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第四章 燃油喷射与燃烧 197第四章 燃油喷射与燃烧 船舶柴油机目前使用的燃料,主要有轻柴油、重柴油、重油及渣油等四等。它们的自燃点在230330之间,要使其在气缸内着火并燃烧并不是一件很困难的事,但要使燃油的燃烧过程与活塞运动密切配合以获得较高的柴油机动力性及经济性却不是一件很容易的事。 要获得较高的经济性和动力性,燃烧过程必须做到及时、完全和平稳,即希望在活塞上止点附近一定的曲柄转角内将喷入气缸内的燃油全部烧完,但又不希望单位曲柄转角内压力升高过大。假设从燃油喷入气缸到燃油在气缸内全部烧完所占的曲柄转角为60,那么在转速为1000r/min时,相应的时间仅为0.01s。在如此短暂的时间内,要使燃油进入气缸形成极细小的油滴并均匀地分布于燃烧空间、油滴蒸发气化并与新鲜空气混合形成可燃混合气、着火并燃烧等一系列过程顺利实现是十分困难的,这要求燃油雾化、气缸内空气运动及燃烧室三者之间的密切配合。 柴油机在空气量与燃油量的配合方面,最显著的特征是过量空气系数的变化范围很大。要保证燃油在气缸内完全燃烧必须保证有足够的空气量,一般用过量空气系数表示,即充入气缸的实际空气量与气缸内燃料完全燃烧所需的理论空气量的重量比,一般用符号a表示。1kg燃油完全燃烧所需要的理论空气量约为14.3kg。显然,过量空气系数a大于1。a值小表示气缸工作过程强化程度高,单位气缸工作容积作功能力大;但气缸热负荷大,排气温度高,对经济性有影响。机型不同,a值也不同。通常高速机的a值低于低速机;非增压机的值低于增压机;四冲程机的a值低于二冲程机。增压低速二冲程柴油机的a值最大,约为2.02.3。此外,由于油滴在缸内分布极不均匀,缸内局部的a值变化更大。在油滴中心其a值为零。在远离油滴处其a值为无穷大。第一节 燃油与燃油添加剂 作为影响柴油机燃烧过程要素之一的燃油,对燃烧过程有很大影响。典型的例子是内燃机中针对柴油及汽油而分别发展的汽油机与柴油机两种截然不同的燃烧系统。要全面而深入地了解柴油机的燃烧过程,必须研究燃料。 另外,随着现代柴油机综合指标的提高,直接从石油中提炼的燃油已难满足要求,必须在燃油中添加一些化学物质,以改善燃油的某些性质。这些化学物质被称为燃油化学处理剂,又称燃油添加剂。 一、石油的成分及组成 柴油机燃油大量来自石油产品。石油是一种浓稠液体,按蒸馏后残余物中所含石蜡的多少分为石蜡基、沥青基和混合基。石蜡基石油蒸馏后残余物含石蜡5%以上,沥青基石油蒸馏后残余物中的石蜡少于2%,而混合基石油蒸馏后残余物中的石蜡在2%5%之间。 石油是多种有机化合物组成的极为复杂的混合物,其基本组成元素是碳(按重量计约为83%87%)和氢(按重量计约占11%14%)。碳氢化合物简称烃,故石油是烃类的混合物。此外,石油中还有少量氮、氧、硫及金属化合物如钒、钠等有机酸盐类。 烃类以其分子所含碳原子的个数来命名:含有1至10个碳原子的烃类,分别以甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬和癸命名;其碳原子的数目超过10,则以数字命名。 烃类按分子中碳原子的排列结构形式不同,又分为脂肪族、环烷族和芳香族。 1脂肪族烃图4-1-1 正庚烷结构 脂肪族烃的分子结构是开链式的,就是它的碳原子以长链状形式排列。根据碳与氢的饱和程度不同,脂肪族烃又分为烷类、烯类及炔类。1)烷类(CnH2n+2) 烷类的通式(CnH2n+2),其分子为链状结构,是一种饱和烃。所谓饱和烃就是碳原子的4个键都以单键与其它原子相结合。而所谓不饱和烃则是相邻两个碳原子间有双键或三键相结合。凡碳原子以直链排列的叫正烷,图4-1-1为正庚烷的结构图,而碳原子呈分支排列的叫异烷。烷烃分子中含碳原子越多,其结构越不紧凑,在低温下还稳定。但超过300,有形成有机氧化物的倾向,自燃性较好。较为典型的为正十六烷烃,它被作为柴油自燃性的衡量标准。2)烯类(CnH2n) 烯类烃是一种非饱和的开链式烃,通式是(CnH2n),开链中有两个碳原子用双链结合。烯烃多存在于用热裂法生产的柴油中,它比烷烃难于自燃,对柴油机的燃烧不利。3)炔烃类(CnH2n-2) 炔烃类的通式是(CnH2n-2),它也是一种非饱和的开链式烃,在碳原子长链中有两个碳原子用三链结合。炔烃类不存在于石油中,它也是热裂化生产过程中的产物。由于氢不饱和,它很不稳定,在常温下易于分解,储存中易因氧化而变质,影响燃油的稳定性。含炔烃多的石油产品不宜作柴油机燃料。 2环烷族烃 环烷族烃的分子结构呈环状,即开链结构两端的碳原子连接起来形成环状。分子呈饱和状态,其通式为(CnH2n)。图4-1-2 a-甲基萘的分子结构 环烷族烃由于分子呈环状结构,不易分裂,故热稳定性和自行发火的温度均较脂肪族烃为高。环烷烃和烷烃都是石油的重要组成部分,但环烷烃成分过多的燃油不适合作柴油机燃料。 