第3章 燃油的喷射与燃烧

1、第三章 燃油的喷射与燃烧燃油喷射系统的主要功能是为柴油机缸内混合气的形成与燃烧提供所需的燃油。燃烧过程是柴油机的主要动力过程，燃烧质量的好坏直接影响柴油机的动力性、经济性、可靠性、排放特性以及起动性能等一系列性能指标。保证柴油机始终有一个完善的燃烧过程是极其重要的。柴油机中的燃油是靠压缩发火燃烧的。根据柴油机的压缩发火特点，欲完成一次缸内燃烧必须在压缩行程末期把燃油高压喷入气缸，并与缸内的新鲜空气混合形成可燃混合气（内部混合），然后在足够高的压缩温度下发火并燃烧。燃烧过程发生在压缩过程的终点和活塞在上止点附近的一定曲柄转角内。假如燃烧所占的曲柄角度为30CA，那么转速为100rpm的低速柴油机

2、，其燃烧时间仅为0.05s；转速为500rpm的中速柴油机的燃烧时间为0.01s。由此可见，燃烧时间是非常短暂的。燃油在燃烧之前必须经历燃油喷射、雾化并与空气混合形成可燃混合气等一系列复杂的准备过程，才能最后以气态形式发火燃烧，因而完全满足上述要求存在很大困难。影响柴油机燃烧的基本因素有：燃油品质、燃油喷射质量、气缸内的涡动、换气质量和压缩温度等。对柴油机燃烧的要求可大致概括为及时（在上止点前后发火并燃烧完毕）、完全、平稳（燃烧过程柔和无燃烧敲缸现象）和空气利用率高。 第一节 燃油船用柴油机使用的燃油基本上有三种：轻柴油、重柴油和燃料油。柴油机的燃油大多来自石油产品，少量的来自页岩产品。石油和

3、页岩都是天然产物，人造石油是极少量的。天然石油提炼燃油的工艺主要是蒸馏，其次是热裂化、催化裂化和加氢裂化。蒸馏法是根据石油的不同组分具有不同的沸点而在不同的温度下分馏出不同的油品。蒸馏分为常压蒸馏和减压蒸馏，常压蒸馏（又称直馏）通常是在360370下进行，先后分馏出汽油、煤油、轻柴油和重柴油。剩下的重油（馏分在350以上，通常称为重馏分）再送入410下的减压蒸馏装置，并先后分馏出重柴油和润滑油。剩下的渣油称减压渣油，含有高沸点成分及大量胶质和沥青质，粘度太大，不能直接用于柴油机，可直接作为锅炉燃料油，也可掺合部分柴油作为内燃机燃料油。各种裂化法都是以重馏分（即常压蒸馏后剩下的重油）作为裂化原料

4、，在高温下使大分子裂化为小分子以获取更多的轻质油品。裂化过程剩余的渣油称裂化渣油。一、燃油的化学组成石油是多种有机化合物组成的极为复杂的混合物，颜色为黄绿色至黑色的浓稠液体。组成石油的基本元素是碳和氢，按重量计算大约为8387C、1114H，故称为烃类化合物。石油中尚存在少量的氧、硫、氮等元素，只占总重量的0.55。此外，石油中还含有微量其它元素，如氯、碘、磷、钾、钠、镁、钙、铜、铁、镍、砷、铅、钒等元素，它们也是以化合物形态存在于石油中。以上所含成分皆因产地和提炼方法的不同而异。 组成燃油的烃按其分子结构不同，可分为脂肪烃、环烷烃与芳香烃三类。 1脂肪烃 脂肪烃包括烷烃（CnH2n2）、烯烃

5、（CnH2n）和炔烃（CnH2n2），其分子结构均为链状结构。其中烷烃是一种饱和的链状结构，其碳原子间以单键相连接；烯烃与炔烃均是不饱和的链状结构，烯烃的碳原子间的结合有一个双键，炔烃的碳原子间的结合有一个三键。链状结构在高温下容易发生破裂，因此含烷烃较多的燃油容易燃烧，自燃温度较低，而且碳原子越多，其自燃性越好；另外由于它是一种饱和烃，所以其性能稳定，不易变质。含烷烃多的燃油是柴油机的良好燃油。烯烃和炔烃多存在于热裂法生产的柴油中，其发火性能较烷烃差，而且由于它们是不饱和烃，所以性能不稳定，易于氧化变质。2环烷烃 环烷烃的分子式是CnH2n，它是一种碳原子间以单键结合的环状饱和烃。其环状结构

6、在高温下不易破裂，所以它的自燃温度高于脂肪烃。 3芳香烃芳香烃的分子式是CnH2n-6，它是一种不饱和的环状结构。其碳原子间由单键和双键交替联结，受热后最不容易破裂，因此芳香烃的自燃温度最高。柴油中若含较多的芳香烃，则不容易发火，同时燃烧不完全，易结炭。芳香烃中最基本的是苯（C6H6），两个苯核并在一起（骈苯环）称为萘（C10H8）。一甲基萘又叫-甲基萘，其发火性能最差，通常作为柴油发火性能试验的标准试验燃料之一。二、燃油的理化性能指标燃油的质量以其理化性能指标来衡量，这些指标根据其对柴油机工作的影响大致可分为三类：（1）影响燃油燃烧性能的指标：十六烷值、苯胺点、柴油指数、馏程、热值和粘度等；

