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第三章 燃油噴射與燃燒 117第三章 燃油噴射與燃燒柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)最重要的系統(tǒng)之一，其主要功能是為柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣的形成與燃燒提供所需的燃料。它對(duì)柴油機(jī)的燃燒以及柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、排放特性和起動(dòng)性能等一系列性能指針具有直接的影響。自柴油機(jī)誕生以來(lái)，柴油機(jī)的燃油噴射與燃燒一直受到人們的密切關(guān)注，對(duì)此進(jìn)行了大量的研究?，F(xiàn)代測(cè)試技術(shù)與測(cè)試手段的發(fā)展與使用，把柴油機(jī)的燃油噴射與燃燒研究提高到一個(gè)嶄新的階段，使人們對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程有了更深刻的了解，推動(dòng)了柴油機(jī)開(kāi)發(fā)與制造技術(shù)的發(fā)展。船舶柴油機(jī)目前使用的燃料主要有輕柴油、重柴油、重油及渣油等四類(lèi)。要使它們?cè)诟變?nèi)著火并燃燒并不困難，但要使其燃燒過(guò)程與活塞運(yùn)動(dòng)密切配合并獲得較高的柴油機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性卻不是一件容易的事。對(duì)柴油機(jī)燃燒的要求可大致概括為及時(shí)（在上止點(diǎn)前發(fā)火并迅速燃燒）、完全、平穩(wěn)（燃燒過(guò)程柔和，無(wú)燃燒敲缸現(xiàn)象）和空氣利用率高。由于柴油機(jī)燃燒過(guò)程的進(jìn)行時(shí)間極為短暫，通常為毫秒量級(jí)，而且燃油在燃燒之前必須經(jīng)歷燃油噴射、霧化并與空氣混合成可燃混合氣等一系列復(fù)雜的準(zhǔn)備過(guò)程，才能最后以氣態(tài)形式發(fā)火燃燒，這就要求燃油霧化、空氣運(yùn)動(dòng)及燃燒室三者之間的合理匹配才能完成。根據(jù)柴油機(jī)的壓縮發(fā)火特點(diǎn)，欲完成一次缸內(nèi)燃燒必須在壓縮行程末期把燃油高壓噴入氣缸并與缸內(nèi)的新鮮空氣混合成可燃混合氣（內(nèi)部混合），然后在足夠高的壓縮溫度下發(fā)火并燃燒。由此可見(jiàn)，影響柴油機(jī)燃燒的基本因素有：燃油品質(zhì)和噴射質(zhì)量、缸內(nèi)空氣數(shù)量和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及壓縮溫度。在柴油機(jī)設(shè)計(jì)與管理中為保證柴油機(jī)具有良好的燃燒質(zhì)量，均應(yīng)保證上述因素最佳匹配。第一節(jié) 燃油 柴油機(jī)的燃油大多來(lái)自石油產(chǎn)品。天然石油提煉燃油的工藝主要是蒸餾，其次是熱裂化、催化裂化和加氫裂化。蒸餾法是根據(jù)石油的不同組分有不同的沸點(diǎn)而在不同的溫度下分餾出不同的油品。常壓蒸餾(稱(chēng)直餾)在360 370 下進(jìn)行，先后分餾出汽油、煤油、輕柴油和重柴油。剩下的重油（餾分在350以上）再送入410下減壓蒸餾，并先后分餾出重柴油和潤(rùn)滑油。剩下的渣油稱(chēng)減壓渣油含有高沸點(diǎn)成分及大量膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，可直接作為鍋爐燃料油，也可摻合部分柴油作為內(nèi)燃機(jī)燃料油。各種裂化法都是以重餾分（即常壓蒸鎦的重油）作為裂化原料，在高溫下使大分子裂化為小分子以獲取更多的輕質(zhì)油品。裂化過(guò)程剩余的渣油稱(chēng)裂化渣油。一、燃油的化學(xué)組成石油是多種有機(jī)化合物組成的極為復(fù)雜的混合物，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的化合物多達(dá)500多種。組成石油的基本元素是碳和氫，按重量計(jì)算大約為含碳83%87%、含氫11%14%，故稱(chēng)為烴類(lèi)化合物。石油中尚存在少量的氧、硫、氮等元素，總重量只占0.5%5%。此外，石油中還含有微量其它元素，如氯、碘、磷、鉀、鈉、鎂、鈣、銅、鐵、鎳、砷、鉛、釩等元素，它們也是以化合物形態(tài)存在于石油中。以上所含成分皆因產(chǎn)地和提煉方法而異。組成柴油機(jī)燃油的烴按其分子結(jié)構(gòu)不同，可分為脂肪烴、環(huán)烷烴與芳香烴三類(lèi)。1脂肪烴脂肪烴包括烷烴（n2n+2）、烯烴（n2n）和炔烴（n2n-2），其分子結(jié)構(gòu)均為鏈狀結(jié)構(gòu)。其中烷烴是一種飽和的鏈狀結(jié)構(gòu)，其碳原子間以單鍵相連接；烯烴與炔烴均是不飽和的鏈狀結(jié)構(gòu)，其碳原子間的結(jié)合分別有一個(gè)雙鍵和三鍵。鏈狀結(jié)構(gòu)在高溫下容易發(fā)生破裂，因此含烷烴較多的燃油容易燃燒，自燃溫度較低，而且碳原子越多，其自燃性越好；另外由于它是一種飽和烴，所以其性能穩(wěn)定，不易變質(zhì)。含烷烴多的燃油是柴油機(jī)的良好燃油。烯烴和炔烴多存在于熱裂法生產(chǎn)的柴油中，由于它們是不飽和烴，所以性能不穩(wěn)定，存儲(chǔ)中易于氧化變質(zhì)。另外，由于其發(fā)火性能較烷烴差，對(duì)柴油機(jī)燃燒不利。2環(huán)烷烴環(huán)烷烴的分子式是n2n，它是一種碳原子間以單鍵結(jié)合的環(huán)狀飽和烴。