3芳香族烃芳香族烃的分子结构呈苯环状,其通式为(CnH2n-6)。由于芳香族烃的分子结构坚固,热稳定性比脂肪族和环烷族烃均高,故芳香族含量高的石油产品不宜作为柴油机燃料。芳香族烃还有一种名叫萘的骈苯环结构。a-甲基萘在柴油机的十六烷值试验中被选作标准试料之一,它在高温下不易发火,将其十六烷值定为零。a-甲基萘的分子结构见图4-1-2。另一标准试料是正十六烷,它易于自行发火,将其十六烷值定为100。柴油自行发火的倾向即以十六烷值表示。 二、燃油的物理化学性质 燃油的品质是以其理化性能指标来衡量的,这些指标分别从不同方面反映燃油的品质。根据其对柴油机工作的影响,大致可分为三类:影响燃油燃烧性能的指标(十六烷值、苯胺点、柴油指数、馏程、发热值、密度和粘度);影响燃烧产物构成的指标(硫分、灰分、沥青分、残炭值、钒和钠的含量);影响燃油管理工作的指标(粘度、密度、闪点、凝点、浊点、倾点、水分、机械杂质和胶质)。 1十六烷值 十六烷值是评定燃油自燃性能的指标。在标准四冲程试验柴油机上,将所试柴油的自燃性同正十六烷与a-甲基萘的混合液的自燃性相比较,当两者相同时,混合液中的正十六烷的容积百分比,即为所试燃料的十六烷值。 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4060之间,中速柴油机在3550之间,而低速机只要其十六烷值不低于25即可。 2苯胺点 苯胺点指用同体积的燃油与苯胺混合加热成单一液相溶液后使之冷却,从而量出混合溶液开始混浊时的温度。 燃油中各族烃类在苯胺中有不同的溶解度,燃油和苯胺愈易溶解,则其苯胺点愈低。根据苯胺点的高低,可以大致判断燃油中各族烃类的含量和十六烷值的高低,也可反映燃油着火性能的好坏。 3柴油指数柴油指数是表示燃油的着火性能与其密度和苯胺点的关系,其计算公式为: 式中:t 燃油的苯胺点(); d 燃油比重。 柴油指数越大,则苯胺点越高,密度越小,柴油品质越好。柴油指数与十六烷值在数值上相近,一般前者略高几个单位。换算公式为: 十六烷值=柴油指数14。 4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。 5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。 1)动力粘度 当面积各为1cm2并相距1cm的两层液体,以1cm/s的速度作相对运动时,所产生的阻力即为动力粘度。动力粘度的单位是Pas。 动力粘度又称绝对粘度。 2)运动粘度 在相同温度下,液体的动力粘度与它的密度之比称运动粘度。运动粘度的单位是m2/s;通常在实际中使用厘斯(cSt),也就是10-6m2/s(即1cSt=1mm2/s)。 3)条件粘度 条件粘度有恩氏粘度、雷氏粘度、塞氏粘度等。 (1)恩氏粘度 恩氏粘度是试样在某温度从恩氏粘度计流出200ml所需的时间与蒸馏水在20流出相同体积所需的时间(s)(即粘度计的水值)之比。温度t时的恩氏粘度,用符号Et表示。恩氏粘度的单位为条件度,用符号E代表。 (2)雷氏粘度 雷氏粘度是指50cm2的油在规定温度(37.78即100F)下流经标准孔径的雷氏粘度计所需的时间(s)。比较通用的为雷氏一号(RedNo1)粘度。 (3)赛氏粘度 赛氏粘度是指60cm2的油在规定温度(37.78即100F)下流经标准孔径的赛氏粘度计所需的时间(s)。各粘度值之间的换算关系如下:运动粘度()乘恩氏粘度()乘雷氏粘度(s)乘赛氏粘度(s)乘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。因此,必须将燃油在喷射系统中的粘度限制在一定的范围内。国际上现已统一使用在50时的运动粘度,其SI制的单位为mm2/s(相当于厘斯cSt)。商业上原较习惯用100F(37.8)时的雷氏一号粘度,单位为秒。粘度不是衡量燃油品质优劣的指标。重油的粘度与劣质程度并不成比例。新型柴油机动力装置也不会因燃油粘度高而不能工作。但它对现有既定的柴油机动力装置来说,由于受加热条件限制,就很重要。船用燃油传统是按粘度来估价,现在仍沿袭主要是按粘度来估价这一方法。粘度是燃油管理、使用的重要依据,它对燃油的雾化、分离、泵送均有直接影响。图4-1-3 压力对燃油粘度的影响 压力和温度对燃油的粘度均有影响,对重油粘度的影响如图4-1-3所示。当压力增大时,各种燃油粘度均增加。而粘度越大的燃油粘度增加也越快。因此,当使用重油时,必须考虑到喷油压力对粘度的影响,适当提高重油的预热温度。重油粘度越高,喷油压力越高,预热温度就应修正提高得越多。温度对燃油粘度的影响如图4-1-4所示。当温度增高时,燃油的粘度降低。图4-1-4 温度对燃油粘度的影响 为了保证雾化良好,使燃油与燃烧室空气很好地混合,柴油机对喷油器的燃油粘度有一定要求。