一.柴油机燃烧过程
1.燃烧过程概述
柴油机燃烧过程一共分4个阶段，分别是着火延迟期，速染期，缓燃期，补燃期。
其中真正燃烧的过程是后三个，着火延迟期是整个燃烧过程的准备期，并没有真正的燃烧。
速燃期指的是燃烧开始到燃烧压力最高的阶段，缓燃期则是最大压力到最大温度的阶段。
速燃期是整个过程中最剧烈，放热速率变化最快，对气缸要求最大的地方，压力最大。
缓燃期是放热速率最高的地方，温度最高，而缓燃期燃烧的效率和好坏将直接影响整个燃烧过程的优良。
补燃期则是对整个燃烧过程的收尾，不可避免但是有很多缺点，应该尽量缩短补燃期。
2.燃烧放热规律
燃烧放热规律的三要素：燃烧起点、燃烧放热规律曲线形状和燃烧持续时间。
一个较为理想的燃烧放热规律要有
①合适的燃烧起点，同时燃烧应该是先缓后急。（合适的燃烧起点指的是最高的燃烧压力出现在上止点后10°到15°）
②在开始放热阶段不希望燃烧放热效率上升的过快，应降低压力升高率，使柴油机的工作粗暴得以控制。（避免爆燃等不良反应）
③之后的燃烧应该加速进行，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。（充分燃烧，决定整个燃烧过程的好坏）
④燃烧持续时间不宜过长。（效率低，经济性差，且增加对零件负荷）
二.燃油喷射和雾化
1供油系统和喷射系统
喷油泵供油系统一般由油箱 输油泵 柴油滤清器 喷油泵 喷油器组成。除此之外还有调整器和供油提前角调节装置。
喷油泵的主要作用是定时定量地经高压油管向各缸的喷油器周期性地提供高压燃油，有直列式喷油泵和分配式喷油泵两种。直列式适应性强，但体积较大。分配式体积小结构精巧但是难承受较大供油压力，且对燃油的质量要求高。
喷油器的主要作用是将喷油泵供给的高压燃油喷入柴油机燃烧室内，使燃油雾化成微细颗粒，并按一定的要求适当地分布在燃烧室内。分为孔式和轴针式。孔式适用于直喷式燃烧室，轴针式适用于分隔式燃烧室。轴针式喷油器（喷油初期喷油量小后期大）更适合柴油机发动机工作，但由于是集中喷射，一旦燃烧室气体进入喷油器将严重影响喷油器工作，而孔式喷油器一般都是多孔结构，同时由于结构原因有着易调节，适应性较强等特点。所以在直喷式这种工作环境较为恶劣的情况下，直喷式比轴针式更合适。而在分隔式，由于有着主副燃烧室的原因，副燃烧室燃烧较为平滑，所以轴针式更好。
三.混合气的形成
1.柴油机混合气形成特点和方式
由于柴油的蒸发性和流动性都比汽油差，使得柴油很难与空气混合，所以形成的可燃混合气不均匀，品质较差。所以不得不增大空气量（较大的过量空气系数），使柴油和空气能够充分混合，燃烧完全。
混合气的形成分为两种，分别是空间雾化混合和油膜混合两种。
空间雾化混合是直接将柴油喷射到燃烧室空间，使柴油与空气形成混合气的一种混合方式。在这里柴油和空气的混合，主要是靠柴油的喷散，蒸发以及油束动能对空气的卷吸作用。但是，这种柴油分子的扩散范围是有限的，只能与它附近的空气相混合。为了充分利用燃烧室内的空气，并使混合迅速而均匀，一般需采用两个措施，其一是必须采用较高的压力喷射和雾化质量较好的多孔式喷油器，并使喷射油束与燃烧室的形状相配合，将雾状柴油尽可能均匀地喷射到整个燃烧室空间去。其二是在燃烧室内适当地组织空气运动，利用气流运动来促进柴油与空气的混合。这对于改善高速柴油机的燃烧过程，提高柴油机的性能是十分重要的。