其環(huán)狀結(jié)構(gòu)在高溫下不易破裂，所以它的自燃溫度高于脂肪烴。3芳香烴芳香烴的分子式是n2n-6，它是一種不飽和的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。其碳原子間由單鍵和雙鍵交替連接。芳香烴分子結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，熱穩(wěn)定性比脂肪烴和環(huán)烷烴都高，燃燒最為困難。芳香烴中最基本的是苯（66），兩個(gè)苯核并在一起（駢苯環(huán)）稱(chēng)萘（108）。一甲基萘又叫甲基萘，其發(fā)火性能最差，通常作為柴油發(fā)火性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)燃料之一。帶有苯核的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)受熱后最不容易破裂。因此芳香烴的自燃溫度最高。柴油中若含較多的芳香烴，則燃燒不完全，易生成結(jié)炭。因此，應(yīng)限制柴油中芳香烴的含量。二、燃油的物理化學(xué)性能指針及其影響燃油的質(zhì)量是以其理化性能指針來(lái)衡量的，這些質(zhì)量指針有多種，分別從不同方面反映燃油的質(zhì)量。這些指針根據(jù)其對(duì)柴油機(jī)工作的影響大致可分為三類(lèi)：影響燃油燃燒性能的指針，如十六烷值、柴油指數(shù)、熱值和粘度等，影響燃燒產(chǎn)物成分的指針，如硫分、灰分、瀝青分、殘?zhí)恐?、釩和鈉含量等，影響燃油管理工作的指針，如閃點(diǎn)、密度、凝點(diǎn)、傾點(diǎn)、濁點(diǎn)、水分和機(jī)械雜質(zhì)、粘度等。1十六烷值十六烷值是評(píng)定燃油自燃性能的指針。其定義為在標(biāo)準(zhǔn)的四沖程柴油機(jī)上，將所試柴油的自燃性（通常以滯燃期長(zhǎng)短計(jì)量）同正十六烷（十六烷值為100）與甲基萘（十六烷值為0）的混合液相比較，當(dāng)兩者相同時(shí)，混合液中的正十六烷的容積百分比，即為所試驗(yàn)燃料的十六烷值。柴油機(jī)對(duì)燃油的十六烷值有一定的要求。十六烷值過(guò)低時(shí)燃燒粗暴，甚至在起動(dòng)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)難以發(fā)火；但如果燃油的十六烷值過(guò)高，不僅燃油費(fèi)用高，而且因發(fā)火過(guò)快使燃油產(chǎn)生高溫分解而生成游離碳，致使柴油機(jī)排氣冒黑煙，經(jīng)濟(jì)性能下降。通常，高速柴油機(jī)使用燃油的十六烷值在4560之間；中低速柴油機(jī)在4050之間。對(duì)于燃用重油的大型低速柴油機(jī)，其十六烷值應(yīng)不低于25。2苯胺點(diǎn)苯胺點(diǎn)指同體積的燃油與苯胺混合加熱成單一液相溶液，然后使之冷卻，當(dāng)混合液開(kāi)始混濁（析出沉淀物）時(shí)的溫度（）。燃油中各族烴類(lèi)在苯胺中有不同的溶解度，燃油中芳香烴最易溶于苯胺。燃油和苯胺越易溶解，則其苯胺點(diǎn)越低。燃油的苯胺點(diǎn)低則自燃性差，根據(jù)燃油的苯胺點(diǎn)可大致判斷其十六烷值的高低。3柴油指數(shù)柴油指數(shù)也是衡量燃油自燃性的指針。它不必使用貴重試驗(yàn)設(shè)備而可以在試驗(yàn)室中用簡(jiǎn)單的方法測(cè)定，并按下式計(jì)算燃油的柴油指數(shù)(D.I.)：D.I.（1.832）（141.5d131.5）1100式中：d燃油比重（溫度為60F時(shí)同體積燃油與水重量之比）；t苯胺點(diǎn)（）。柴油指數(shù)和十六烷值在數(shù)值上相近。一般，柴油指數(shù)較十六烷值略高幾個(gè)單位，二者換算公式為：十六烷值2/3柴油指數(shù)144熱值1kg燃油完全燃燒時(shí)放出的熱量稱(chēng)為燃油的熱值，單位用kJ/kg表示。其中不計(jì)入燃燒產(chǎn)物中水蒸氣的汽化潛熱者稱(chēng)低熱值，用符號(hào)Hu表示。重油的基準(zhǔn)低熱值Hu42,000 kJ/kg；輕油的基準(zhǔn)低熱值Hu42,700 kJ/kg。5粘度粘度是液體內(nèi)分子摩擦的量度，即燃油流動(dòng)時(shí)分子間阻力的大小，是評(píng)定燃油流動(dòng)性的指針，是燃油最重要的特性之一。燃油在管路中輸送的流量和壓差、燃油在噴射時(shí)的霧化質(zhì)量、燃油對(duì)噴油泵偶件的潤(rùn)滑能力等都與粘度有密切關(guān)系。液體的粘度值有絕對(duì)粘度和條件粘度（又稱(chēng)相對(duì)粘度）兩種表示法。絕對(duì)粘度表示內(nèi)摩擦系數(shù)的絕對(duì)值，相對(duì)粘度是在一定條件下測(cè)得的相對(duì)值，并因測(cè)定儀器而異。屬于絕對(duì)粘度的有：動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度；相對(duì)粘度粘度的有：恩氏粘度、賽氏粘度和雷氏粘度。（1）動(dòng)力粘度 動(dòng)力粘度是兩個(gè)相距為1cm、面積為1cm2的液層，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為1cm/s時(shí)所產(chǎn)生阻力的數(shù)值。工程單位制為g/cms（泊），國(guó)際單位制為Pas（帕秒），1 Pas=10 g/cms。（2）運(yùn)動(dòng)粘度 運(yùn)動(dòng)粘度是動(dòng)力粘度與同溫度下液體密度之比。國(guó)際單位制為m2/s或mm/s。通常在實(shí)際中使用厘斯（cSt工程單位)，1 cSt=106m2s=1 mm/s。