Образование горючей смеси происходит внутри цилиндра, куда топливо впрыскивается форсункой под давлением 16...18 МПа (160...180 кгс/см2). Это давление значительно превышает давление сжатого в цилиндре воздуха, находящееся в пределах 4...5 МПа (40...50 кгс/см2). Скорость истечения топлива из форсунки достигает 150...400 м/с. В результате трения о воздух струя топлива дробится на мелкие капли диаметром 0,002...0,003 мм. Мелкораспыленное топливо быстро испаряется и сгорает. Угол конуса распылителя зависит в основном от формы и размеров сопла, давления впрыска, вязкости топлива и давления воздуха в цилиндре. У дизелей смесеобразование происходит за 20...40° поворота коленчатого вала и составляет всего лишь 0,001...0,004 с, т.е. в 10—15 раз меньше, чем у карбюраторных двигателей. При таком ограниченном времени однородная качественная смесь может быть получена только при достаточно хорошем распылении и испаряемости топлива.
Для получения горючей смеси, способной быстро и полностью сгорать, нужно, чтобы топливо было распылено на возможно более мелкие частицы. Горение происходит только в присутствии кислорода, поэтому каждая частица топлива должна быть окружена необходимым для полного сгорания количеством кислорода воздуха. Это очень сложный процесс, и для его осуществления приходится наполнять цилиндр гораздо большим количеством воздуха, чем это требуется для полного сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха у дизелей достигает 1,2—1,65.
Чтобы уменьшить избыточное количество воздуха и повысить среднее эффективное давление и литровую мощность дизеля, необходимо улучшать смесеобразование. Этого можно добиться следующими мерами:
- форму камеры сгорания подобрать такую, чтобы она полнее обеспечивала распыление и перемешивание топливного факела, выходящего из сопел форсунки, с воздухом;
- создавать в камерах сгорания вихревое движение воздуха для наилучшего обеспечения распыления и перемешивания топлива с воздухом еще до момента самовоспламенения, что способствует более полному сгоранию топлива;
- путем оптимизации давления впрыска, давления воздуха в камере сгорания, направления выброса струй топлива из сопел форсунки добиваться максимально тонкого распыления топлива, что способствует лучшему испарению и горению топлива;
- за счет конструкции распылителей форсунок и формы камер сгорания добиваться однородного распыления топлива в виде капель примерно одинаковых размеров;
- дальнобойность выбрасываемых струй из сопел форсунок должна иметь требуемую величину. Дальнобойность топливного факела увеличивается при повышении давления впрыска и уменьшается при возрастании давления в камере сгорания за счет повышения сопротивления газовой среды проникновению частиц топлива.
Особенностью работы дизеля является то, что при различных оборотах коленчатого вала количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, почти не меняется, а изменяется количество впрыскиваемого топлива. Из-за этого при малой частоте вращения коленчатого вала воздуха бывает достаточно с избытком, и топливо сгорает полностью. При увеличении частоты вращения коленчатого вала количество топлива, подаваемого в цилиндры, увеличивается, а количество воздуха в цилиндре остается постоянным и даже из-за уменьшения времени на такт впуска несколько уменьшается. В результате уменьшается коэффициент избытка воздуха и ухудшается процесс сгорания топлива. Чтобы дизель обладал наилучшими мощностными и экономическими показателями, впрыск топлива в цилиндр нужно начинать еще до прихода поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ) примерно за 10...20°, считая по обороту коленчатого вала.
Угол, на который кривошип коленчатого вала дизеля не доходит до ВМТ в момент начала впрыска топлива, называется углом опережения впрыска топлива.
Если топливо впрыскивается слишком рано, двигатель работает жестко, а если топливо впрыснуто поздно, то она будет сгорать уже при такте расширения (рабочий ход). В этом случае потери теплоты в систему охлаждения будут очень большими. Увеличивается потеря теплоты и с отработавшими газами. Все это приводит к уменьшению мощности и экономичности двигателя.
Чтобы форсунка впрыскивала топливо с требуемым опережением, топливный насос высокого давления должен начинать подавать топливо еще раньше. Это вызвано необходимостью иметь некоторое время на нагнетание топлива от насоса к форсунке.
Угол, на который кривошип коленчатого вала не доходит до ВМТ в момент начала подачи топлива из топливного насоса, называется углом опережения подачи топлива.