船舶柴油机重点复习资料分析

模块三燃油喷射与燃烧

重点：喷油设备的工作原理、结构组成、检查调整、主要故障及管理。

难点：供油规律、喷油规律及影响因素，回油阀调节式喷油泵的检查与调整，燃烧过程、影响因素及控制措施。

对柴油机燃烧的要求可概括为及时（在上止点前后发火并燃烧完毕）、完全、平稳（燃烧过程柔和无敲缸现象）和空气利用率高。影响燃烧的因素有：燃油品质及喷射、空气（数量与涡动）和压缩温度。

单元一燃油

一、燃油的成分及组成

碳

燃油大量来自石油产品。石油故称为烃类化合物

氢

提炼燃油工艺：蒸馏、裂化、催化裂化、加氢裂化。

常压蒸馏：（360-370°）可分离汽油、煤油、轻柴油、重柴油。

蒸馏

减压蒸馏：（410°）分离出重柴油和润滑油。

脂肪烃自燃温度低，自燃性能好，易燃烧。

烃环烷烃自燃温度较脂肪烃高，自燃性能也比脂肪烃差。

芳香烃自燃温度最高，自燃性能差，易结碳，不宜作为燃料。

二、燃油的理化性能指标及其影响因素

影响燃油燃烧性能指标（十六烷值、柴油指数、馏程、发热值、密度和粘度）；

燃油的质量指标影响燃烧产物构成指标（硫分、灰分、沥青分、残炭值、钒和钠的含量）；

影响燃油管理工作指标（粘度、密度、闪点、凝点、浊点、倾点、水分、机械杂质）。

1．十六烷值

表示自燃性能的指标。十六烷值越高，其自燃性能越好，但应适当。

十六烷值过低，会使燃烧过程粗暴，甚至在起动或低速运转时难以发火；

十六烷值过高，易产生高温分解而生成游离碳，致使柴油机的排气冒黑烟。

通常高速柴油机使用的燃油十六烷值在40～60之间，中速机在35～50之间，低速机十六烷值应不低于25。

2．柴油指数

3．馏程

馏程就是在某一温度下燃油所能蒸发掉的百分数，它表明了燃油的蒸发性，也表明燃油轻重馏分的组成。轻馏分的蒸发速度比重馏分快，能与空气较快混合，滞燃时间短，燃烧较快。

4．粘度

粘度表示流体的内摩擦，即燃油流动时分子间阻力的大小。燃油的粘度通常以动力粘度、运动粘度、条件粘度等表示。

接绝对粘度：动力粘度和运动粘度

粘度

恩氏粘度

相对粘度雷氏粘度

塞氏粘度

燃油的粘度对于燃油的输送、过滤、雾化和燃烧有很大影响。粘度过高，不但输送困难、而且不利燃油雾化，使燃烧不良；粘度过低，则会造成喷油泵柱塞偶件、喷油器针阀偶件润滑不良而加快磨损。压力和温度对燃油的

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粘度影响很大，压力增加，粘度增加；温度增加，粘度下降。

5．热值

lkg燃油完全燃烧时所放出的热量称为燃油的热值。重油的基准低热值H u=42000kJ/kg，轻油的H u=42700kJ/kg。

6．硫分

（1）液态下对燃油系统的部件有腐蚀作用；（2）燃烧产物中的SO2和SO3，在高温下呈气态，直接与金属作用发生气体腐蚀；（3）SO3和水蒸气在缸壁温度低于它们的露点时会生成硫酸附在缸壁表面，产生“低温腐蚀”。

7．灰分

8．钒、钠含量

钒、钠等金属燃烧后生成的低溶点的化合物，当缸壁和排气阀表面温度过高而超过这些化合物的熔点时，它们就会熔化附着在金属表面上，并与金属发生氧化还原反应而腐蚀金属，形成“高温腐蚀”。