7、（2）影响燃烧产物成分的指标：硫分、灰分、沥青分、残炭值、钒和钠含量等；（3）影响燃油管理工作的指标：闪点、密度、凝点、倾点、浊点、水分和机械杂质、粘度等。1十六烷值十六烷值是表示燃油自燃性能的指标。它在数值上等于燃油自燃性相等的标准燃料（由相当于十六烷值为100的正十六烷与相当于十六烷值为零的-甲基萘混合而成）中，所含正十六烷的体积百分数。如某燃油的十六烷值为45，则表示该油品的自燃性能（通常以滞燃期长短计量）与正十六烷容积含量为45的标准燃料的自燃性能相同。由此，十六烷值高，表示自燃性能好。 十六烷值过低时燃烧粗暴，甚至在起动或低速运转时难以发火；但如果燃油的十六烷值过高，不仅燃油费用高，

8、而且因发火过快使燃油产生高温分解而生成游离碳，致使柴油机排气冒黑烟，经济性能下降。因此对燃油的十六烷值应有适当的要求。通常，高速柴油机使用燃油的十六烷值在4060之间；中低速柴油机在4050之间；对于燃用重油的大型低速柴油机，只要其十六烷值不低于25，即可保证正常工作。苯胺点用同体积的燃油与苯胺混合加热使其形成单一液相溶液，然后后使其逐渐冷却，混合溶液开始变混浊（析出沉淀物）时的温度即为苯胺点。苯胺点和密度一样，是石油烃类的一个特性因素。油品中的各族烃类在苯胺中具有不同的溶解度，其中芳香烃在苯胺中的溶解度较大，燃油与苯胺越易溶解，则苯胺点越低，表示燃油中的芳香烃含量愈大，密度愈大，自燃性能愈差

9、。因此根据苯胺点的高低，可以判断油品中各族烃类的含量和十六烷值的高低，也可反映燃油燃烧性能的好坏。3柴油指数柴油指数也是衡量燃油自燃性的指标。它不必使用贵重试验设备而可以在试验室中用简单的方法测定，并按下式计算燃油的柴油指数（DI）：DI（1.8t十32）（141.5d一131.5）l100式中：d燃油相对密度（温度为60下时同体积燃油与水重量之比）；t苯胺点（）柴油指数越大，则苯胺点越高，说明密度越小，芳香烃含量越低，燃油的品质越好。柴油指数同十六烷值在数值上相近。一般，柴油指数较十六烷值略高几个单位，二者换算公式为：十六烷值（CN） 2/3柴油指数144馏分和馏程馏分与馏程是燃油的蒸发性能

10、指标。把燃油放在蒸馏装置中蒸馏，馏出第一滴油品的气体温度称为初馏点，蒸馏到最后达到的气体最高温度称干点（或终馏点）。在一定温度范围内燃油所能蒸发的百分数称馏分。每个馏分的初馏点和干点称该油品的馏程。轻馏分（250以下蒸馏出的成分）蒸发快，易于与空气混合和发火。但轻馏分过多（超过15）时燃烧粗暴。重馏分（350以上蒸馏出的成分）蒸发慢，燃烧不完全且易结炭。因此，从燃油的质量出发，并不是轻馏分越多越好，品质好的燃油应是轻馏分与与重馏分都很少，而在250350之间蒸发的馏分（中馏分）最多。通常用50馏出温度表示该油品的平均蒸发性能。5热值lkg燃油完全燃烧时放出的热量称为燃油的热值或发热值，单位用k

11、Jkg（千焦千克）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，用符号H表示。我国规定，重油的基准低热值H42000kJkg；轻油的基准低热值H42700kJkg。6粘度粘度是液体内分子摩擦的量度，它表示燃油流动时的内阻力，对燃油的输送、过滤、雾化和燃烧都有很大影响，是评定燃油流动性能的指标，是燃油最重要的特性参数之一。液体的粘度值有绝对粘度和相对粘度（条件粘度）两种表示法。前者表示内摩擦系数的绝对值，后者是在一定条件下测得的相对值，并因测定仪器而异。绝对粘度有动力粘度和运动粘度；相对粘度有恩氏粘度、赛氏粘度和雷氏粘度。（1）动力粘度动力粘度是指两个相距为1 cm、面积为l cm2的

12、液体层，相对运动速度为l cms时所产生阻力大小的数值。工程单位制为gcms（泊），国际单位制为Pas（帕秒）。l Pas10gcms（2）运动粘度运动粘度是动力粘度与同温度下液体密度之比。国际单位制为m2s或mm2s。通常在实际中使用厘斯（cSt工程单位），l cSt10-6m2sl mm2s。（3）恩氏粘度恩氏粘度是200ml液体在测定温度下从恩氏粘度计流出所需的时间与在20时流出相同体积的蒸馏水所需的时间之比。它是一个无因次量，符号为Et。恩氏粘度曾是我国和部分欧洲国家常用的粘度表示法。（4）赛氏粘度赛氏粘度是液体在37.8（100）温度下从赛氏粘度计流出60ml所需的时间（s）。赛氏粘