（3）恩氏粘度 恩氏粘度是200cm3液體在特定溫度下，從恩氏粘度計(jì)流出所需的時(shí)間與蒸餾水在20時(shí)流出相同體積所需的時(shí)間之比。它是一個(gè)無(wú)因次量，符號(hào)為E。恩氏粘度曾是我國(guó)和部分歐洲國(guó)家常用的粘度表示法。（4）賽氏粘度 賽氏粘度是液體在37.8（100F）溫度下從賽氏粘度計(jì)流出60cm3所需的時(shí)間（s）。(5)雷氏粘度 雷氏粘度是液體在37.8（100F）溫度下從雷氏粘度計(jì)流出50cm3所需的時(shí)間（s）。賽氏粘度和雷氏粘度是美英國(guó)家常用的粘度表示法。各種粘度表示法的換算關(guān)系如下：恩氏粘度（E）=0.132*運(yùn)動(dòng)粘度（mm/s）雷氏粘度（s）=4.05*運(yùn)動(dòng)粘度（mm/s）賽氏粘度（s）= 4.62*運(yùn)動(dòng)粘度（mm/s）ISO組織規(guī)定，自1977年10月開(kāi)始采用50 時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度值（mm/s）作為燃油的粘度值。壓力和溫度對(duì)燃油的粘度有很大影響。燃油的粘度隨壓力的增大而增加，隨溫度的升高而降低。燃油的粘度隨溫度變化的特性稱(chēng)粘溫性能。圖3-1為船用燃油的粘溫特性曲線。6硫分燃油中所含硫的重量百分?jǐn)?shù)叫硫分。燃油中含硫的危害有四：其一，液態(tài)的硫化物(如硫化氫等)對(duì)燃油系統(tǒng)的設(shè)備有腐蝕作用；其二，燃燒產(chǎn)物中的SO3和水蒸氣（H2O）在缸壁溫度低于其的露點(diǎn)時(shí)，會(huì)生成硫酸附著在缸壁表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕作用。由于這一腐蝕只發(fā)生在低溫條件下，故稱(chēng)為低溫腐蝕；其三，燃燒產(chǎn)物中的SO3能加速碳?xì)浠衔锞酆隙Y(jié)炭，而且此結(jié)炭較硬，不易清除；其四，硫燃燒后產(chǎn)生的SO2是柴油機(jī)排放的主要有害成分。燃油中的硫分主要與原油產(chǎn)地有關(guān)，同時(shí)也受加工煉制工藝方法的影響。雖然可以通過(guò)燃油脫硫顯著降低燃油中的硫分，但燃油的價(jià)格將大幅度上漲。7灰分灰分是在規(guī)定條件下燃油完全燃燒剩余物的重量百分比。燃燒后殘存的灰分中含有的各種金屬氧化物，可造成燃燒室部件的高溫腐蝕和磨料磨損，加劇氣缸的磨損。圖3-1 船用燃油的粘溫特性曲線。8釩、鈉含量燃油中所含釩、鈉等金屬的質(zhì)量濃度用106（ppm）表示。釩以金屬有機(jī)化合物形式存在于原油中。這些金屬有機(jī)化合物是油溶性的，凈化系統(tǒng)無(wú)法除去。在煉制過(guò)程中也不蒸發(fā)，因而大部分濃集到殘?jiān)椭?，燃燒后生成金屬氧化物。鈉是原油中的有害金屬元素。燃油中的釩和鈉是非常有害的成分。釩與鈉燃燒后生成低熔點(diǎn)的化合物，如Na2V2O45V2O5熔點(diǎn)為625，5 Na2V2O411V2O5熔點(diǎn)為535。尤其是由V2O5與Na2SO4形成的共熔混合物，在二者比例約為46時(shí)，其熔點(diǎn)最低，僅為300。當(dāng)排氣閥和缸壁溫度過(guò)高而超過(guò)這些化合物的熔點(diǎn)時(shí)，它們就會(huì)熔化附著在金屬表面上，與金屬表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)而腐蝕金屬。由于這種腐蝕只發(fā)生在高溫條件下，故稱(chēng)為高溫腐蝕。由此，為了控制此種腐蝕，應(yīng)限制排氣閥和缸套表面的最高溫度。9機(jī)械雜質(zhì)和水分燃油中所含不溶于汽油或苯的固體顆?；虺恋砦锏闹亓堪俜?jǐn)?shù)稱(chēng)為機(jī)械雜質(zhì)。輕質(zhì)燃油不允許含機(jī)械雜質(zhì)，重質(zhì)燃油允許含有少量機(jī)械雜質(zhì)。燃油中的機(jī)械雜質(zhì)主要來(lái)自貯運(yùn)、使用及加工過(guò)程中混入的非油溶性固體物質(zhì)。如塵土、鐵銹、漆皮、金屬末以及殘存的添加劑等。機(jī)械雜質(zhì)會(huì)加劇噴油設(shè)備偶件的磨損和噴油器噴孔堵塞、濾器堵塞。燃油中的水分以容積百分?jǐn)?shù)表示。燃油中的水分主要來(lái)自在貯運(yùn)過(guò)程中進(jìn)入的或燃油與大氣或水接觸時(shí)吸收和溶解的水，以及使用中管道漏泄進(jìn)入的水分等。燃油中的水分能降低燃油的低熱值，破壞正常發(fā)火，甚至導(dǎo)致柴油機(jī)停車(chē)。如含有海水將會(huì)造成腐蝕，加劇缸套磨損。因此應(yīng)限制然油中的水分，尤其對(duì)輕柴油應(yīng)限制其水分不大于痕跡（即不大于0.025%）。在船舶上可以使用燃油凈化措施降低燃油的機(jī)械雜質(zhì)和水分。10瀝青分瀝青分表示瀝青占燃油重量的百分?jǐn)?shù)。瀝青是多環(huán)的大分子量芳香烴，懸浮在油中呈膠狀。瀝青不易燃燒，導(dǎo)致滯燃期長(zhǎng)，產(chǎn)生后燃，冒黑煙；使用中易形成沉積膠膜和結(jié)炭，增加磨損并使噴油器偶件咬死。11殘?zhí)恐等加驮诟艚^空氣條件下加熱干餾，最后剩下的一種鱗片狀炭渣物稱(chēng)殘?zhí)?。殘?zhí)空荚囼?yàn)油重量的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)殘?zhí)恐怠執(zhí)恐当硎救加腿紵龝r(shí)形成結(jié)炭、結(jié)焦的傾向，并不表示形成結(jié)炭的數(shù)值。殘?zhí)恐抵邪藱C(jī)械雜質(zhì)和灰分。當(dāng)燃用殘?zhí)恐递^大的燃油時(shí)，將在燃燒室產(chǎn)生較多的結(jié)炭使熱阻增加，引起過(guò)熱、磨損，縮短柴油機(jī)的維修周期。