柴油机混合气形成过程主要依靠对燃油喷射、气流运动以及燃烧室形状的三者匹配。柴油机的混合气形成方式可分为两大类，即空间雾化混合与壁面油膜蒸发混合。

将燃油喷射到空间进行雾化，通过燃油与空气之间的相对运动和扩散，在空间形成可燃混合气的方式称为空间雾化混合。常用的空间雾化混合方式：直喷式柴油机采用多孔喷油器（6～12孔）以高压将燃油喷入燃烧室中，通过多个喷油油束均匀覆盖大部分燃烧室以及高压喷油产生高度雾化，形成可燃混合气，如图1a所示。图1b表示在有旋气流场中燃油和空气相互运动的混合气形成方法，用喷孔较少（3～5孔）的喷油器将燃油喷到空间中，在喷油能量和空气旋流的同时作用下，油束的扩散范围迅速扩大，能在短时间内形成大量可燃混合气。

图1 直喷式柴油机的混合气形成方式

以球形燃烧室为代表的壁面油膜蒸发混合方式如图2所示。燃油沿壁面顺气流喷射，在强烈的涡流作用下，在燃烧室壁面上形成一层很薄的油膜。在较低的燃烧室壁温控制下，油膜开始以较低的速度蒸发，形成少量可燃混合气。着火后，随燃烧的进行，油膜受热逐渐加速蒸发，使混合气形成速度和燃烧速度加快。

图2 壁面油膜蒸发混合

表中列出了空间雾化混合（主要指直喷式柴油机）和壁面油膜蒸发混合的特点及对比。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。壁面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，燃烧室壁面温度和空气旋流起主要作用。

图3对两种混合方式的混合气形成速率作比较。在滞燃期内喷入燃烧室的燃料量相同的条件下，由于油膜受热蒸发所需时间较长，加之燃烧室壁温控制较低，使油膜蒸发混合方式在滞燃期内生成的混合气量远小于空间雾化方式。随着燃烧进行，在高温和火焰辐射作用下，油膜蒸发加速，使混合气形成速率加快。

图3 柴油机两种混合方式对比

柴油机中燃油以较高压力喷射入燃烧室，燃油在燃烧室壁面发生撞壁后会形成油膜，此时缸内同时存在空间雾化混合和壁面油膜蒸发两种混合方式。但为了改善发动机燃烧和排放特性，需要尽量减少撞壁油膜而增加油气混合。通过改变燃烧结构，减少撞壁油膜产生，进一步减少壁面油膜蒸发混合。例如在ω燃烧室内设置BUMP燃烧室，撞壁射流在遇到BUMP燃烧室后会剥离燃烧室壁面，形成二次空间射流，扩大了撞壁射流与空气的空间混合体积，出现与周围空气迅速混合的“闪混”现象。

汽油机的燃料供给方式有化油器、进气道喷射和缸内直喷三种，如图4所示。其中，化油器主要流行于20世纪80年代以前，随着排放法规加严，需要对空燃比进行精确控制以保证三效催化器的高效净化，导致其逐渐被进气道喷射方式所替代。

图4 汽油机燃油雾化方式

汽油机进气道喷射如图5所示，其混合气形成过程包含喷雾液滴的破碎、蒸发，油束碰壁，油膜的蒸发、剥离以及混合气的湍流流动。以进气门关闭喷射（闭阀喷射）为例，其混合气形成过程可分为两个阶段：进气道中的喷油雾化蒸发和缸内蒸发混合。

图5 汽油机进气道喷射示意图

在进气门关闭状态下，汽油被喷射到空气静止的进气道中，如图6所示。燃油喷雾一部分散布在进气道空间里，一部分冲击到高温的进气阀背面或进入进气道喉口内壁发生碰壁，在壁面形成油膜。进气行程开始前就完成喷油，使燃油有足够的气化混合时间，同时利用进气道中的高温气氛和碰撞二次雾化加速燃油蒸发，因而可以获得均质程度最好的混合气。

图6 汽油进气道油膜蒸发示意图

如图7所示，随着活塞下行，缸内形成滚流，气流促进油气混合。随进气阀开启，由于油膜和空气的相对运动加快，油膜的蒸发速率明显提高。到下止点时，缸内混合气的均匀程度改善，同时由于进气惯性使得进气道中的油气混合气继续顺进气门上沿流入缸内，靠近进气门侧的壁面处混合气相对较浓。进气门关闭后，随活塞上行，缸内温度升高，湍流程度也逐渐提高，这些都加速了燃油的蒸发以及与空气的混合。

图7 汽油在缸内的蒸发和混合过程（模拟计算结果）

在缸内直喷汽油机中，采用缸内直喷方式以较高的喷射压力将汽油直接喷入气缸形成混合气，通过改变喷油时刻和喷油策略组织不同特性的混合气分布来适应缸内直喷发动机的工况的变化。当喷油时刻过早，燃油与空气混合充分，在缸内形成均质混合气。当喷油时刻推迟，燃油与空气混合不够充分，在缸内形成分层混合气。此外，相比于单次喷射策略，采用两次喷射策略可以进一步增加混合气浓度梯度，在缸内形成分层混合气分布。