13、度分为通用粘度(SSU)和重油粘度(SSF)，常用的是SSU。（5）雷氏粘度雷氏粘度是液体在37.8（100）下从雷氏粘度计流出50ml所需的时间（s），雷氏粘度分为雷氏一号粘度（Red No.1）和雷氏二号粘度（Red No.2），常用的是Red No.1。赛氏粘度和雷氏粘度是美英国家常用的粘度表示法。各种粘度表示法的换算关系如表3 粘度换算表（同温度下的近似换算） 表31运动粘度（mm2/s）赛氏粘度（s）雷氏一号粘度（s）恩氏粘度（Et）运动粘度（mm2/s）赛氏粘度（s）雷氏一号粘度（s）恩氏粘度（Et）3.04.05.06.07.08.09.010111213141516171819

14、2021222324253035404536394246495256596366707478818590949810210711111512014214618720933363844144465659636670746871757882869093971011051241441641841.231.311.401.481.571.661.751.841.932.022.122.222.332.442.552.652.762.882.993.113.223.343.464.084.715.355.99506070809010011012013014015020025030040050060070

15、08009001000150020002500300040005000232279325371419463510560610650700940116014101870232028003250370042004750700092001160014000185002300020424528532636840645049053057062082010101230164020402430282032503650410061008100101001230016100200006.657.929.2410.5811.913.214.616.017.318.519.926.83340536679931021

16、18133199260325400530660-l所示。ISO组织规定，自1977年10月开始采用50时的运动粘度值（mm2s）作为燃油的粘度值。压力和温度对燃油的粘度有很大影响。燃油的粘度随压力的增大而增加，随温度的升高而降低。燃油的粘度随温度变化的特性称粘温性能，图3-l为典型船用燃油的粘温特性曲线。7硫分燃油中所含硫的重量百分数叫硫分。燃油中含硫的危害有四个方面：（1）液态的硫化物（如硫化氢等）对燃油系统的设备有腐蚀作用；（2）燃烧产物中的SO3和水蒸气H2O在缸壁温度低于它们的露点时，会生成硫酸附在缸壁表面，产生强烈的腐蚀作用。由于这一腐蚀只发生在低温条件下，故称为低温腐蚀；（3）燃烧

17、产物中的SO3能加速碳氢化合物聚合而结炭，而且此结炭既多又硬，不易清除。（4）SO2对大气形成污染。3-1 船用燃油的粘温特性曲线燃油中的硫分主要与原油产地有关，同时也受加工炼制工艺方法的影响。改善炼制工艺虽然可显著降低燃油中的硫分，但燃油的价格将大幅度上涨。轻柴油的蒸馏产品，硫分很少，重柴油是催化、裂化的重馏分，硫分相对多一些，重油是残渣油与重馏分的混合物，含硫量较大，有时达34。8灰分燃油的灰分为油溶性有机酸和无机酸盐类以及不燃烧的机械杂质所占的重量百分数。灰分中含有的各种金属氧化物，可造成燃烧室部件的高温腐蚀和磨料磨损，加剧气缸的磨损。9钒、钠合量燃油中所含钒、钠等金属的质量含量一般用百

18、万分之几来表示（ppm）。钒以金属有机化合物形式存在于原油中。这些金属有机化合物是油溶性的，净化系统无法除去。在炼制中也不蒸发，因而大部分浓集到残渣油中，燃烧后生成金属氧化物；钠是原油中的有害金属元素，可能是海水漏入油料中的结果。燃油中的钒和钠是非常有害的成分。钒与钠燃烧后生成低熔点的化合物，如Na2OV2O45V2O5熔点为625，5Na2OV2O411V2O5熔点为535。尤其是由V2O5与Na2SO4形成的共熔混合物，在二者比例约为4:6时，其熔点最低，仅为300。当排气阀和缸壁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，与金属表面发生氧化还原反应而腐蚀金属。由于这种

19、腐蚀只发生在高温条件下，故称为高温腐蚀。由此，为了控制此种腐蚀，应限制排气阀和缸套表面的最高温度。10机械杂质和水分燃油中所含不溶于汽油或苯的固体颗粒或沉淀物的重量百分数称为机械杂质。轻质燃油不允许含机械杂质，重质燃油允许含有少量机械杂质。燃油中的机械杂质主要来自贮运、使用及加工中混入的非油溶性固体物质。如尘土、铁锈、漆皮、金属末以及残存的添加剂等。机械杂质会加剧喷油设备偶件的磨损和喷油器喷孔堵塞、滤器堵塞。燃油中的水分以容积百分数表示。燃油中的水分主要来自在贮运中进入的或燃油与大气或水接触时吸收和溶解的水，以及使用中管道漏泄进入的水分等。燃油中的水分能降低燃油的低热值，破坏正常发火，甚至导致

20、柴油机停车。如含有海水将会造成腐蚀，加剧缸套磨损。因此应限制燃油中的水分，尤其对轻柴油应限制其水分不大于痕迹（即不大于0.025）。在船舶上可以使用燃油净化措施降低燃油的机械杂质和水分。11沥青分沥青分表示沥青占燃油重量的百分数。沥青是多环的大分子量芳香烃，悬浮在油中呈胶状。沥青不易燃烧，导致滞燃期长，产生后燃，冒黑烟，并在气缸中形成坚硬的碳垢附着在缸套、活塞环和喷油器喷孔处，增加磨损并可能使喷油器偶件咬死。如果不相容的燃油混在一起，沥青在油中的平衡状态有可能被破坏，因此会形成大量沥青泥渣，堵塞管路、滤器，使分油机不能正常工作。因此应尽量避免不同产地、不同规格的燃油混舱。12残碳值燃油在隔绝空