12閃點(diǎn)燃油在規(guī)定條件下加熱到它的蒸氣與空氣的混合氣能同火焰接觸而發(fā)生閃火時(shí)的最低溫度稱(chēng)閃點(diǎn)，根據(jù)測(cè)試儀器的不同，分為開(kāi)口閃點(diǎn)和閉口閃點(diǎn)。閉口閃點(diǎn)低于開(kāi)口閃點(diǎn)。閃點(diǎn)是衡量燃油揮發(fā)成分產(chǎn)生爆炸或火災(zāi)危險(xiǎn)性的指針。按國(guó)內(nèi)外船舶建造規(guī)范規(guī)定，船舶使用的燃油閉口閃點(diǎn)不得低于60。從防爆、防火的觀點(diǎn)出發(fā)，在低于燃油閃點(diǎn)17的環(huán)境溫度下傾倒燃油或敞開(kāi)容器才比較安全。13凝點(diǎn)、傾點(diǎn)和濁點(diǎn)凝點(diǎn)、傾點(diǎn)與濁點(diǎn)都是說(shuō)明燃油低溫流動(dòng)性和泵送性的重要指針。燃油在試驗(yàn)條件下冷卻至液面不移動(dòng)時(shí)的最高溫度稱(chēng)凝點(diǎn)。燃油的凝點(diǎn)取決于它的成分和組成結(jié)構(gòu)。對(duì)于含石蠟較多的燃油在低溫下由于石蠟結(jié)晶而形成網(wǎng)狀晶架，從而使燃油失去流動(dòng)性，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)凝固；對(duì)于含石蠟較少的燃油，在低溫下由于粘度增大而失去流動(dòng)性，稱(chēng)粘溫凝固。燃油尚能夠流動(dòng)的最低溫度稱(chēng)傾點(diǎn)。燃油開(kāi)始變混濁時(shí)的溫度稱(chēng)濁點(diǎn)。通常，燃油的濁點(diǎn)高于凝點(diǎn)約510；傾點(diǎn)高于凝點(diǎn)約35。燃油的溫度低于濁點(diǎn)時(shí)將使濾器堵塞，供油中斷。燃油溫度低于凝點(diǎn)時(shí)，將無(wú)法泵送。從使用觀點(diǎn)，濁點(diǎn)是比凝點(diǎn)更重要的指針。燃油的使用溫度至少應(yīng)高于濁點(diǎn)35。14密度與相對(duì)密度燃油在溫度t（）時(shí)單位體積的質(zhì)量稱(chēng)密度。常用單位是kg/m3或g/cm3。在20時(shí)的密度稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)密度20。燃油在20(國(guó)外為15.6)時(shí)的密度與4(國(guó)外為15.6)時(shí)水的密度的比值稱(chēng)相對(duì)密度。燃油的密度與它的化學(xué)成分和餾分組成有關(guān)。烷烴的密度最小，環(huán)烷烴稍大，芳香烴較大，含硫、氧、氮的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)密度最大。燃油的密度隨餾分溫度的增高而增大。燃油的密度隨溫度而變，通常，應(yīng)按溫度的變化對(duì)密度進(jìn)行修正。燃油密度的溫度修正公式如下t20r（t20）式中：t燃油在溫度時(shí)的密度，g/cm3；燃油密度溫度修正系數(shù)，g/（cm3）。密度對(duì)燃油的使用有很大意義。其一，在裝載燃油時(shí)應(yīng)根據(jù)燃油的密度和油艙的艙容計(jì)算裝載量（應(yīng)按裝油溫度對(duì)密度進(jìn)行修正）；其二，應(yīng)根據(jù)燃油密度的變化正確選擇分油機(jī)的比重環(huán)。一般的分油機(jī)允許的最高分離密度是0.991 g/cm3；其三，當(dāng)換用不同密度的燃油時(shí)，油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不變而噴油泵的循環(huán)供油量不同，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速將相應(yīng)變化。三、燃油的規(guī)格與選用1國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)燃油的規(guī)格與選用我國(guó)的柴油機(jī)燃油分為輕柴油、重柴油、內(nèi)燃機(jī)燃料油和重油四類(lèi)。1）輕柴油國(guó)產(chǎn)輕柴油是由直餾（常壓蒸餾）柴油餾分及二次加工的柴油餾分所制成的。其主要性能及質(zhì)量指針取決于原油品質(zhì)與煉制方法。輕柴油以其凝點(diǎn)數(shù)值作為柴油的牌號(hào)，分為10號(hào)、0號(hào)、-10號(hào)、-20號(hào)和-35號(hào)五個(gè)規(guī)格。輕柴油是質(zhì)量最好、價(jià)格最貴的柴油機(jī)燃料，在船舶上用作高速柴油主機(jī)、高速柴油發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急設(shè)備柴油機(jī)和救生艇柴油機(jī)等使用的燃油。2）重柴油國(guó)產(chǎn)重柴油由石蠟基原油煉制而成，凝點(diǎn)相應(yīng)較高，按凝點(diǎn)數(shù)值分為10號(hào)、20號(hào)和30號(hào)等三個(gè)牌號(hào)。重柴油主要用于中低速柴油主機(jī)、發(fā)電柴油機(jī)等。3）內(nèi)燃機(jī)燃料油國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)燃料油是由渣油、重油與重柴油調(diào)制而成，供船舶低速柴油機(jī)使用，目前尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一般執(zhí)行煉油廠與有關(guān)單位商定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。