如MAN-BW MC 型柴油机要求喷油器的燃油粘度应为1015mm2/s,考虑到喷油器内的压力很高,燃油粘度随压力升高而增加,因此进入喷油泵前的粘度应比上述粘度值低30%,即710 mm2/s,通常取10 mm2/s。使用经验证实这一粘度允许有些变化。该公司规定进入喷油泵前的粘度最大值为20 mm2/s。Sulzer RTA型柴油机也要求喷油泵前燃油的粘度应为:1317 mm2/s。参见图4-1-4,从图中可以读出,对50粘度为380 mm2/s(3500s、R1/100F)的燃油, 喷油泵前应加热到128140。 6热值 1kg燃油完全燃烧时所放出的热量称为燃油的热值,其国际单位用kJ/kg表示。其中不计入燃烧产物中水蒸气的汽化潜热者称为低热值Hu,重油的基准低热值Hu=42000kJ/kg,轻油的Hu=42700kJ/kg。 7闪点 燃油在规定的条件下,它的蒸气与周围空气形成混合气,当接近火焰发出闪光(微爆)时的最低温度称为闪点。根据测定方法和所使用仪器的不同,又有开口法和闭口法两种闪点。开口闪点要比闭口闪点高2030%。船用柴油机燃料储存在舱内,一般应用闭口闪点。 8燃点 开口法测定闪点时,将燃油加热到闪点温度之后,继续加热燃油的温度。当到某一温度时,其表面蒸汽和空气的混合气引火后产生燃烧,并保持5s不熄灭时的温度,称为燃点,又称着火点。 9自燃点图4-1-5重油含钒灰分的软化温度和对钢的腐蚀速度与V2O5、Na2O质量之比的关系 自燃点是在没有其它火源的作用下,燃油自行燃烧时的最低温度。它是表示柴油机燃料燃烧性能指标之一。 10钒、钠含量燃油中所含钒、钠等金属的含量以其占燃油重量的百分比来计算。但由于含量较少,钒的含量一般用其质量占燃油质量的百万分之几(ppm)来表示。钒是燃油中非常有害的成分。如果燃油中同时含有钠,钒和钠经燃烧后生成的钒、钠的氧化物及由这些氧化物生成的盐和聚合物。它们有的熔点较高(高达900),有的熔点较低(低至535,甚至更低),当燃烧室壁、排气阀的表面温度过高而超过这些燃烧产物的熔点时,这些物质就熔化附着在金属表面上,对钢铁的保护膜起破坏作用,使基体金属继续裸露而不断受到腐蚀,并沿金属晶界快速氧化穿透金属造成严重腐蚀,形成“高温腐蚀”。所以应将排气阀温度控制在450以下。钒和钠燃烧生成物的组成及其熔点高低受燃油中钒、钠含量比值的影响很大。图4-1-5为重油含钒灰分的软化温度和对钢的腐蚀速度与V2O5、Na2O质量之比的关系。曲线1为700时钢6小时的腐蚀量,曲线2为软化温度。可见,当重油灰分中V2O5/Na2O值在3左右时,钒、钠燃烧生成物的熔点最低(达400不到),腐蚀性最强,V2O5/Na2O值远离3,钒、钠燃烧生成物的熔点明显变高、腐蚀性明显减少。 在炼油过程中很不希望有盐水,因此,燃油出厂时含钠量是很少的。但船用燃油在运输、贮存过程中很容易混入海水(压载舱燃油舱的转换,洗舱和泄漏),使含钒量高的燃油产生严重的高温腐蚀。 11硫分硫分是指燃料中所含有硫的重量百分比。硫分在燃油中是以硫化氢(H2S)和硫醇(RSH)等硫化物的形式存在的,硫的存在使燃油呈酸性,在液态下对燃油系统的管壁、容器、喷油泵和喷油器等部件有腐蚀作用。硫在气缸中燃烧生成SO2,而SO2中约15%又被氧化成SO3。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。氢燃烧后则生成水蒸汽,若气缸壁的温度高于它们的露点,这些燃烧产物不会凝结而随废气排至大气,因而不致造成危害。若气缸壁的温度低于它们的露点(在气缸中压力较高的条件下,燃烧产物的露点约为150170)则SO2、SO3与H2O就会凝结生成亚硫酸和硫酸附在气缸壁上,硫酸对金属有强烈的腐蚀作用,既产生所谓“低温腐蚀”。所以,当使用硫含量高的燃油时,气缸壁和活塞环的腐蚀磨损增加,同时排气阀杆、废气涡轮、排气管等都会产生腐蚀。 另外,硫的燃烧产物,特别是SO3,能使碳氢化合物加速聚合,促进炭渣的生成,致使气缸中的结炭既多又硬,且附在金属表面上不易除去。轻柴油是石油的蒸馏产品,硫含量很低。重柴油是重馏分,硫含量比轻柴油多一些。重油中因混合有渣油,硫分可能很高,有时竟达34%。重油中硫含量多寡随原油产地的不同会有很大的差异。 12水分 燃油中水重量的百分数叫水分。水分是燃油中的有害成分,会降低燃油发热值,还会将溶解盐带入气缸。因此应用分离法将其除去。 13残炭值和沥青分图4-1-6沥青胶质分子团的假想结构燃油在隔绝空气条件下加热干馏到全部蒸发后,形成的焦炭残余物称为残炭。残炭占试验油质量的百分数即残炭值。残炭虽然与柴油机的积炭不成正比关系,但在一定程度上也能表示燃油在燃烧过程中形成炭渣的倾向。由于加热设备、操作条件不同,有康氏法、瑞氏法之分,我们通常所说的残炭一般是指康氏残炭值。 从产生结炭以致发生机械故障的角度出发,更应重视的还是燃油的沥青分。即沥青占燃油质量的百分数。