21、气的条件下加热，称为干馏，最后剩下的鳞片状炭渣物称为残炭。残炭占试验油重量的百分数称为残碳值。轻柴油的残碳值较小，故用“10蒸余物残炭”表示。即将轻柴油蒸发掉90后再作残碳值测定。由此得到10蒸余物的残碳值数值较大，弥补了全残炭值精确度不足的缺陷。根据测定方法的不同，残碳值可分为“康氏残炭”（使用矮形坩埚测定）和“蓝氏残炭”（使用电炉法测定）。残碳值不能表示气缸中实际生成结碳的多少，只是反映燃油燃烧时形成结炭、结焦的倾向。残碳值中包含了机械杂质和灰分。当燃用残碳值较大的燃油时，将在燃烧室产生较多的结炭使传热系数减小，热阻增加，引起过热、磨损，从而缩短柴油机的维修周期。13闪点燃油在规定条件下加

22、热，其蒸气与空气的混合气在同火焰接触时能发生闪火时的最低温度称闪点。根据测试仪器的不同，分为开口闪点和闭口闪点，闭口闪点低于开口闪点。闪点是衡量燃油挥发成分产生爆炸或火灾危险性的指标。按国内外船舶建造规范规定，船舶使用的燃油闪点（闭口）不得低于60。从防爆、防火的观点出发，在低于燃油闪点17的环境温度下倾倒燃油或敞开容器才比较安全。14凝点、倾点和浊点凝点、倾点与浊点都是说明燃油低温流动性和泵送性的重要指标。燃油在试验条件下冷却至液面不移动时的最高温度称为凝点。燃油的凝点取决于它的成分和组成结构。对于含石蜡较多的燃油在低温下由于石蜡结晶而形成网状晶架，从而使燃油失去流动性，称为结构凝固；对于含

23、石蜡较少的燃油，在低温下由于粘度增大而失去流动性，称粘温凝固。燃油尚能够保持流动的最低温度称倾点。燃油开始变混浊时的温度称为浊点。通常，燃油的浊点高于凝点约510；倾点高于凝点约35。燃油的温度低于浊点时将使滤器堵塞，供油中断。燃油温度低于凝点时，将无法泵送。从使用观点，浊点是比凝点更重要的指标。燃油的使用温度至少应高于浊点35。15密度与相对密度燃油的密度是指燃油在20（国外为15.6）时单位体积的质量。在20时的密度称为标准密度，记作20。燃油在20（国外为15.6）时的密度与4（国外为15.6）时水的密度的比值称为相对密度，或称燃油的比重，以符号d420表示，它与其它温度下的相对密度关系

24、如下：d420d4t0.000672（t20）式中：d4t温度为t时的相对密度； t测定燃油相对密度时的温度，。燃油的密度与它的化学成分和馏分组成有关。烷烃的密度最小，环烷烃稍大，芳香烃较大，含硫、氧、氮的胶质和沥青质密度最大。燃油的密度随馏分温度的增高而增大。燃油的密度随温度而变化，通常，应按温度的变化对密度进行修正。燃油密度的温度修正公式如下：t20r（t20）式中：t 油在温度t时的密度（gcm3）；燃油密度温度修正系数 表3-220r20r0.80640.82910.000710.97040.93820.000590.82920.85330.000680.93830.97290.000

25、560.85340.87920.000650.97301.01310.000530.87930.97030.00062 r燃油密度温度修正系数，g(cm3)。见表3-2。在轮机管理过程中，密度对燃油的使用有很大意义。（1）在装载燃油时应根据燃油的密度和油舱的舱容计算装载量（应按装油温度对密度进行修正）；（2）应根据燃油密度的变化正确选择分油机的比重环。一般的分油机允许的最高分离密度是0.991g/ m3（15时的密度）； （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），柴油机的转速将相应变化。三、燃油的牌号与选用燃油的命名、牌号、级别、组别和质量指标等均因国家和石

26、油公司不同而异。1国产燃油的规格与选用我国的柴油机燃油分为轻柴油、重柴油、内燃机燃料油和渣油四类。（1）轻柴油我国生产的轻柴油由国家标准GB252-81规定。轻柴油按凝点不同分为10号、0号、10号、20号、35号五个等级，见表33所示。选用轻柴油应根据当地环境温度而定，一般最低环境温度应高出凝点温度5以上。轻柴油质量指标（GB 25281） 表33项目要求质量指标实验方法10号0号10号20号35号十六烷值馏程：50馏出温度（）90馏出温度（）95馏出温度（）运动粘度（20，mm28）10%蒸余物残炭（）灰分（）硫含量（）机械杂质水分（）闪点（闭口，）腐蚀（铜片，50，3h）酸度（mgKOH