4）重油（燃料油）重油按80時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度分為20、60、100及200四個(gè)牌號(hào)，可供船舶鍋爐使用。2國(guó)外柴油機(jī)燃油的規(guī)格與選用國(guó)外船用燃油基本上分四類(lèi)：輕柴油（Marine Gas oil，簡(jiǎn)稱(chēng)MGO），常用于救生艇柴油機(jī)和應(yīng)急發(fā)電柴油機(jī)。船用柴油（Marine Diesel Oil，簡(jiǎn)稱(chēng)MDO），常用作發(fā)電柴油機(jī)和柴油機(jī)主機(jī)機(jī)動(dòng)操縱時(shí)的燃料。中間燃料油（Intermediate Fuel Oil，簡(jiǎn)稱(chēng)IFO），是渣油與柴油調(diào)制而成的摻和油，可用于各類(lèi)大功率中速及低速柴油機(jī)。船用燃料油（Marine Fuel Oil，簡(jiǎn)稱(chēng)MFO），也叫C級(jí)燃油，主要用于鍋爐，也可用于最新型的大功率中速柴油及大型低速柴油機(jī)四、燃油燃燒的熱化學(xué) 柴油機(jī)燃料的化學(xué)成分主要是C、H、O，常用質(zhì)量百分比表示其含量。若忽略其它含量很小的元素，則有：C+H+O=1一般C=0.8850.865，H=0.1250.135，其余為O。燃油的燃燒是其中可燃元素C、H同空氣中的O所發(fā)生的劇烈氧化反應(yīng)，在氧化的同時(shí)將產(chǎn)生大量的熱量。由于在氣缸內(nèi)的實(shí)際燃燒過(guò)程極其復(fù)雜，所以在討論中忽略其實(shí)際中間過(guò)程，只考慮燃油中的元素氧化的最后化學(xué)反應(yīng)，即燃油中的C、H生成最終燃燒產(chǎn)物 CO2、H2O。采用這種簡(jiǎn)化所分析與計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際情況基本符合。1完全燃燒1 kg燃油所需的理論空氣量 按化學(xué)方程式算得1 kg燃油完全燃燒時(shí)所需的空氣量稱(chēng)理論空氣量 L0（kg/kg燃料）。它是1 kg燃料完全燃燒所需的最低限度的空氣量。按C、H和O的化學(xué)反應(yīng)方程式，考慮到1 kg燃料中已含有O/32kgmol氧，以及空氣中的氧和氮的體積百分比分別近似為0.21和0.79，得到若取C0.86、H0.13、O0.01，則有：014.3kg/ kg燃料2燃燒過(guò)量空氣系數(shù)在實(shí)際柴油機(jī)中，因?yàn)榘磧?nèi)部混合方式形成可燃混合氣，混合的時(shí)間很短；另外由于結(jié)構(gòu)的限制，霧化燃油不可能在燃燒室內(nèi)均勻分布，使油氣混合不均勻。因此，按理論空氣量向氣缸內(nèi)提供空氣不能保證燃料的完全燃燒。所以為得到完全燃燒，向氣缸供給的實(shí)際空氣量必須大于理論空氣量L0。充入氣缸內(nèi)的實(shí)際空氣量L與進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃油完全燃燒所需的理論空氣量L0之比稱(chēng)為燃燒過(guò)量空氣系數(shù)，即 LL0顯然，在柴油機(jī)中。燃燒過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)柴油機(jī)的工作性能有很大影響。主要表現(xiàn)在：（1）反映氣缸容積的利用程度和燃由于空氣的混合質(zhì)量。當(dāng)氣缸容積、進(jìn)氣狀態(tài)和充氣效率一定時(shí)，每循環(huán)充入氣缸的空氣量一定。小意味著每循環(huán)能燃燒的油量多，發(fā)出的功率也大，但應(yīng)以燃燒良好為前提，故只有在燃由于空氣混合好的前提下才能實(shí)現(xiàn)。因此，柴油機(jī)在標(biāo)定功率下能以較小的良好運(yùn)行，說(shuō)明氣缸容積的利用程度高，混合質(zhì)量好。（2）對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響。加大，空氣量相對(duì)較多，燃燒較完全，可改善經(jīng)濟(jì)性。但過(guò)大時(shí)，則由于混合其濃度過(guò)低，燃燒速度很慢，后燃加多，排氣帶走的熱量相對(duì)增加，燃油消耗反而增加。應(yīng)該指出，為獲得同樣的燃燒質(zhì)量，混合質(zhì)量不同，可以由不同的，混合質(zhì)量好時(shí)，可小些，反之應(yīng)加大。（3）與柴油機(jī)的熱負(fù)荷和排放有關(guān)。減小，每循環(huán)燃燒的油量增多，循環(huán)平均溫度、最高燃燒溫度和排氣溫度提高，廢氣中的氧化氮的含量因最高燃燒溫度的提高而增加。與柴油機(jī)的型號(hào)、尺寸、增壓程度、轉(zhuǎn)速和燃燒室形式有關(guān)。從提高柴油機(jī)的強(qiáng)載度出發(fā)，希望值能夠較小，但非增壓小型高速柴油機(jī)受燃燒完善程度的限制，增壓中、低速柴油機(jī)受熱負(fù)荷的限制。一般情況下，二沖程柴油機(jī)的大于四沖程機(jī)（降低二沖程機(jī)的熱負(fù)荷）；大型柴油機(jī)的大于小型柴油機(jī)(小型機(jī)的單位氣缸容積的散熱面F/V大)；增壓柴油機(jī)的大于非增壓機(jī)（降低增壓機(jī)熱負(fù)荷）。在標(biāo)定工況下，不同機(jī)型的值通常在下列范圍：非增壓高速四沖程小型柴油機(jī) 1.21.7增壓、高速四沖程小型柴油機(jī) 1.51.9非增壓、低速二沖程大型柴油機(jī) 1.82.1增壓中低速二沖程大型柴油機(jī)2.02.3應(yīng)當(dāng)指出，上述資料是標(biāo)定工況時(shí)對(duì)整個(gè)氣缸空間、并按時(shí)間的平均值。