沥青很难燃烧,致使排气冒黑烟,易积炭。因此在使用高沥青分燃油时,应采取措施防止炭垢的形成。大部分重油的沥青分少于残炭值的2/3,限定了残炭值也就限定了沥青分,所以在燃油品质的指标中有时并不列出沥青分。 沥青是多环芳香烃,分子量很大,高达10002000以上,碳、氢总原子量的比C/H值为1017,其中还含有硫、氮、氧、钒和镍等元素,分子结构十分复杂。沥青以悬浮分散形状存在于燃油中,是一种胶质分子团,它的假想结构如图4-1-6所示。分子团有一个C/H值非常高的核,核的外周被一层层C/H值逐次减小的烃包围着,其最外层的C/H值与连续相油的C/H值相等,因此呈平衡状态而悬浮于连续相油中。当油的C/H值小于沥青胶质分子团最外层的C/H值时,平衡被破坏而析出淤渣,使燃油的贮藏稳定性变差。悬浮于油中的沥青不易被分离机分离。沥青在油中悬浮或析出沉淀决定于油种和加热温度。烷烃油的C/H值比沥青分子团最外层的C/H值小,因此沥青在烷烃油中最容易自油中析出而沉淀,其次是环烷烃油,在芳香烃油中则较稳定。沥青分随原油产地的不同而有很大差别,详见后述及表4-1-3。 14机械杂质 燃油中的机械杂质是指燃油所含的灰尘、沙粒和溶渣等的重量百分数,这些杂质大多是在运输和储存过程中混入的,它们不能燃烧,却可使喷油器的喷孔堵塞。致使供油中断,加剧油泵的磨损。 15胶质 燃油中的胶质是由燃油中的某些化学成分在储存过程中由于温度较高与空气氧化而生成的,以100ml燃油经氧化而生成胶质的mg数表示。它会使供油系统的流通截面减小,甚至堵塞。 16密度 密度的含义为燃油单位体积的重量,单位为g/cm3。由于温度对密度有重要影响,燃油的密度一般以15时的密度来衡量。在其它温度下测得的密度,须查石油产品的密度换算表,换算为15时的密度。 另外也有使用相对密度来衡量石油产品密度的。燃油的相对密度是其规定温度下的密度与水在某一规定温度下的密度之比值,系一无因次量。通常用d表示。水的温度常规定为4或15.6(60F)。例如即表示t油的密度与4水的密度之比。相对密度还有另一种表示方法。即相对密度指数,也称API度(API)(API美国石油协会),多用于英、美等国家,它和相对密度的关系式为: 燃油的密度与其化学成分有关。烷属烃的密度最小,而芳香烃的密度最大。因此重油的密度高可间接说明其芳香烃的含量多,其康氏残炭值和沥青含量高。 17浊点 在低温下燃油开始形成结晶、失去透明特性时的温度叫浊点。燃油到达浊点后,折出针形结晶,堵塞滤器小孔,甚至中断供油。燃油的最低使用温度应高于浊点35。 18凝点 当燃油的温度由浊点继续下降,燃油失去流动性时的温度叫凝点。燃油到达凝点后己不能流动,抽油、加油、输送都无法进行。 19倾点 国外常使用倾点表示燃油尚能保持流动性的最低温度。一般燃油的倾点高于凝点2 7,浊点高于凝点510。 20计算碳芳香度指数CCAI 计算碳芳香度指数CCAI(Calculated Carbon Aromaticity Index)是衡量燃油着火性能(滞燃时间)的指标。它只需知道燃油的密度与粘度就可算出,因此可方便迅速检测燃油的着火性能。确定溜分油着火性能的传统参数是十六烷值、柴油指数,但它们对燃料油(成分基本上是渣油的重油)难以应用或不一定适用。对燃料油的着火性能问题,过去虽一般提出过十六烷值应在25左右或以上,但实际上未为人重视。这是因为当时燃料油用的是直馏渣油,其质量比现在的裂化渣油要好得多。同时, 过去一般燃料油只用于低速十字头柴油机,目前由于经济原因促进技术进步,中速柴油机也使用燃料油,甚至高速柴油机也有采用中间燃料油的。因之开始遇到燃料油的点火品质问题。即便是十字头低速柴油机,也可能因燃油点火品质过劣,在低负荷、低温条件下运行出现燃烧粗暴,发火困难,对柴油机产生不良影响及后果,甚至影响船舶运行的安全。 近年许多科技人员对如何判断燃料油的着火性能做了大量工作,发现各种燃油的着火性能与它本身具有的芳香度关系十分密切。芳香度还可用芳香环中结合的碳原子百分数碳芳香度来表示。尽管用芳香度、碳芳香度作为燃油着火性能的指标十分科学,但它们只能在实验室中测定,在现场是无法测定的。最后,科技人员发现碳芳香度与密度和粘度的函数关系。用燃油本身的密度和粘度,按此函数关系计算出某一数值,它即可作为这种燃油碳芳香度的核定参数。我们称这计算值为计算碳芳香度指数(CCAI)。 图4-1-7 CCAI的诺谟图式中:D15时的密度,kg/m3; V50时的粘度,mm2/s。密度和粘度是两个最基本的检验特性。因此,计算碳劳香度指数CCAI在现场即可测算。轮机员在上油时,在船上可即时测定,以核对供油数据正确与否。 为了使用方便,已将CCAI与油的密度、粘度的函数关系制成图表,以利查对。现介绍CCAI的诺谟图于图4-1-7。图中左边纵坐标为油的密度,右边纵坐标为油的粘度,中间纵坐标为CCAI值。只要了解了油的密度及粘度,可在图中定下密度的点及粘度的点, 用直线连接这两点,中间与CCAI 坐标的交点即是该油的CCAI 值。