油膜蒸发混合就是通过喷油器将柴油油喷入燃烧室壁面上形成油膜，只有少量柴油会直接喷射在空气中，这一小部分柴油在空间气化，并与空气混合，作为着火源而首先燃烧。随着燃烧过程的进行，燃烧室的温度迅速升高，然后通过燃烧室里的高温，将油膜气化，在强烈的旋转气流作用下，使覆盖在燃烧室壁面上的油膜以越来越快的速度蒸发并与空气形成均匀的混合气，从而保证燃烧过程得以迅速而有效地进行。关键因素是燃烧室表面温度，空气与油滴的相对速度，油膜的厚度。资料上说，油膜厚度为200-600μm的情况下，燃烧壁温度要到200℃以上才能使蒸发率达到95%以上。
开式有着结构简单，制造成本低，气缸盖结构比较简单，不易发生热变形等优点。但是由于转速快，混合气形成和燃烧时间极短，单靠燃油的喷射雾化，对喷油器要求过高，不仅喷孔直径要小，还要有足够的喷射压力。这样的喷油器制造困难且可靠性下降，还易产生爆燃和较大的噪音。即便如此，开式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燃烧。为了使混合气充分的燃烧，不得不增大过量空气系数，虽然增加了经济性但是使得功率下降，很难适用于变转速运动，只适用于低速轻量的车型。
（科普半球形燃烧室：
半球形英文表达为“hemispherical” ，因此半球型燃烧室发动机又称为 Hemi发动机，它的特点是进排气门均采用与活塞顶面不平行的角度布置，利用气体的流动提升气缸的进排气效率，从而提高发动机的燃烧效率，增加其产生的功率!而这种倾斜式缸盖结构一直沿用至今，它使柴油机进入了高速高动力时代，例如在1951年，克莱斯勒汽车公司就制造出了拥有 180 马力 ( 134.226kw) 的 V8“Hemi”发动机，这在当时却是一个难以企及的动力高度!
）
为了改善这种情况，半开式燃烧室产生了
半开式燃烧室是在活塞顶部有一个较深而窄的凹坑，并且在缸盖顶部安装多个喷孔的喷油器燃烧室里面混合气的形成不再是像开式燃烧室一样，只依赖于喷射能量，而是由进气涡流"喷射能量以及凹坑的进气挤压 3 种气流相互作用而成的!半开式燃烧室按照其具体形状主要分为深 ω 型、四角型和球型燃烧室 3种。
深ω型燃烧室，就是表示燃烧室为ω形状，它的空气利用率较开式燃烧室提高了不少，主要是由于凹坑中心的凸起修正了中心区域气流运动很弱的缺陷，并且使进来的燃油在燃烧室中形成了涡流，空气运动以进气涡流为主，挤压涡流为辅，确使燃烧室更容易形成均匀的混合气，故起动性能比较好，然而由于它对喷油器的要求比较高，喷孔比较容易堵塞，导致工作粗暴，排气污染比较严重!这种燃烧室广泛应用在中小型高速柴油机上。
四角型燃烧室是ω 型燃烧室的变形和改进，其活塞顶凹坑的上部为四边形，下部为回转体，而连接处都是圆滑过。这一形状的设计，主要是利用了特殊的边角会对空气涡流有破碎"聚合"重组这一原理，例如上部的四边形的几个边就是为有利于产生微涡流而存在的，增强空气的涡流，有助于提高柴油机的转速适应性，相对于ω 型燃烧室，它的排放得到相当大的改善。
球形燃烧室是位于活塞顶部的类似球形的凹坑。以上的两种采用的是以空间雾化混合为主的混合气形成方式，而球形燃烧室运用的是以油膜蒸发混的为主的混合气形成方式。一般采用螺旋状的进气管，加上较高的喷射压力，将高压燃油通过单孔或多孔喷油器沿着燃烧室的切线方向喷入燃烧室，其中大部分被喷射到燃烧室壁面上，形成较为均匀的油膜，只有极少量燃油分布到空间。油膜从燃烧室壁面吸热后逐层蒸发，通过燃烧室内的空气涡流加速油膜蒸发且使混合气形成更加均匀。而之前直接进入燃烧室的少量燃油颗粒与空气先完成混合而着火，并开始整个燃烧过程。由于前面油滴都在燃烧室表面上，并没有蒸发，所以整个燃烧室在刚开始的时候压力起点较低且升高率也相对较低。整个燃烧过程比较平稳，燃烧噪声较小，经济性也较好。但同时也有些致命缺点，冷启动较为困难，变工况性能较差，特别在低速低负荷工况下，因壁面温度较低且空气涡流弱，使油膜蒸发困难，这些都抑制了球形燃烧室的发展和普及。