實(shí)際上工況變化時(shí)會(huì)隨之改變，如負(fù)荷減小，增大。另外，由于燃油分布不均勻，所以其局部地區(qū)的值也是不同的。在油束內(nèi)部因空氣很少或無(wú)空氣，其；在油束外緣油氣與空氣混合，隨距油束中心距離的增加，其逐漸增大；而在燃燒室周邊無(wú)油區(qū)，其。歐美各國(guó)習(xí)慣上使用空燃比或燃空比表示燃燒時(shí)空氣量（燃油量）與燃油量（空氣量）的配比關(guān)系，與過(guò)量空氣系數(shù)有相似的含義，但定義不同?？杖急仁菍?shí)際空氣量與噴人氣缸的燃油量之比，用符號(hào)AF標(biāo)記；燃空比是噴入氣缸的燃油量與實(shí)際空氣量之比，用符號(hào)FA標(biāo)記。顯然，兩者互為倒數(shù)。第二節(jié) 燃油的噴射和霧化 在柴油機(jī)中，燃油必須在壓縮行程末期通過(guò)噴油設(shè)備噴入氣缸，經(jīng)霧化、蒸發(fā)與空氣混合成可燃混合氣，才能發(fā)火燃燒。研究指出，可燃混合氣的形成質(zhì)量是影響燃油燃燒的重要因素。一、 燃油噴射系統(tǒng)概述柴油機(jī)是在氣缸內(nèi)部形成混合氣，即在活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，燃油噴射系統(tǒng)將燃油在極短的時(shí)間內(nèi)以高壓噴入氣缸，實(shí)現(xiàn)燃油與空氣的混合和燃燒。因此，無(wú)論是在制造與調(diào)整精度，還是在與整機(jī)的匹配方面對(duì)燃油噴射系統(tǒng)的要求都十分嚴(yán)格。為了保證柴油機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放與噪聲等方面達(dá)到優(yōu)良的性能，對(duì)其噴射系統(tǒng)有如下要求：（1）能產(chǎn)生足夠高的噴油壓力，以保證燃料良好的霧化混合和燃燒，且燃油油束需與柴油機(jī)燃燒室和氣流運(yùn)動(dòng)相匹配，保證油氣混合均勻。（2）對(duì)每一個(gè)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況（一定的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷組成一個(gè)工況），精確控制每循環(huán)噴入氣缸的燃油量，且噴油量能隨工況變化而自動(dòng)變化。在工況不變時(shí)，各循環(huán)之間的噴油量應(yīng)當(dāng)一致。對(duì)多缸柴油而言，各缸的噴油量應(yīng)當(dāng)相等。（3）在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)，盡可能保持最佳的起始噴油時(shí)刻、噴油持續(xù)時(shí)間和噴油規(guī)律，以保證良好的燃燒并取得優(yōu)良的綜合性能。 此外，還要求噴射系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，無(wú)泄漏，便于管理等。在柴油機(jī)出現(xiàn)的早期，燃油噴射是通過(guò)高壓空氣實(shí)現(xiàn)的。1927年，德國(guó)博世（Bosch）公司開(kāi)始專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)以螺旋槽柱塞旋轉(zhuǎn)方式調(diào)整供油量的機(jī)械式噴油泵，這種噴油泵的工作原理至今仍大量用于各種用途的柴油機(jī)。圖32為典型的柱塞泵式噴射系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。圖32典型的柱塞泵式噴射系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1-凸輪；2-滾輪；3-柱塞；4-出油閥；5-出油閥彈簧；6-高壓油管；7-噴油器彈簧；8-噴油器；9-針閥；10-噴油孔這種噴射系統(tǒng)基本組成是高壓噴油泵、噴油器及高壓油管，稱(chēng)之為泵管嘴系統(tǒng)。柴油機(jī)工作時(shí)，柱塞3由噴油泵凸輪1（又稱(chēng)燃油凸輪）經(jīng)滾輪2驅(qū)動(dòng)。凸輪1固定在凸輪軸上，并通過(guò)由曲軸帶動(dòng)凸輪軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu) (圖上未示出)。凸輪按一定時(shí)刻頂動(dòng)滾輪，從而保證了噴射定時(shí)要求。柱塞3上行其上端面封閉孔A時(shí)，泵腔中的燃油受到壓縮；當(dāng)油壓升高到克服彈簧5的彈力和高壓油管中的殘余壓力時(shí)，出油閥4開(kāi)啟，壓力油泵入出油閥空間B，此為供油始點(diǎn)。高壓燃油沿高壓油管6傳遞至噴油器8端空間C，當(dāng)其油壓大于噴油器彈簧7的預(yù)緊力時(shí)針閥向上跳起，高壓燃油經(jīng)噴孔10噴人氣缸。當(dāng)柱塞3下部的斜槽邊緣開(kāi)啟油孔A時(shí)，泵腔高壓燃經(jīng)斜槽回油至進(jìn)油空間，出油閥相繼落座，此為供油終點(diǎn)。此后當(dāng)空間C的油壓低于彈簧7預(yù)緊力時(shí)，針閥落座，噴油結(jié)束。柱塞下行時(shí)泵腔內(nèi)為充油過(guò)程。在這種系統(tǒng)中，每個(gè)柱塞組件對(duì)應(yīng)一個(gè)氣缸，小型多缸柴油機(jī)所用的柱塞數(shù)和氣缸數(shù)相等且合為一體，構(gòu)成組合式噴油泵；對(duì)小型單缸機(jī)和大型多缸機(jī)，常采用每個(gè)柱塞組件獨(dú)立組成一個(gè)噴油泵，稱(chēng)之為單體噴油泵。