根据在试验柴油机上的大量试验工作,确定点火良好范围的上限为CCAI850(这一点,其油的表面十六烷值为2931),点火困难范围的下限为CCAI875(这一点,其油的表面十六烷值为1820),CCAI值比875大得越多点火越困难。在CCAI 850与875之间的区域为不肯定范围,要根据具体柴油机设计情况及其它有关条件(如运行工况)而定。例如,Wrtsil公司8486年生产的柴油机(中速机)允许使用的燃料油CCAI不超过860。86年生产的22HF型,其燃料油允许的CCAI可以高达880左右,我国92年引进的22型允许使用的燃料油CCAI可达895。CCAI超过895至910柴油机可能很快损坏。又例如,粘度为700mm2/s(50)的两种燃料油,一种密度为1010kg/m3,另一种密度为991kg/m3。从图中可以量出, 密度大的,CCAI在不肯定范围内;而密度较小的, CCAI 则在点火良好范围内。可看出,密度大,粘度低的燃油着火性能差,应特别注意判别其CCAI值在什么范围。它的着火性能比密度大、粘度高的燃油还差,而密度低、粘度高的燃油着火性能较好。也就是说,燃油的D/V值越高,其CCAI值也越大,着火性能越差。 21铝硅含量原油中自然含有的铝、硅元素含量是很少的。如在燃油中含有大量的铝、硅,往往是催化裂化渣油带来的氧化铝及硅酸盐催化微粒。催化微粒进入柴油机就会大大加剧气缸套、活塞环的磨损。因此必须限制其含量。催化微粒含量往往以铝硅含量,即铝硅的质量占燃油质量的百万分之几(ppm)来表示。 22灰分灰分是在规定条件下燃油完全燃烧后剩余物的重量百分比。燃油在燃烧后残存的灰分会加剧柴油机部件的磨损,因此燃油中的灰分必须尽可能少。 灰分包括燃油净化处理没除掉的固体粒子、水溶性金属盐和油溶性金属有机化合物燃烧后生成的金属氧化物和金属盐等。它们的危害主要是起作磨料的作用,加剧了气缸的磨料磨损。当然,其中催化微粒的磨料磨损作用特别强烈,钒和钠的部分燃烧产物还如前所述对高温零件有腐蚀作用,因此重油质量指标要求专门标出钒含量和铝+硅含量。 三、柴油机的燃油 柴油机所使用的燃油,主要来自石油产品。少量来自页岩产品,它们都是天然产物。 1石油系液体燃料的分类及基本组成 石油系液体燃料按原油在蒸馏炼制过程中的馏出温度的高低,大致可分为汽油、煤油、轻柴油、重油及渣油等。其中渣油为前几种油馏出后的原油剩余物。表4-1-1 燃油的闪点和自燃点燃油名称闪点()自燃点()汽油-5030415530煤油28380425柴油65120300330渣油120230240 各种不同燃料之间最本质的区别是所含各族烃类的百分数不同及馏程不同,这决定了它们在一系列物理化学性质上的差别,进而影响到它们对着火、燃烧和发动机性能的本质性影响。几种燃油的闪点和自燃点的数据列于表4-1-1中。从表中可以看到,燃油的闪点愈低、自燃点愈高。因此,汽油适用于点燃式发动机,而柴油适用于压燃式发动机。 2柴油机燃油船用燃油大体上可分为四类:船用轻柴油MGO(Marine Gas Oil),船用柴油MDO(Marine Diesel Oil),中间燃料油IFO(Intermediate Fuel Oil)和船用燃料油MFO(Marine Fuel Oil),船用轻柴油用作应急发电机和救生艇柴油机的燃油。船用柴油老船用作副柴油机和主机机动操纵时的燃油。中间燃料油是由重柴油和燃料油混对而成的,用作主副柴油机的燃油。船用燃料油基本上为渣油,用作新型低、中速主机的燃油及船用锅炉燃油。通常所说的重油是指混对有渣油的燃油,即包括了船用燃料油和中间燃料油。 至于燃油的具体分级和质量指标,原先各个国家,石油公司有各自的标准。在燃油价格上涨,渣油质量大大下降之后,各国船东对船用燃油质量十分重视,因而对能在国际间通用的船用燃油标准的需要也十分迫切。英国船用燃油标准(BS MA100)于82年公布,国际内燃机会议CIMAC也于82年公布其标准,后来进一步得到国际标准化组织ISO的认可。1987年国际标准化组织公布了船用油料的质量标准。表4-1-2列出了现在国际通用的船用燃油标准。 我国将燃油分为轻柴油、重柴油和重油(燃料油)三类。我国原来只生产锅炉用重油,近年来也开始生产柴油机用重油。 3国产柴油机燃油的规格与选用 1)轻柴油我国生产的轻柴油由国家标准GB252-81规定。轻柴油产品按凝点不同分为10号、0号、-10号、-20号及-35号五个等级,也就是说它们的凝点分别高于10、0、-10、-20和-35。所以选用轻柴油要根据当地冬天最低环境温度而定,一般最低环境温度应高出凝点温度5以上。轻柴油是质量最好、价格最贵的柴油机燃料,适用于高速、中速大功率柴油机。救生艇柴油机一般选用-10号轻柴油,应急发电柴油机和高速发电柴油机可用0号轻柴油。 