27、100ml）疑点（）水溶性酸或碱胶质（mg100ml）不小于不高于不高于不高于不大于不大于不大于不大于不低于不高于不大于503003553653.00.80.40.0250.2无痕迹60合格1010无7012503003553653.08.00.40.0250.2无痕迹60合格100无70E503003503.08.00.30.0250.2无痕迹60合格1010无7013453003502.58.00.30.0250.2无痕迹60合格1020无70433003502.57.00.30.0250.2无痕迹50合格1035无70GB386GB255 GB265GB265GB508GB380GB51

28、1GB260GB261GB378GB258GB510 GB259GB509轻柴油是质量最好、价格最贵的船用燃油，适用于高速、中高速及舰用大功率柴油机，救生艇一般选用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，有些船用大功率二冲程柴油机由于受到加热设备的限制，在机动操纵时也要换用0号轻柴油。 重柴油质量指标（GB 44577） 表34项目要求质量标准实验方法10号20号30号运动粘度（50，mm28）残炭（）灰分（）硫含量（）机械杂质（）水分（）闪点（闭口，）疑点（）水溶性酸或碱不大于不大于不大于不大于不大于不大于不低于不高于13.50.50.040.50.10.56510无20

29、.50.50.060.50.11.06520无36.21.50.081.50.51.56530GB3265GB3268GB508GB387GB511GB260GB261GB510GB3259（2）重柴油按GB-445-77规定，重柴油按其凝点不同可分为10号、20号和30号三个牌号。其代号分别为RC-10、RC-20、RC-30，其质量指标见表3-4。使用重柴油的柴油机应有完善的预热设备。重柴油主要用于中低速柴油主机、发电柴油机以及中小型高速柴油机。（3）内燃机燃料油内燃机燃料油是以直馏残渣油与重柴油调合而成的。我国从20世纪70年代起，用掺混的方法生产了1000s和1500s的内燃机燃料油，

30、专供远洋船舶使用。目前没有国家的统一标准，一般执行炼油厂同使用单位商定的协议标准。其主要质量指标见表3-5。（4）渣油渣油是由减压渣油与二次加工残渣油调合而成的燃料油。原为锅炉燃料，现用于国内沿海船舶作为大型低速柴油机与中速柴油机掺烧的重质燃油。国产渣油以80时的运动粘度值（mm2s）作牌号，如250号燃料油。另外尚有l号渣油，其质量较250号燃料油更差。如表3-6所示。 ISO对船用燃料油的要求 表36密度kg/cm3不大于运动粘度100（mm2/s）不大于闪点()不小于倾点康氏残炭(%)不大于灰分(体积%)不大于水分(体积%)不大于馏分(%)不大于钒(mg/kg)不大于冬季夏季不大于ISO

31、-FRMA10975.010.0600 0 6100.100.53.5150RMB10991.024 24RMC1014300RMD15991.015.06030 30140.100084.0350RME25991.025.06030 30150.101.05.0200RMH35200.15500RMG35991.035.56030 30180.151.05.0300RMH35220.20600RMK35-RML35-RMH45991.045.06030 30220.201.05.0600RMK45-RML45-RMH55991.055.06030 30220.21.05.0600RML55-

32、实验方法ISO3675ISO3140ISO2719ISO3016ISO6615ISO6245ISO37332国外燃油的规格与选用国外船用燃油基本上分为四类：（）轻柴油Marine Gas Oil，简称MGO，常用于救生艇柴油机和应急发电柴油机。（）船用柴油Marine Diesel Oil，简称MDO，常用作发电柴油机和船舶主柴油机机动航行时的燃油。（）中间燃料油Intermediate Fuel oil，简称IFO，是渣油与柴油调和而成的混合油，可用于各类大功率中速机和低速柴油机。1987年ISO颁布了ISO-1827“石油产品燃料（F级）船用燃料规格”的国际标准，它是以100时的运动粘度来

33、区分与命名的。如表3-6所示 国产渣油的企业标准和实测指标 表37质 量 指 标要 求石 化 总 公 司 企 业 标 准石 油 七 厂1号渣油250号渣油250号燃料油标准实测标准实测标准实测恩氏粘度(E)运动粘度（100，mms）闪点（开口，）疑点（）灰分（）水分（）机械杂质（）密度（20，gcm）不大于不大于不低于不大于不大于不大于不大于35260160实测0.32.03.0实测20.6031.3828432525320.0140.048痕迹0.260.0120.0500.9270.931125150实测0.32.02.5实测17.7227.8526233924.536.00.00480.

34、0300.0120.2630.0560.200.91320.934625185130460.32.518.3020.9934030320.0060.0100.0050.011（4）船用燃料油Marine Fuel Oil，简称MFO， 也叫C级锅炉油。一般其粘度在50时为380cSt以上，主要用于蒸汽锅炉，也可用于新型大功率中速柴油机和大功率低速柴油机。直接使用MFO作为低速柴油机的燃料在国外尚不多见，所供应的船用燃料油（MFO）或习惯上称为重油（Heavy Oil）均属于本地或本公司所能供应的最粘滞的中间燃料油。其性能如表3-7所示。四、燃油燃烧的热化学燃油的燃烧是一种剧烈的氧化反应，在氧化

