点前提前开启造成自由排气损失、强制排气的活塞推出功损失和自然吸气行程的吸气功损失3.燃烧损失，实际循环中着火燃烧总要持续一段时间，不存在理想等容燃烧，造成时间损失，同时由于供油不及时、混合气准备不充分、燃烧后期氧不足造成后燃损失以及不完全燃烧损失4.涡流和节流损失实际循环中活塞的高速运动使工质在气缸产生涡流造成压力损失。

第二节 汽油机混合气的形成与燃烧一．汽油机混合气的形成1.化油器式汽油机混合气的形成汽油机的不同工况，对混合气成分的要求也不同。

化油器式汽油机的可燃混合气，是在气缸外部由化油器形成的，并通过节气门开度不同控制混合气的量，从而实现混合气的量调节。

1）发动机不同工况对混合气的要求理想的化油器，能够在满足最佳性能要求的前提下，使混合气成分随负荷（或混合气量）的变化而变化，如图3－1所示。

2）化油器的工作原理为满足发动机不同工况对混合气的要求，化油器设有主供油装置、怠速供油装置、加速供油装置、加浓供油装置和起动供油装置等。

2．电子控制燃油喷射汽油机混合气的形成电子控制的汽油喷射系统，以发动机转速和空气量为依据，由ECU 接受来自各个传感器的信号，如：进气量、曲轴转角、发动机转速、加速减速、冷却水温度、过气温度、节气门开度及排气中氧含量等，经处理后，将控制信号送到喷油器，通过控制喷油器开闭时间的长短，控制供油量，使达到最佳空燃比，以适应发动机运行工况的要求。

常用的多点燃油喷射系统示意图如图3－6所示。

二．汽油机正常燃烧过程当汽油机压缩行程接近终了时，由火花塞跳火形成火焰中心，点燃可燃混合气，火焰以一定速度传播到整个燃烧室，燃烧混合气。

1. 正常燃烧进行情况在混合气的燃烧过程中，火焰的传播速度及火焰前锋的形状均没有急剧变化，这种燃烧现象称为正常燃烧。

根据高速摄影摄取的燃烧图，或激光吸收光谱仪来分析燃烧过程。

如图3－7所示，为汽油机燃烧过程的展开示功图，它以发动机曲轴转角为横坐标，气缸内气体压力为纵坐标。

图中虚线表示只压缩不点火的压缩线。

燃烧过程的进行是连续的，为分析方便，按其压力变化的特征，可人为地将汽油机的燃烧过程分为着火延迟期、明显燃烧期和补燃期三个阶段，分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。

1）着火延迟期从火花塞跳火开始到形成火焰中心为止的这段时间，称为着火延迟期。

如图3－7中I 阶段所示。

从火花塞跳火开始到上止点的曲轴转角，称为点火提前角，用θig 表示。

柴油机燃烧过程分哪几个阶段?各阶段有什么特点?一. 进气冲程第一冲程——进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。

当进气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。

当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开。

随着活塞的向下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大：造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面空气就不断地充入气缸。

进气过程中气缸内气体压力随着气缸的容积变化的情况如动画所示。

图中纵坐标表示气体压力P，横坐标表示气缸容积Vh(或活塞的冲S)，这个图形称为示功图。

图中的压力曲线表示柴油机工作时，气缸内气体压力的变化规律。

从土中我们可以看出进气开始，由于存在残余废气，所以稍高于大气压力P0。

在进气过程中由于空气通过进气管和进气阀时产生流动阻力，所以进气冲程的气体压力低于大气压力，其值为0.085～0.095MPa，在整个进气过程中，气缸内气体压力大致保持不变。

当活塞向下运动接近下止点时，冲进气缸的气流仍具有很高的速度，惯性很大，为了利用气流的惯性来提高充气量，进气阀在活塞过了下止点以后才关闭。

虽然此时活塞上行，但由于气流的惯性，气体仍能充人气缸。

二. 压缩冲程第二冲程——压缩。

压缩时活塞从下止点间上止点运动，这个冲程的功用有二，一是提高空气的温度，为燃料自行发火作准备：二是为气体膨胀作功创造条件。

当活塞上行，进气阀关闭以后，气缸内的空气受到压缩，随着容积的不断细小，空气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度为：Pc＝4～8MPa,Tc＝750～950K。

柴油的自燃温度约为543—563K，压缩终点的温度要比柴油自燃的温度高很多，足以保证喷入气缸的燃油自行发火燃烧。

喷入气缸的柴油，并不是立即发火的，而且经过物理化学变化之后才发火，这段时间大约有0.001～0.005秒，称为发火延迟期。