2)重柴油 按国家标准GB445-77规定,重柴油按凝点不同分为10号、20号及30号三个牌号,其代号分别为RC-10、RC-20和RC-30。重柴油的主要特点是凝点高。使用重柴油的柴油机应有预热设备,低速及民用中速大功率柴油机由于经济关系,一般都燃用价格低廉的重柴油。一般10号重柴油适用于5001000r/min的中速机,20号重柴油适用于300700r/min的柴油机,而30号重柴油适用于300r/min左右的柴油机。 3)重油(燃料油) 重油按80时的运动粘度分为20、60、100及200四个牌号,可供船舶锅炉使用。 4)内燃机燃料油 内燃机燃料油由渣油、重油与重柴油调制而成,专供远洋船舶使用。目前尚无国家标准,一般执行炼油厂与有关单位商定的协议标准,也可自行调制。 4国外燃油的规格与选用 原则上,只要采取适当措施,低速和大型中速柴油机可以燃用最低档的柴油机燃料油。但是,燃油的质量影响着柴油机检修间隔的长短和燃油处理的要求。因此,除了技术上的原因外,主要还有经济原因决定着重油的选用。这是个复杂的问题,会随条件而变。总的来说。应根据柴油机的型号、燃油系统装置设备处理燃油的能力、不同牌号燃油的差价及使用重油经验的积累来决定使用燃油的牌号。 新型低速和中速(大型)柴油机设计时就考虑可以燃用最低档的柴油机燃料油(RMK 55号)。近年还研制出与主机同烧一种低质重油的副柴油机,最小缸径可达200mm,据称其使用低质重油的极限值也达700mm2/s(50)。但我们应认识到在使用接近极限要求的重油时,对轮机人员要求较高,需要对柴油机进行精心管理和保养,包括对燃油处理的精心管理。否则都会造成提前大修并增加维修保养费用。柴油机不适宜的运行状态,例如频繁地起动停车、长期低负荷运行或低的环境温度都会进一步恶化使用重油的条件。目前使用最低质重油的经验还较少。因此,应谨慎,不要冒然使用太低档的燃油。如果燃油分析报告单上有的项目数值接近极限值(表4-1-2中RMK 55号的指标),就要密切注意柴油机的运行情况。另外,有时仅根据分析数据并不能确定燃油的适用性。有些燃油易于析出淤渣、有些燃油易于在燃烧室、气道和涡轮上积炭。对这些燃油应该拒不采用。图4-1-8 重油中混对的馏分油量与其粘度的关系 选用何种档次的燃油还受它们之间价格差的影响。燃油价格以粘度为基础。粘度越大、价格越低,RMK 55号油最低。图4-1-8说明了重油中混对的馏分油量与其粘度的关系。可以看出,高粘度的燃料油只需混对少量的馏分油就能使粘度迅速下降,而粘度已经较低的中间燃料油则需混对较多的馏分油才能使粘度有同样的下降。因此,中间燃料油与柴油之间差价很大,而船用燃料油与中间燃料油之间的差价却相对较小。虽然新型的低速、中速(大型)机都声明可以使用最劣质(粘度最高)船用燃料油,但使用如此低劣的燃料油经济价值不一定大,反而会给维护管理工作带来许多困难。 目前新型低速、中速(大型)机一般是使用RMG35、H35或K35号燃油(380mm2/s 50;3500s 100F),老型号的低速、中速(大型)机往往使用RME25或F25号燃油(180 mm2/s 50; 1500s 100F),较小缸径的中速机则使用RMDl5号以上的燃油(80 mm2/s 50;600s 100F)。由于重油是由渣油和馏分油调制成的,因此它的品质在相当程度上受各产地原油品质的影响,表4-1-3列出早些年世界主要石油产地燃料油的品质指标,因炼油技术的进步,现在表4-1-3 早些年世界主要石油产地燃料油的品质指标油种性能指标中东北非委内瑞拉美国西海岸美国东海岸燃料油C(3000秒以上)Bunker C比重,60时0.9690.9700.961.0060.96闪点,闭式,F200185182210200倾点,F55110153030浊点,F6011520-粘度,Red 1/100F,秒36003200365039003300运动粘度,100F,cSt882794884960806水分,%0.10.10.050.60.2灰分,%0.020.090.080.110.06康氏残碳,%9.010.29.28.011.0沥青,%2.46.58.012.03.6硫分,%4.01.82.41.71.6钒含量,ppm5040460160230钠含量,ppm704060-30低热值,BTU/lb1826018210183601820018300进一步劣质化了。但从表中可看出世界各石油产地的重油各有特点:中东重油的硫分高。北非重油的硫、钒含量都较低。委内瑞拉重油的钒含量高。美国东、西海岸的石油硫含量低而钒含量较高。 我国石油除个别油田的含硫量稍多些外,含硫量均很低。 总之,燃油的主要品质指标是密度、粘度和康氏残炭值。选择重油时, 首先看其密度是否能用,其次看粘度是否适宜。(对高D/V比值的重油应注意其CCAI值,看发火性能是否能达到要求。)然后看康拉特逊残炭值是否可能含沥青过多,最后再看硫、钒、铝硅的含量是否过高而容易损坏有关零件。 