9．机械杂质和水份

机械杂质可使喷油器的喷孔堵塞。致使供油中断，加剧油泵的磨损。

水分会降低燃油发热值

10．沥青分

燃油中沥青重量的百分数叫沥青分。沥青难燃烧，使排气冒黑烟，易积炭。

11．残炭值

表示燃油在燃烧过程中形成炭渣的倾向。并不表示结碳的数值。结碳使热阻增加，引起过热、磨损。

12．闪点

闪点有开口和闭口两种。开口闪点要比闭口闪点高20～30％。船用柴油机燃油的闪点一般为60-65°。13．凝点、浊点、倾点：表明低温流动性的指标。

凝点：燃油冷却到失去流动性时的最高温度

浊点：燃油开始变得混浊时的温度

倾点：油尚能保持流动性的最低温度

一般燃油的倾点高于凝点3～5℃，浊点高于凝点5～10℃。燃油的最低使用温度应高于浊点3～5℃。浊点＞倾点＞凝点

14．密度

相对密度：燃油在20℃时的密度与4℃时水的密度之比。

密度对燃油使用的意义：（1）在装载燃油时可根据燃油密度和油舱容积计算装载量。（2）可根据燃油密度正确选择分油机的比重环。一般分油机允许的最高分离密度为0.991g/cm3（3）当换用不同密度的燃油时，由于喷油泵的循环供油量不同（油量调节机构不变）柴油机转速将相应变化。

三、燃油牌号与选用

1．国内：轻柴油：按凝点不同分为10号、0号、-10号、-20号及-35号

重柴油：按凝点不同分为10号、20号及30号

燃料油：按37.8℃时的雷氏一号粘度值区分其牌号

渣油：按80℃时的运动粘度作为其牌号

2．国外：船用轻柴油应急发电机和救生艇柴油机

船用柴油作副柴油机和主机机动操纵时

中间燃料油用于各类大功率中速机及低速机。

船用燃料油用作新型低、中速主机的燃油及船用锅炉燃油

四、燃油燃烧的热化学

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2．过量空气系数

实际供给的空气与理论空气需要量的比值称燃烧过量空气系数α。即：

0L L =

α

显然，柴油机在正常工况时α总是大于1。

α是一个很重要的燃烧过程性能指标、工作参数，它对性能的影响表现在：

（1）α小，表示相对一定的气缸进气量，气缸喷油量较多，因而气缸强化程度高，单位气缸工作容积作功能力大，平均有效压力P e 较高，但气缸热负荷大，排温高，经济性下降。当气缸容积、进气状态和扫气系数?s 一定时，每循环充入气缸的空气量一定。α小，意味着每循环能燃烧的油量多，发出的功率也大。因此，柴油机在标定工况下能以较小的α良好运转，说明气缸容积的利用程度高，混合质量好。

（2）不同机型 α值不同：高速机α值＜低速机；

增压机α值＞非增压机； 四冲程机＜二冲程机。

增压、低速、二冲程的α值最大。

（3）燃烧室内不同地区的α值不同：油束内部：α≈0

油束内部 外部周边，α值逐渐增加。 燃烧室周边无油区α ∞

思考题：

1．α值的概念。

2．燃油的理化性能指标及其影响因素有哪些？

单元二 燃油的喷射和雾化

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1．燃油的喷射系统的类型及要求

1）对喷射系统的要求

（1）定时喷射

（2）定量喷射

（3）定质喷射

2）类型

柱塞泵式现代船舶上最常见最基本的一种。

直接作用式泵-喷油器式

类型分配式

液压伺服式

间接作用式高压泵系统

电子喷射系统

燃油喷射系统的作用，是在一定的时刻以很高压力将一定数量的燃油迅速地喷入气缸，使之雾化。

喷射系统的主要组成是喷油泵、喷油器和连接它们的高压油管。

二、燃油的喷射过程

图为喷射过程的示波图。图中a)为喷油泵出口压力曲线；b)为喷油器进口压力曲线；而c)则为喷油器针阀升程曲线；横坐标均为曲柄转角。按喷射过程的特征可将其分为喷射延迟、主要喷射及滴漏三个阶段。

1．喷射过程的三个阶段

1）．喷射延迟阶段

从喷油泵供油始点（O H）到喷油始点（O u）为止的第Ⅰ阶段为喷射延迟阶段。

喷油泵供油始点，喷油器并未抬起喷油，直到喷油器内压力升高到启阀压力时，燃油才喷入气缸。因此喷油提前角小于供油提前角。

喷油提前角：喷油器开始喷油瞬时曲轴与上止点之间的夹角。对机燃烧过程有直接影响。

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造成喷射延迟的原因：（1）燃油的可压缩性（2）高压油管的弹性（3）高压系统的节流。影响喷射延迟阶段长短的主要因素是：高压油管特性参数、喷油器针阀的启阀压力、柴油机的工况以及喷油泵出油阀和喷油器针阀的结构特点等。