35、的同时将产生大量的热量。由于在气缸内的实际燃烧过程极其复杂，所以在讨论中忽略其实际中间过程，只考虑燃油中的元素氧化的最后化学反应，即燃油中的C、H生成最终燃烧产物CO2、H2O。采用这种简化所分析与计算出的结果与实际情况基本符合。化学方程式算得1完全燃烧1kg燃油所需的理论空气量LO燃油的化学成分主要是C、H、O，常用质量百分比表示其含量，例如，某重柴油g c0.86、gH0.13、go0.01，则表示kg燃油中含有0.86kg的C、0.13 kg的H和0.01 kg的O。此种l kg燃油完全燃烧时所需的空气量称理论空气量为14.3kg。2燃烧过量空气系数在柴油机实际循环中，因为按内部混合方式

36、形成可燃混合气，混合的时间很短；另外由于结构的限制，雾化燃油不可能在燃烧室内均匀分布，使油气混合不均匀。所以为得到完全燃烧，向气缸供给的实际空气量必须大于理论空气量L0。充入气缸内的实际空气量L与进入气缸内的燃油完全燃烧所需的理论空气量之比称为燃烧过量空气系数。即 LLO显然，在柴油机中l。燃烧过量空气系数对柴油机的工作性能有很大影响。如果某柴油机的较小，表示相对一定的气缸进气量，气缸内燃烧的油量较多，则气缸强化程度较高，平均有效压力pe较高；但经济性较差，气缸热负荷较大，排气温度较高。如果柴油机的较大（低负荷运转），则柴油机的pe较小；但经济性较高，气缸热负荷较小，排气温度较低，可靠性高。由

37、此，对某柴油机而言，的大小反映该机的负荷大小、经济性高低、可靠性高低以及排气污染程度。对不同机型，在标定工况下的值不同。一般二冲程柴油机的大于四冲程机（目的是为了降低二冲程机的热负荷）；大型柴油机的大于小型柴油机(小型机的单位气缸容积的散热面FV大，因此热负荷较小，可以较小)；增压柴油机的大于非增压机（降低增压机热负荷）。不同机型的值通常在下列范围：非增压高速四冲程小型柴油机：1.21.7增压、高速四冲程小型柴油机：1.51.9非增压、低速二冲程大型柴油机：1.82.1增压中低速二冲程大型柴油机：2.02.3在柴油机燃烧室内，由于燃油分布不均匀，所以其局部地区的值也是不同的。在油束内部因空气很

38、少或无空气，其0；在油束外缘油气与空气混合，随距油束中心距离的增加逐渐增大；而在燃烧室周边无油区，其。欧美各国习惯上使用空燃比或燃空比表示燃烧时空气量（燃油量）与燃油量（空气量）的配比关系，与过量空气系数有相似的含义，但定义不同。空燃比是实际空气量与喷入气缸的燃油量之比，用符号AF标记；燃空比是喷入气缸的燃油量与实际空气量之比，用符号FA标记。显然，两者互为倒数。 第二节 燃油的喷射和雾化在柴油机中，液体燃油是不能直接燃烧的，燃油必须在压缩行程末期通过喷油设备喷入气缸，经雾化、蒸发与高温空气混合形成可燃混合气，才能发火燃烧。可燃混合气的形成质量是影响燃油燃烧的重要因素，它受到燃油喷射、空气涡流

39、和缸内热工状态的影响。一、燃油喷射系统概述 1燃油喷射系统的类型燃油喷射系统的种类很多，主要可以分为：1）直接作用式和间接作用式喷射系统直接作用式喷射系统又称为柱塞泵式系统，此类系统结构简单，但在低转速、低负荷时喷射质量和各缸供油均匀性较差；间接作用式又称为蓄压式喷射系统，也称为定压喷射系统或共轨式喷射系统，它的优缺点同直接作用式相反。目前在柴油机上广泛应用的是直接作用式，简称直喷式。2）阀控制式和柱塞控制式喷射系统燃油喷射系统的油量调节有喷油泵控制式和喷油器控制式。喷油泵控制式为直接作用式喷油系统，可以分为阀控制式和柱塞控制式两种；喷油器控制式是指利用电子控制技术对喷油器进行喷油定时、喷油量

40、调节等控制，属于蓄压式喷射系统。目前广泛应用的是喷油泵控制式，但电控蓄压式喷射系统代表着柴油机未来燃油喷射系统的发展方向。燃油喷射系统的类型 表3-8直接作用式喷射系统间接作用式（蓄压式）喷射系统泵控制式泵喷油器式分级喷射式分配式准等功率式液压伺服系统高压泵系统电子喷射系统现代柴油机的燃油喷射系统的类型见表3-82对燃油喷射系统的要求燃油喷射系统的作用是在一定的时刻以极高压力将燃油喷射到气缸中并使之雾化，在气缸内部形成可燃混合气。即在活塞接近上止点时，燃油喷射系统将燃油在极短的时间内以高压喷入气缸，实现燃油与空气的混合和燃烧。为了保证柴油机在动力性、经济性、排放和噪声等方面达到优良性能，对其喷