四、燃油添加剂 如前所述,各种不同的柴油机燃油其性能相差很大,即使是同一种燃油由于产地不同,其性质亦有差别。这将给柴油机使用这些燃油造成困难。为了尽量缩小这种差别并提高各种燃油的性能,可向燃油中加入各种燃油添加剂。燃油添加剂的添加量很少,一般仅为燃油消耗量的千分之几,而对于节约能源费用、船舶管理费用及设备维修费用等方面却有一定的功效。 1燃油添加剂的分类 以添加剂使用目的的不同,可将其分为:燃油管理添加剂,主要调整燃油的供油、贮存、泵送、净化及喷射性能;燃烧管理添加剂,主要调整燃油的燃烧性能;而公害管理添加剂,则主要用来消除或减少废气中的有害成分。 2燃油管理添加剂 燃油管理用添加剂有油泥分散剂、疏水剂和防霉剂等。 1)油泥分散剂 油泥是一种高分子化合物聚合而成的胶体物。这种胶体物粒子分散在油中,当油反复加热或混合异种油品时,它们会相互结合成巨大的沥青状物质,从而在油中析出成为油泥。这类油泥对燃烧有很大危害,因此必须在燃烧之前进行预处理。 油泥分散剂能将燃油中形成的油泥微细地分解,并防止油泥的继续生长。它的主要成分是表面活性剂。 2)疏水剂 疏水剂又叫水分离剂,其作用是使燃油中的水分易于分离,防止湿油泥的生成。疏水剂的主要成分也是表面活性剂。 3)防霉剂 当燃油在含有水分和一定温度(3050)的条件下,霉菌胞子便得以迅速繁殖。它所形成的泥渣同沥青质的油泥一样,会造成滤器的堵塞,引起燃烧障碍。 使用防霉剂能抑制这种霉菌的繁殖和生物泥渣的形成。防霉剂的主要成分是杀菌剂。 3燃烧管理添加剂 当燃油在柴油机中发生不完全燃烧时,往往会产生碳烟。为有效地利用能源,提高热效率并防止硫的低温腐蚀及钒钠化合物的高温腐蚀,可使用下列燃油添加剂: 1)燃烧促进剂 燃烧促进剂能促进燃料的催化燃烧、使低质燃油完全燃烧、减少碳烟,故又称助燃剂。其主要成分是铜、镍、锰、铁及钻等的金属盐。 2)防腐添加剂 防腐添加剂分为:结炭附着防止剂、高温腐蚀防止剂及低温腐蚀防止剂等。防腐剂的成分是以钙、镁等碱土金属为主体,其它还有铝、硅等的金属盐。由于这些盐类的熔点高、酸中和性强,因此具有良好的防蚀效果。 4公害管理添加剂 对于消除造成大气公害的碳烟、硫的氧化物及氮氧化合物,使用燃油添加剂有其功效。 1)碳烟防止剂 燃烧促进剂能有效地防止碳烟的产生,故现在已大部分采用钡金属盐燃烧促进剂来充当消烟剂。 2)氮氧化合物防止剂 燃烧排气中的氮氧化物是造成大气污染的有害成分之一,而锰化合物是减少其产生的优良处理剂。 5燃油添加剂的选用 目前,作为商品在实际中使用的燃油添加剂往往是多效能的综合性添加剂,世界上有许多化学公司生产各种燃油添加剂。据调查,约有80%以上的船舶使用各类燃油添加剂,大型柴油机的使用比例为85%,柴油发电机上的使用比例也达45%以上。 值得注意的是,在市场上出售的各种燃油添加剂,其质量效果不一,差别较大,应慎重选用。 第二节 燃油的喷射 燃油的喷射过程是柴油机燃烧过程中极为重要的一个组成部分。喷射过程组织的好坏将直接影响油束与空气在燃烧室中的配合,进而影响燃烧过程的组织,最终决定柴油机的整机性能。燃烧过程中燃油的雾化、加热、蒸发、扩散、与空气的混合,可燃混合气的着火、燃烧、放热、碳烟和废气有害成分的形成,燃烧激振波和燃烧噪声的强度及整机技术经济性能等,都与喷射过程有着不可分割的联系。喷射过程、燃烧过程和柴油机性能三者之间依次存在因果关系。 燃油是在柴油机压缩过程的末期,通过喷油设备喷入缸内的压缩空气中。为保证喷入的燃油在极短的时间内能与空气混合而形成可燃混合气,并保证柴油机运转的可靠性和经济性,对喷油设备有以下一些要求: (1)供油系统能在规定的起始和终止时间内,向燃烧室内喷入一定量的燃油。 (2)供油系统的供油量可以调节,以满足柴油机负荷变化之需要。 (3)喷射系统必须使喷入气缸的燃油达到燃烧所要求的雾化程度,并保证油束与燃烧室的形状能良好地配合。 (4)喷射过程要符合一定的喷油规律,以适应燃烧过程的需要。 一、燃油喷射系统的组成 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。图4-2-1 燃油喷射系统1-凸轮;2-滚轮;3-柱塞;4- 排油阀;5-弹簧;6-高压油管;7-喷油器弹簧;8-喷油器;9-针阀;10-喷油孔图表 1 组成喷射系统的最主要设备是喷油泵、喷油器和连接它们的高压油管。图4-2-1为喷射系统简图。喷油泵为高压柱塞泵,它可使燃油产生60150MPa的高压。柱塞3由供油凸轮1及滚轮2顶动,复位则靠喷油泵弹簧(图中未画出)。柱塞下行时为吸油行程,燃油依靠压头及柱塞下行的抽吸作用经油孔A进入泵腔。柱塞上行时为泵油行程,当柱塞的上边缘封闭油孔A时,柱塞上面的空间成为一个封闭空间,使泵腔中的燃油受到压缩而压力上升。当油压升高到一定程度时,克服弹簧5的弹力和高压油管中的残余压力而打开排油阀4,燃油从柱塞上部经排油阀、高压油管6进入喷油器8。