2）．主要喷射阶段

从喷油始点（O u）到供油终点（K H）的第Ⅱ阶段为主要喷射阶段。

本阶段内喷油压力继续升高，燃油是在不断升高的高压下喷入气缸，本阶段的长短主要取决于柴油机负荷，负荷愈大，本阶段愈长。

3）．滴漏阶段

从供油终点（K H）到喷油终点（K u）的第Ⅲ阶段为滴漏阶段。

在这阶段中，喷油器中的压力从最高喷油压力pφmax一直下降到针阀落座压力p K。燃油是在不断下降的压力作用下喷入气缸，使燃油雾化不良，甚至产生滴漏现象。因此应力求使此阶段缩短到最小限度。

2．喷射过程的压力波

在喷射过程中，喷射系统中将发生很大的压力变化，形成较强的压力波，造成喷射过程中燃油压力波的原因有：

（1）喷射过程是高压系统内压力巨变的过程（2）燃油的可压缩性（3）高压油管的弹性产生容积变化。三、供油规律和喷油规律

燃油的喷射质量通常可从燃油的雾化质量及喷油规律两个方面来评价，而喷油规律主要由供油规律来控制。

1．概念：喷油器单位凸轮转角的喷油量dg n/dφ随凸轮轴转角的变化规律。

喷油泵单位凸轮转角的供油量dg n/dφ随凸轮轴转角的变化规律。

2．影响喷油规律的因素

（1）凸轮型线和有效工作段

在柱塞有效行程和供油始点相同的情况下，凸轮外形越陡，油压上升越快，供油速度越大，喷油延迟角和喷油持续角就越小。

当凸轮外形确定后，就要选择凸轮有效工作段的位置。为了获得较短的喷油时间和必需的喷油压力，一般将凸轮的有效工作段选在柱塞运动的高速部分，以减小喷油持续角，提高雾化质量。

（2）柱塞直径和喷孔直径

在不改变柱塞行程和供油量而增大柱塞直径时，供油速度增大，喷油延迟角和持续角均减小，当喷油器的喷孔数不变而喷孔直径减小时，由于喷油阻力的增加使喷油持续角增大，而每度凸轮转角的喷油量减小。此时，由于高压油管中的压力增高，容易产生重复喷射。（3）高压油管尺寸