41、射系统有如下要求：（1）喷油时刻和喷油时间要正确（定时）：在柴油机运转工况范围内，尽可能保持最佳的喷油定时、喷油持续时间和喷油规律，而且能对喷油定时进行总调（整机调节）和单调（单缸调节），以保证良好的燃烧并取得优良的综合性能。（2）喷射雾化质量要好（定质）：能产生足够高的喷油压力，以保证燃油良好的雾化性能，且燃油油束与柴油机燃烧室和气流运动相匹配，保证油气混合均匀。还应有适宜的喷油规律以满足燃烧过程的要求。（3）喷油量能进行调节（定量）：能精确调节每循环喷入气缸的燃油量，且喷油量能随柴油机的负荷变化而变化（总调）；在柴油机负荷不变时，各循环之间的喷油量应当一致（单调）。此外，还要求喷射系统工作

42、稳定、可靠、无泄漏、便于管理等。3柱塞泵式燃油喷射系统的基本组成典型的燃油喷射系统主要由喷油泵、喷油器和连接它们的管路组成。如图3-2所示，为典型的柱塞泵式燃油喷射系统的简图。喷油压力由喷油泵提供，燃油的雾化则通过喷油器来实现。柴油机工作时，柱塞3由喷油泵凸轮1(又称燃油凸轮)经滚轮2驱动。凸轮1固定在凸轮轴上，并通过曲轴带动凸轮轴传动机构。凸轮按一定时刻顶动滚轮，从而保证了喷射定时要求。柱塞3上行其上端面封闭油孔A时，泵腔中的燃油受到压缩；当油压升高到克服出油阀弹簧5的弹力和高压油管中的残余压力时，出油阀4开启，压力油进入出油阀空间B，此为供油始点。高压燃油沿高压油管6传递至喷油器8的空间C

43、，当其油压大于喷油器弹簧7的预紧力时，针阀向上抬起，高压燃油经喷油孔10喷入气缸。当柱塞3下部的斜槽边缘开启油孔A时，泵腔高压燃油经斜槽回油至进油空间，出油阀相继落座，此为供油终点。此后当空间C的油压低于弹簧7预紧力时，针阀落座，喷油结束。柱塞下行时泵腔内为充油过程。在上述泵一管一嘴系统中，由于高压油管的存在，使喷油系统在柴油机上的布置比较方便灵活，因此，迄今仍在各种柴油机上得到广泛的应用。但是，也由于高压油管的存在，降低了喷射系统高压部分的液力刚性，难以实现高压喷射与理想的喷油规律，使这种传统喷射系统的应用前景受到了一定的限制。4电控喷射系统的基本组成为了满足环境保护的要求，控制排放与噪声，

44、目前正在大力发展各种高压、电控燃油喷射系统，如采用短管的单体泵系统、泵喷嘴与PT系统、电控共轨系统等。其中电控共轨喷射系统代表着柴油机未来燃油喷射系统的发展方向，这在国内外已成为共识。图3-3Sulzer RT-flex 共轨式燃油喷射系统如图3-3为SULZER公司和Wrtsil公司生产的RT-flex柴油机所采用的共轨燃油喷射系统的简图。该柴油机省却了常规的凸轮轴、凸轮轴驱动机构、燃油泵、排气阀驱动泵和换向伺服泵，采用电子控制的共轨式燃油喷射和排气阀驱动系统，克服了机械驱动的局限性，具有非常大的灵活性，可保证全工况下的低排放和低燃油消耗率，具有更低的稳定转速，减少了维修工作量和运行的成本，

45、可适用于不同品质的燃油。该共轨式燃油喷射系统由曲轴带动的共轨油泵先将燃油泵入一个燃油总管中，压力可达100Mpa左右。另外还有一个轴带伺服油泵，产生20Mpa左右的伺服油压。每缸有3只常规的液压启阀式喷油器，共轨式燃油总管中100Mpa左右的恒压燃油，经容积式液压伺服机构进入3个喷油器中喷入气缸。这个容积式液压伺服机构又由一个WECS-9500型电子控制器进行控制，它可以独立地控制每个喷油器的供油始点、终点和供油量。因此，这种燃油喷射系统可以根据不同的工况、不同的燃油品质调整各个喷油器和各缸的燃油喷射量，达到全工况下的低油耗、低排放、低维修成本和高可靠的特点。目前，这种柴油机已经在一些集装箱船

46、舶、冷藏船和油轮上装船使用。电控喷射系统就是通过电子控制系统实现对燃油喷射始点、喷射压力、喷油持续时间的有效控制，以达到优化燃烧过程，降低燃油消耗率和降低柴油机排放，改善柴油机的启动、换向、加速和降低稳定转速等性能。它的核心系统是一个微处理器，柴油机的的转速和转角作为输入信号，手控或温度和压力等作为附加输入信号；输出信号用以自动修正喷射正时，以实现在变工况、变使用条件下的最佳运转。电控喷射系统的主要特点如下：（1）优化燃烧过程电控喷射系统在调节喷油正时的同时，也改变喷射压力，并使喷射压力在高负荷时比传统喷射系统显著降低，在低负荷时则显著升高。同时也可以改变燃油喷射规律，控制喷射过程不同阶段的喷