喷油器利用燃油高压作用在针阀9的锥面上,产生向上抬升力,克服喷油器弹簧7的预紧力而将针阀抬起,打开喷孔10。燃油经喷孔以高速喷入燃烧室,形成油雾。当凸轮顺时针转过一定角度时,柱塞上行,柱塞上的斜槽将回油孔打开而开始回油。喷油泵供油结束,高压油管中的压力迅速下降,当燃油压力低于针阀落座压力时,针阀在喷油器弹簧的作用下自行关闭,喷油结束。而后,柱塞下行,开始吸油动作。 二、喷射过程 图4-2-2所示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喷射延迟阶段 从喷油泵供油始点(OH)到喷油始点(Ou)为止的第阶段为喷射延迟阶段。 由于燃油的可压缩性(压力变化1MPa,燃油容积变化1/18201/1610)、高压油管的弹性以及高压系统的节流等原因使得喷油器的喷油始点Ou滞后于喷油泵的供油始点。由此,存在着供油提前角(相对于喷油泵供油始点的几何提前角在压缩行程中喷油泵开始供油的瞬时到活塞上止点的曲轴转角CA)(OA)H和喷油提前角(相对于喷油器喷油始点的实际提前角在压缩行程喷油器开始喷油瞬时到活塞上止点的曲轴转角CA)(OA) 两个提前角。从使用上能够进行检查和调整的是供油提前角,但对柴油机燃烧过程有直接影响的是喷油提前角。船员往往把两者统称喷油提前角。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主要喷射阶段图4-2-2 喷射过程示波图 从喷油始点(Ou)到供油终点(KH)的第阶段为主要喷射阶段。本阶段内由于瞬时供油量大于喷油量。喷油器中的压力较高,大部分燃油在此阶段喷入气缸,而且是在不断增高的压力下喷入的,其雾化效果较理想。通常称针阀开启时的燃油压力p为喷油器的启阀压力。显然,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(KH)到喷油终点(Ku)的第阶段为滴漏阶段。当喷油泵回油孔刚打开时,由于回油孔的节流作用以及燃油、高压油管波的传递,使得喷油器中的压力下降较为迟缓,针阀仍保持开启。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。当燃油压力降低到压力pK时针阀落座,喷油结束,此压力称针阀落座压力。针阀落座压力低于启阀压力是因为:针阀受到摩擦力、惯性力的作用;针阀开启前高压燃油作用面小于开启后的作用面。 在这阶段中,喷油器中的压力从最高喷油压力pmax一直下降到针阀落座压力pK。因此应力求使针阀断油迅速,将此阶段缩短到最小限度。 三、喷油规律及其要求 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喷油规律 所谓喷油规律是一个循环的喷油量在整个喷射延续时间内的分配情况,即每度曲柄转角喷油量的分配曲线。从喷油规律曲线可以分析喷油的始点、终点和喷油持续角度是否适合,判断燃油喷射规律是否符合理想的燃烧过程和放热规律的要求。图4-2-3 喷油规律 图4-2-3中虚线曲线即为喷油规律曲线,其纵坐标为单位凸轮转角喷油器喷入气缸的喷油量dgn/d。目前的柴油机的喷油规律普遍是开始喷油时瞬时喷油率较高。在着火前大量燃油已喷入气缸。这样在着火前已形成了大量的预混合好的可燃混合气,这是造成柴油机压力升高率dp/d高和燃烧噪音大的原因。 2供油规律 供油规律为在供油过程中,每度曲轴转角喷油泵的供油量dgP/d随曲柄转角的变化曲线,如图4-2-3中实线曲线所示。 供油规律主要由油泵凸轮的型线决定,并影响了喷油器的喷油规律。 3喷油延迟 喷油延迟主要是由于燃油的可压缩性、高压油管的弹性以及高压油管中的波动现象造成的。 1)燃油的可压缩性 燃油在压力变化不大时,它的体积变化微小,可以认为是不可压缩的。但是在喷油持续期内,高压油管内的燃油压力由几MPa变化到几十MPa,甚至上百个MPa,由压缩引起的燃油容积变化很大。而且压力变化愈大,初容积愈大,则燃油容积的变化愈大。 2)高压油管容积的弹性膨胀 高压油管一般用厚壁无缝钢管制成。由于钢是弹性物质,在燃油最大喷射压力作用下,高压油管的容积会增大。且压力变化愈大,管内直径愈大,管子愈长,则高压油管受燃油压力作用后膨胀的容积愈大。 3)高压油管中的压力波动 由于压力波在高压油管中来回传播,使高压油管中的压力随时间和地点的不同而变化,这也造成了喷油延迟的产生。关于高压油管中的压力波动,将在后面详细讨论。 4理想喷油规律 对于直喷式柴油机而言,理想的喷油规律应该是“先缓后急”(如图4-2-3中点划曲线所示),即当喷油开始时喷油率要小,且着火后喷油率要很快上升,接着很快结束。这种理想的喷油规律有下列优点: (1)理想喷油规律的着火前喷油量大大少于常见规律的着火前喷油量

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