为解决这一问题，中国的史绍熙等在1964年发明了复合式燃烧室。他综合了两种混合气形成方式他巧妙地把空间燃烧与油膜燃烧相结合，利用气缸内空气涡流随发动机工况变化的规律，改变燃油在空间与壁面上分布配比，使之在发动机起动或低速运转时，由于涡流速度低，空间燃料增多而具有“空间式”特点，从而克服了Ｍ过程起动困难的缺点；当发动机高速运转时，由于涡流速度高，壁面燃料多，又具有“油膜式”的特点，其结果不仅改善了柴油机的燃烧过程，降低了燃油消耗率，而且还可燃用多种燃料，特别是避免了采用小型多孔式喷油嘴，而采用我国大量生产的具有自清作用的轴针式喷油嘴，适应了当时我国的制造与使用条件。这不仅是我国第一个具有独创性的燃烧过程，而且也早于国外后来出现的类似过程（如德国的Ｄ过程和Ｈ过程）。
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直喷式燃烧室柴油机的性能特点
①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燃油消耗率低10%-20%，经济性好是直喷式柴油机的突出特点，但工作粗暴，压力升高率高，燃烧噪声大。
-极高的喷射压力以及觉高的空气过量空气系数，使其在燃烧室形成剧烈的空气流通，通过柴油油滴和空气的相对运动，使空气和柴油进行混合。
②燃烧室结构简单，表面积与容积比小，因此散热损失小，没主副室之间的流动损失，一方面可使冷起动性能较好，另一方面也是经济性好的重要原因。
③对喷射系统的要求高，特别是开式燃烧室。半开式对气道也有较大的要求
-对气道的要求是为了形成较为强烈的进气涡流和挤压涡流，加速混合气形成
④NO的排放量较分隔式燃烧室柴油机高，特别在较高负荷的区域内，高约一倍，而开式燃烧室的微粒排放量相对较低。
-NO混合物主要是在高温富氧、相对有较充裕反应时间的条件下形成。当过量空气系数在一定范围内，NO混合物的排放量随过量空气系数的下降而增高。但是由于在分隔式燃烧室柴油机燃烧过程中，副燃烧室混合气较浓而主燃烧室温度又相对较低，因此在较高负荷下，分隔式比直喷式NO排放量低。而微粒的形成条件室高温低氧，与直喷式燃烧室条件不符。
⑤对转速比较敏感，特别是半开放式的燃烧室，较难同时兼顾高速和低俗工况的性能，适用转速比分隔式燃烧室柴油机低。
4.分隔式燃烧室（涡流式燃烧室+预燃室燃烧室）
分隔式燃烧室的结构特点是初位于活塞顶部的主燃烧室外还有位于缸盖内的副燃烧室，两者之间有通道连接。燃油不直接喷入主燃烧室，而是喷入副燃烧室。
两者都是在压缩过程中，空气从主燃烧室经通道流入副燃烧室，在涡流室形成有组织的涡流或无组织的紊流。将燃油喷入副燃烧室，燃料先在预燃室与涡流或者紊流空气混合进行部分燃烧，利用燃烧的热量把剩余的燃油喷入主燃烧室，同时再次形成强烈的空气运动，促使燃料与空气混合均匀，燃烧充分。
两者共同的特点：空气利用率高，燃烧比较充分，而且对喷射系统要求较低（可以使用轴针式）。这是的在其他条件相同时，拥有比直喷式柴油机更高的转速和转矩。缺点是燃烧室空间复杂，气流和热能传播路程长，所以散热损失和气流损失也比较大，而且燃料消耗率也比较高，经济性较差，而且冷启动困难，一般要附加预热塞。
而预燃室燃烧室与涡流式燃烧室柴油机相比，上述特点更加突出，此外，与涡流式必须置于气缸一侧不同，预燃室位置的安排比较灵活，因此可以适用于四气阀的柴油机。
5.燃烧室的选用
主要应结合各类燃烧室的特点并考虑柴油机的缸径大小，转速范围具体适用要求和特点以及制造维修水平等。。书P121
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