柴油机混合气的形成-发动机原理与汽车理论

柴油机混合气的形成是指燃料喷入气缸至着火及燃烧的整个阶段中所发生的破碎、雾化、汽化并与空气之间相互渗透和扩散的过程，其中部分过程是和燃烧过程重叠进行的，它直接决定着燃烧质量。由于柴油的蒸发性差，因此柴油机是采用高压喷射的方法，即在压缩冲程接近终了时，借助喷油器将柴油喷入燃烧室，与气缸中高温、高压的空气混合形成可燃混合气，经过一系列物理、化学准备后，着火燃烧，随后，混合气的形成和燃烧便重叠进行，即一边喷油，一边混合和燃烧。

柴油机混合气的形成与汽油机相比有两个显著特点：

（1）混合气的形成在气缸内部进行。

（2）混合气形成的时间较短。

从喷油到结束占15°～30°的曲轴转角，当柴油机转速为2 000 r/min时，15°的曲轴转角仅相当于1/8 000 s。在如此短的时间内，混合气的形成是极不充分的，也极不均匀。为了使喷入气缸中的柴油尽可能燃烧完全，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。理想柴油机混合气的形成过程应该是燃料喷入燃烧室后在尽可能短的时间内与周围空气均匀雾化、混合，形成可燃混合气。

着火后继续喷入的燃料应及时得到足够的空气和混合能量，以便迅速混合，力求避免燃料直接进入高温缺氧区域，引起裂化。柴油机混合气形成主要依靠三方面作用：一是燃料喷雾；二是空气运动，必要的空气运动可以促使柴油很快在整个燃烧室空间得到均匀分布，加速混合气形成；三是与燃烧室形状的良好配合。

柴油机可燃混合气的形成，按其形成原理可分为空间雾化混合和油膜蒸发混合两种方式。

一、空间雾化混合方式

该方式直接将柴油喷射到燃烧室空间，经雾化、蒸发与空气混合，形成雾状混合物。为了使混合迅速而均匀，要求采用雾化质量较好的多孔喷油器，并使喷射油束与燃烧室形状相配合，在燃烧室内组织适当的空气运动。燃油与空气的相对运动速度是形成较均匀混合气的主要因素，它可以使油束中的油滴在运动中与空气分子之间产生摩擦和碰撞，进一步分裂细化。相对运动速度越高，这种摩擦和碰撞越激烈，分裂后的油滴直径越小，数量越多，总的蒸发表面积也越大，混合气也越均匀。

空间雾化混合气的优点是混合气形成速度快，燃烧过程比较稳定，对转速范围的适应性强。其缺点是燃料在着火以前形成的混合气量较多，使燃烧过程较为粗暴，并生成较多的NOx。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，所以若油滴蒸发、雾化速度不及燃烧速度快，则将产生不完全燃烧。在中、低速柴油机中，几乎都是采用空间雾化方式组织混合气。中小型高速柴油机中，无论用何种燃烧系统组织混合气，空间雾化方式也都占有一定的比例。

二、油膜蒸发混合方式

该方式是将绝大部分柴油喷射到较高温度的燃烧室壁面上，形成一层油膜，只有5％左右的柴油直接喷射在燃烧室空间的空气中，这一小部分柴油在空间雾化与蒸发，与空气混合而首先着火。柴油着火后使燃烧室的温度迅速升高，使燃烧室壁面上的油膜在强烈的旋转气流作用下，以越来越快的速度蒸发，并与空气形成均匀的可燃混合气。

影响这种混合气质量的主要因素是燃烧室壁温、油膜厚度和空气与油膜相对运动的速度。燃烧室壁温过低，油膜蒸发缓慢。壁温过高会引起燃料裂化。(www.xing528.com)

油膜蒸发混合方式比空间雾化混合方式所得到的混合气更均匀，混合气在这一过程中完全是气相的。通过油膜的蒸发和气流的旋转运动还可以实现分层燃烧，做到既减少冒烟又可控制燃烧速度，防止工作粗暴。因此，用这种方式形成的混合气比例越高，燃烧越柔和，排气中NOx含量也越低。其缺点是油膜蒸发的速度受壁温、油膜厚度和气流运动的影响很大，燃烧不及空间雾化稳定。当燃烧室壁温较低时，混合气形成慢，冷起动困难，怠速及小负荷时HC排放多。

因此，近年来单独使用这种混合气形成方式及其燃烧系统的发动机已越来越少。但对于小型高速柴油机来说，由于燃料或多或少地会喷到燃烧室壁面上，所以两种混合方式都兼有。从这种意义上说，油膜蒸发混合方式仍有重要的学术和实用价值。

三、两种混合方式的对比

表3.2所示为空间雾化混合和油膜蒸发混合特点的对比。在空间雾化混合中，燃油的喷雾特性对混合起决定性的作用。为提高混合气形成速度，往往要将燃料尽可能喷得很细，分布均匀。这样就会使较多的油滴受热蒸发，在着火延迟期内形成大量的可燃混合气，造成初期放热率过大，压力急剧升高，工作粗暴，NOx排放多。但如果减小着火延迟期内混合气生成量，则势必造成大量燃油在着火后的高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成炭烟。因此，尽管空间雾化混合方式有较高的热效率，但炭烟、NOx和燃烧噪声均较高。

表3.2　空间雾化混合和油膜蒸发混合方式的对比

续表

油膜蒸发混合的指导思想是利用燃油蒸发速率控制混合气生成速率，燃烧室壁面和空气旋流起了主要作用。图3.22所示为两种混合方式的混合气形成速率对比。

图3.22　两种混合方式的混合气形成速率对比

如果在着火延迟期内喷入燃烧室的燃料量相同，则由于油膜受热蒸发所需时间比细小油滴长得多，加之燃烧室壁温控制较低，油膜蒸发混合方式在着火延迟期内生成的混合气量远小于空间雾化方式。随燃烧的进行，在高温和火焰辐射作用下，油膜蒸发加速，使混合气生成速度加快。

另外，大部分燃料是在蒸发后以气体状态与空气或高温燃气接触，这样可以避免空间雾化混合时常有的液态燃油高温裂解问题，使炭烟特别是大颗粒炭烟排放降低。尽管由于油膜蒸发混合方式存在一些难以解决的问题，且在实际中应用不多，但它的提出打破了空间雾化混合概念的束缚，开阔了发动机混合气形成和燃烧的思路，具有重要的理论意义。

上述各种气流运动方式和混合气形成方式在实际柴油机中并不是单一存在的，往往是多种方式并存。以中、小型车用直喷式柴油机为例，在以空间雾化混合为主的同时，到达壁面的燃油又存在油膜蒸发混合方式，燃烧室中的热混合现象也是客观存在的。至于气流运动，则以进气涡流为主的同时，挤流、微涡流乃至多气门时专门组织的滚流都有。这充分反映了实际柴油机中混合气形成和燃烧的复杂性与多样性。