47、油量，使燃油有效地雾化和燃烧，有相对理想的放热规律，使燃油消耗率降低。（2）适用多种燃油采用电控喷射后，通过控制装置输出一个简单信号，可根据燃油的品质给出相对理想的喷油始点和喷射压力特性，使它们燃烧时都有较好的放热规律，以利于降低油耗和减轻磨损。（3）适应不同环境温度用电子控制喷射始点，可通过提高爆发压力来修正环境温度的不利影响，使船舶柴油机适应不同环境温度的能力明显提高。（4）转速微调化图3-4 喷射过程示意图控制装置把电子信号直接传输到电液驱动喷油器中，使转速调节迅速而准确。电控喷射可以使柴油机的最低稳定转速降至标定转速的1/6左右。相应的最低运转转速随之降低，改善了船舶的操纵性能。（5）

48、操纵灵敏化该装置可以控制气缸起动阀和喷油器的动作，起动、停车、正车、倒车等均由操纵机构的位置来确定，可取消传统的机械式起动和换向机构。用操纵杆将设定转速和转向输入柴油机，各种动作指令脉冲一触发，实际的运转程序便可自动进行。 二、燃油的喷射过程燃油的喷射过程的作用就是将燃油在一定的时刻以很高的压力喷入气缸并使其良好的雾化，这是一个复杂的物理过程。在喷射过程中，从喷油泵出油阀到喷油器针阀这一高压系统内所进行的物理过程，受燃油的可压缩性、高压油管的弹性、系统的节流以及燃油运动的惯性等因素影响。这些影响因素使燃油在喷射过程中产生时间延迟和压力波动，进而影响燃油的喷射质量。 1喷射过程的三个阶段如图3-

49、4所示（a）、（b）、（c）分别为喷油泵出口压力、喷油器进口压力和喷油器针阀升程随曲柄转角的变化关系。根据这些曲线的特点可把喷射过程划分为三个阶段：（1）喷射延迟阶段I（从供油始点到喷油始点）从图中可以看出：喷油器的喷油始点（针阀开始升起点On）滞后于喷油泵的供油始点（几何供油始点Op）。我们把从喷油泵供油始点到喷油器的喷油始点的这一阶段称为喷射延迟阶段。由此可见，存在供油提前角p（喷油泵开始供油的瞬时，活塞到上止点的曲柄转角）和喷油提前角v（喷油器开始喷油的瞬时，活塞到上止点的曲柄转角）两个提前角，对柴油机燃烧过程有直接影响的是喷油提前角，在使用上能够进行检查和调整的是供油提前角。在实际使用

50、过程中对要求不严格的情况下，可以把两者统称为喷油提前角。喷射延迟主要是由于燃油的可压缩性（压力变化l MPa，燃油体积变化118201l610）、高压油管的特性参数和高压系统的节流等原因引起的，同时还与喷油器的启阀压力的高低、喷油泵出油阀和喷油器针阀的结构特点、柴油机的转速等有关。（2）主要喷射阶段（从喷油始点到供油终点）从喷油器的喷油始点Ov到喷油泵的供油终点Sp为主要喷射阶段。在本阶段内喷油泵的瞬时供油量大于喷油器的喷油量，所以燃油是在不断升高的高压下喷入气缸，循环喷油量的大部分在本阶段内喷入气缸。通常，将喷油器针阀开启时的最低燃油压力（Pvo）称为喷油器的启阀压力。主要喷射阶段的长短主要

51、取决于柴油机的负荷，负荷越大，主要喷射阶段越长。（3）尾喷阶段（从供油终点到喷油终点）当喷油泵停止供油时，其回油孔刚刚打开一小部分，由于节流的作用，喷油泵的供油压力并不会陡然下降。原燃油会在低压下膨胀，同时高压油管在低压下收缩，喷射系统中的燃油压力下降较为迟缓，喷油器的针阀仍然保持开启，但燃油是缸内压力不断下降的情况下喷入气缸，使燃油雾化质量下降，甚至会产生滴漏现象。当燃油压力下降到Pvs时，喷油器的针阀落座，喷油结束，此压力称为针阀落座压力。从图中可以看出，针阀落座压力小于启阀压力。影响尾喷阶段的主要因素与喷射延迟阶段相同。2喷射过程的压力波动在燃油的喷射过程中，高压油管内的最高压力可达60

52、70Mpa或更高，而喷射结束后油管中燃油的剩余压力不足最高压力的1/10。因此，喷射过程是一个高压系统内压力巨变的过程。其次，每循环的喷油量远少于高压系统内所充满的燃油量（一般循环量为喷油量的23倍），在此情况下，燃油的可压缩性对喷射过程的影响成为不可忽视的因素。图3-5 供油规律与喷油规律曲线在喷油泵开始供油使出油阀开启的瞬间，高压油管中泵端的燃油就受到来自喷油泵燃油的冲击。但由于燃油的惯性和可压缩性以及高压油管的弹性，喷油泵柱塞所排挤的燃油量与高压油管中流动的燃油量之间产生不平衡，造成燃油的瞬时堆积，致使压力继续升高，并以压力波的形式沿高压油管向喷油器一端传播。压力波传播的速度就是燃油介质中的音速，其值为1400l 600ms。设高压油管长度为L(m)，音速为(m/s)，则压力波经过L/(s)可从喷油泵端到达喷油器端。如果此压力波不足以开启喷油器的针阀，则压力波又经过L/(s)被全部反射至喷油泵端，并与该处的另一压力波叠加，再