高压油管愈长，喷油延迟角大而喷油持续角基本不变。为了使各缸喷油规律一致，应尽可能使各缸的高压油管长度相同。

（4）柴油机负荷与转速

当柴油机转速及喷油定时不变时，若增大负荷，其喷油始点基本不变而喷油终点改变，并且增加了后半期的喷油量。

当柴油机负荷及喷油定时不变而改变转速时，随着转速的增加，相应每度凸轮转角的时间缩短，故喷油延迟角和喷油持续角均加大，而每度凸轮转角的喷油量减少。

四、异常喷射

正常：一个工作循环，针阀只启闭一次，针阀升曲线呈梯形，高压油管中剩余压力基本相同。

1．重复喷射（二次喷射）

1）概念：当喷油泵供油结束，喷油器针阀落座后又重新被油压抬起的喷射现象称为重复喷射，又叫二次喷射。

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长度较大或刚性较小的高压油管（5）喷油器启阀压力较低。

3）危害：会使喷油持续角变大，雾化质量降低，致使燃烧恶化、后燃严重、排温升高、机件过热、燃烧室结碳、排气冒黑烟等，从而降低了柴油机的经济性和可靠性。

4）防止措施

2．断续喷射

1）概念：在喷油泵的一次供油期间，喷油器针阀断续启闭的喷射过程。

2）原因：断续喷射容易发生在低转速低负荷工况。此时供油泵的供油量小于喷油器的喷油量和充填针阀上升空间所需油量之和。

3）危害：增加针阀偶件磨损。

3．不稳定喷射和隔次喷射

1）概念：是指喷油泵持续工作，但各循环的喷油量不均的情况。其极端情况是隔次喷射，即喷油泵每供两次油喷油器才喷一次油。

2）原因：（1）低速低负荷工况。（2）喷油设备偶件过度磨损

3）危害：转速不稳定，造成低速运转时自动停车。

4．滴漏

五、最低稳定转速

能使柴油机各缸均匀发火的最低转速。

船用柴油机：低速机：≤30％n b，中速机：≤40％n b，高速机：≤45％n b。

六、燃油雾化

1．概念：燃油在很大压差作用下，高速流经喷孔，由于喷孔的扰动作用及缸内压缩空气的阻力作用，使喷出的燃油分裂成由细小的油粒组成的圆锥形油束，这些油粒在燃烧室内进一步分散与细化的过程称为雾化。由此可知，影响燃油雾化的因素主要是喷出燃油的强烈扰动与缸内压缩空气对燃油的阻力。

油束射程

油束的几何形状油束锥角

表征喷柱的油束特性雾化细度

雾化质量

雾化均匀度

2．影响油束特性的主要因素

影响雾化的主要因素有喷油压力、喷油器喷孔直径〖和孔数〗、燃油粘度和喷射背压。

1）喷油压力

喷油压力增大，雾化细度及均匀度提高，油束锥角β和射程L增大，雾化质量提高。2）喷孔直径喷孔直径增大，雾化细度和均匀度均下降，但油束射程L增大而锥角β减小。相反，当喷孔直径减小时，雾化细度及均匀度提高，油束锥角增大而射程减小。

在喷油嘴总通流面积不变的情况下，喷孔孔数越多，其直径越小。雾化细度和均匀性提高、油束锥角增大，但射程下降。

3）燃油粘度

当燃油粘度增加时，由于其流动性差，分裂较困难，故雾化不良。为保证雾化良好，当使用粘度较高的燃油时应采取预热措施以降低燃油粘度。

4）喷射背压

当喷射背压增加时，即缸内压缩空气的密度增加，燃油喷射时受到的阻力增加，因此雾化质量提高，锥角β变大，而射程L缩短。

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思考题：

1．对燃油喷射系统有何要求？

2．造成燃油喷射延迟的主要原因有哪些？

3．何谓二次喷射？有何危害？造成二次喷射的原因有哪些？

4．什么叫雾化？表征喷柱的油束特性的指标有哪些？

5．为什么柴油机在高速时较稳定，而在低速时易不稳定？

单元三可燃混合气的形成

一、可燃混合气的形成方法

1．空间雾化混合法：

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3．影响混合气形成的因素

（1）燃油的雾化质量。对低速机影响大，主要是采用油雾法混合。

（2）燃烧室空气涡流。对小型高速机影响大，主要是采用空气扰动。

（3）压缩终点的缸内热状态。

（5）燃烧室类型。

二、缸内空气扰动涡动的形式

1．进气涡流

2．挤压涡流

3．压缩涡流

4．燃烧涡流

三、燃烧室

燃烧室分为直喷式与分隔式两大类。直喷式包括开式与半开式两类，而分隔式有涡流室和预燃室两种。

开式

直喷式

燃烧室半开式

涡流室

分隔式

预燃室

1．直喷式燃烧室

1）开式燃烧室：适用于大、中低速机

开式燃烧室如图所示。适用于缸径D≥160mm的柴油机，船舶主机、发电副机均采用这种燃烧室。

上图a中为平顶活塞、倒钟形气缸盖，适用于大型低速二冲程弯流扫气式柴油机；图b为浅盅形凹活塞、倒盅形气缸盖，适用于大型低速二冲程直流扫气式柴油机；图c和d分别为浅盆形和浅ω形活塞顶、平低气缸盖，适用于大、中型四冲程柴油机；

（1）可燃混合气形成的特点

①采用油雾法（空间雾化）可燃混合气形成可燃混合气。

②）一般不组织空气涡动。

③喷注形状与燃烧室很好配合。

（2）开式燃烧室的特点是：

①燃烧室结构简单，相对散热面积F/V小，经济性好。

②起动性能好。

③燃烧室中机械负荷大和热负荷大，工作较粗暴、噪音大。