在上述泵管嘴系統(tǒng)中，由于高壓油管的存在，使噴油系統(tǒng)在柴油機(jī)上的布置比較方便靈活，加上已積累了長(zhǎng)期的制造與匹配的理論與經(jīng)驗(yàn)，因此，迄今仍在各種柴油機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。但是，也正是由于高壓油管的存在，降低了噴射系統(tǒng)高壓部分的液力剛性，難以實(shí)現(xiàn)高壓噴射與理想的噴油規(guī)律，使這種傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的應(yīng)用前景受到了一定的限制。為了滿(mǎn)足柴油機(jī)不斷強(qiáng)化及日益嚴(yán)格的排放法規(guī)與噪聲法規(guī)的要求，目前正在大力發(fā)展各種高壓、電控燃料噴射系統(tǒng)，如采用短管的單體泵系統(tǒng)、泵噴嘴與PT系統(tǒng)、電控共軌系統(tǒng)等。其中電控共軌噴射系統(tǒng)則代表著柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向，這在國(guó)內(nèi)外已成為共識(shí)。圖3-3 共軌式燃油噴射系統(tǒng)二、燃油的噴射過(guò)程燃油的噴射過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程。在噴射過(guò)程中，從噴油泵出油閥到噴油器針閥這一高壓系統(tǒng)內(nèi)所進(jìn)行的物理過(guò)程，受燃油的可壓縮性、高壓油管的彈性、系統(tǒng)的節(jié)流以及燃油運(yùn)動(dòng)的慣性等因素影響。這些影響因素使燃油在噴射過(guò)程中產(chǎn)生時(shí)間延遲和壓力波動(dòng)，進(jìn)而影響燃油的噴射質(zhì)量。1噴射過(guò)程的三個(gè)階段為了深入研究燃油的噴射過(guò)程，可以在噴油泵的出口端及噴油器的入口端分別裝上壓力傳感器。測(cè)量噴油泵出口壓力pp隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律ppf（）和噴油器進(jìn)口壓力pn隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律pnf（）；在噴油器頂端裝針閥升程傳感器測(cè)量針閥升程h隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律h=f（），并用示波器記錄，可得如圖34所示的噴射過(guò)程曲線。根據(jù)這些曲線的變化特點(diǎn)可把從供油始點(diǎn)到噴油終點(diǎn)的噴射過(guò)程劃分為三個(gè)階段：1）噴射延遲階段（從幾何供油始點(diǎn)Op到噴油始點(diǎn)Ou）由于燃油的可壓縮性(壓力變化1MPa，燃油容積變化1/18201/1610）、高壓油管的彈性以及高壓系統(tǒng)的節(jié)流等原因使得噴油器的噴油始點(diǎn)Ou滯后于噴油泵的供油始點(diǎn)。由此，存在著供油提前角p（在壓縮行程中噴油泵開(kāi)始供油的瞬時(shí)到活塞上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角）和噴油提前角n (在壓縮行程噴油器開(kāi)始噴油的瞬時(shí)到活塞上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角）兩個(gè)提前角。從使用上能夠進(jìn)行檢查和調(diào)整的是供油提前角，但對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程有直接影響的是噴油提前角。影響噴射延遲階段的主要因素是：高壓油管特性參數(shù)、噴油器針閥的啟閥壓力、柴油機(jī)的工況以及噴油泵出油閥和噴油器針閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。2）主要噴射階段（Ou到供油終點(diǎn)p）本階段內(nèi)由于瞬時(shí)供油量大于噴油量，所以噴油壓力繼續(xù)升高，燃油是在不斷升高的高壓下噴入氣缸，循環(huán)噴油量的大部分在本階段內(nèi)噴入氣缸。通常稱(chēng)針閥開(kāi)啟時(shí)的燃油壓力pn為噴油器的啟閥壓力。顯然，本階段的長(zhǎng)短主要取決于柴油機(jī)負(fù)荷，負(fù)荷愈大，本階段愈長(zhǎng)。3）尾噴階段（自由膨脹階段，p到針閥落座u）當(dāng)噴油泵停止供油時(shí)，由于原壓縮燃油在低壓下膨脹，高壓油管在低壓下收縮以及系統(tǒng)的節(jié)流作用，使得噴射系統(tǒng)中的壓力下降得較為遲緩，針閥仍保持開(kāi)啟。燃油是在不斷下降的壓力作用下噴入氣缸，使燃油霧化不良，甚至產(chǎn)生滴漏現(xiàn)象。當(dāng)燃油壓力降低到壓力pc時(shí)針閥落座，噴油結(jié)束，此壓力稱(chēng)針閥落座壓力。影響尾噴階段的主要因素與噴射延遲階段相同。圖34 噴射過(guò)程2噴射過(guò)程的壓力波在燃油噴射過(guò)程中，高壓油管內(nèi)的最高壓力一般為60MPa70MPa或更高，而噴射結(jié)束后油管中的剩余壓力遠(yuǎn)不足它的1/10。因此，噴射過(guò)程是高壓系統(tǒng)內(nèi)壓力劇變的過(guò)程。其次，柴油機(jī)每循環(huán)噴油量遠(yuǎn)少于高壓系統(tǒng)內(nèi)所充滿(mǎn)的燃油量。在此情況下，燃油的可壓縮性對(duì)噴射過(guò)程成為不可忽視的因素。同時(shí)，在壓力劇變的條件下高壓油管的彈性所產(chǎn)生的容積變化對(duì)噴射過(guò)程也要有一定的影響。在噴油泵開(kāi)始供油使出油閥開(kāi)啟的瞬間，高壓油管中泵端的燃油就受到來(lái)自噴油泵燃油的沖擊。但由于燃油的慣性和可壓縮性以及高壓油管的彈性，噴油泵柱塞所排擠的燃油量與高壓油管中流動(dòng)的燃油量之間產(chǎn)生不平衡，造成燃油瞬時(shí)堆積，致使壓力繼續(xù)升高，并以壓力波的形式沿高壓油管向噴油器一端傳播。壓力波傳播的速度就是燃油介質(zhì)中的音速，其值約為1400m/s1600m/s。設(shè)高壓油管長(zhǎng)度為L(zhǎng)（m），音速為a（m/s），則壓力波經(jīng)過(guò)L/a秒可從噴油泵端到達(dá)噴油器端。如果此壓力波不足以開(kāi)啟針閥，則壓力波又經(jīng)過(guò)L/a秒被全部反射至噴油泵端，并與該處的另一壓力波疊加，再次向噴油器端傳播。直至針閥開(kāi)啟后，壓力波仍要部分地反射回去。所以，在整個(gè)供油與噴油過(guò)程中壓力波往復(fù)傳播多次反射，致使高壓系統(tǒng)中的壓力隨著時(shí)間和空間而變化。在針閥關(guān)閉后，油管中的壓力仍然往復(fù)波動(dòng)。如果壓力波的峰值超過(guò)啟閥壓力，將再度開(kāi)啟針閥，這會(huì)造成異常噴射并引起燃燒惡化。噴射過(guò)程中壓力波的存在，既有可能引起一系列的異常噴射，還有可能造成噴油設(shè)備組件的損壞。噴射過(guò)程中的壓力波必將改變噴油泵的供油規(guī)律和噴油器的噴油規(guī)律，并使二者產(chǎn)生較大的差異。燃油噴射系統(tǒng)的改進(jìn)包含著消除或削弱噴射過(guò)程中的壓力波。三、供油規(guī)律和噴油規(guī)律1幾何供油規(guī)律和噴油規(guī)律圖35供油規(guī)律與噴油規(guī)律比較幾何供油規(guī)律是指從幾何關(guān)系上求出的單位凸輪轉(zhuǎn)角（或單位時(shí)間）噴油泵供入高壓油路中的燃油量隨凸輪轉(zhuǎn)角（或時(shí)間t）的變化關(guān)系。即dgp/df（）或dgp/dtf（t）。它完全由柱塞的直徑和凸輪型線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定。噴油規(guī)律是指在噴油過(guò)程中，單位凸輪轉(zhuǎn)角（或單位時(shí)間）從噴油器噴入氣缸中的燃油量隨凸輪轉(zhuǎn)角（或時(shí)間t）的變化關(guān)系。即dgn/df（）或dgn/dtf（t）。圖35為實(shí)際測(cè)得的某柴油機(jī)供油規(guī)律與噴油規(guī)律比較。供油規(guī)律可以根據(jù)噴油泵幾何參數(shù)計(jì)算得出，而噴油規(guī)律則由噴油系統(tǒng)的幾何參數(shù)和燃油在高壓作用下的液力特性綜合作用所決定，它們之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系，噴油規(guī)律受供油規(guī)律的影響，噴油始點(diǎn)遲于供油始點(diǎn)，噴油持續(xù)時(shí)間大于供油持續(xù)時(shí)間，噴油速率的峰值小于供油速率的峰值。噴油規(guī)律在一定程度上控制著燃燒過(guò)程，對(duì)柴油機(jī)性能有重要影響。借助噴油規(guī)律曲線可分析、判斷：（1）噴油始點(diǎn)、終點(diǎn)和噴油持續(xù)角是否合適；（2）有無(wú)二次噴射、斷續(xù)噴射等不正常噴射現(xiàn)象；（3）噴油規(guī)律是否符合理想的燃燒過(guò)程和放熱規(guī)律的要求。2噴油規(guī)律的影響因素噴油規(guī)律與燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況等許多因素有關(guān)。以下分析其主要影響因素。1） 凸輪形線和有效工作段在噴油泵柱塞行程和供油始點(diǎn)相同的前提下，凸輪的形線有陡緩之分。形線越陡，凸輪轉(zhuǎn)過(guò)相同角度時(shí)柱塞升程越大，噴射延遲角和噴油持續(xù)角越小。在同一凸輪形線上還可以通過(guò)供油定時(shí)的調(diào)節(jié)改變其凸輪有效工作段，即改變柱塞供油有效行程所對(duì)應(yīng)的那段凸輪形線所處的位置。一般把凸輪的有效工作段選在柱塞速度的高速部分，以提高噴油速率減小噴油持續(xù)角，提高霧化質(zhì)量。2）柱塞直徑與噴孔直徑在不改變柱塞行程而增大柱塞直徑時(shí)，供油速率增大，噴射延遲角和噴油持續(xù)角均減小。但因提高了初期的噴油速率，在改善柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)可能使燃燒粗暴。在增壓柴油機(jī)中，通常加大柱塞的直徑，以增加循環(huán)噴油量，縮短噴油持續(xù)期。此時(shí)為了防止燃燒粗暴，應(yīng)采取相應(yīng)的調(diào)整措施如減小噴油提前角等。噴油器的噴孔數(shù)不變而噴孔直徑減小時(shí)，由于噴油阻力的增加使噴油持續(xù)角加大、噴油速率減??；由于高壓油管中壓力的增加，容易引起異常噴射。3） 高壓油管尺寸油管越長(zhǎng)，壓縮容積越大，噴射延遲角越大，而噴油持續(xù)角不變，即噴油提前角變小。油管內(nèi)徑越小，燃油流動(dòng)阻力越大，噴射延遲角越大。所以，多缸柴油機(jī)各缸高壓油管應(yīng)遵循等尺寸原則，以保持各缸噴油規(guī)律的一致性。4）柴油機(jī)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及噴油定時(shí)不變而增加負(fù)荷時(shí)，其噴油始點(diǎn)基本不變，而噴油終點(diǎn)改變，并且增加了后半期的噴油速率。當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷及噴油定時(shí)不變而改變轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，對(duì)應(yīng)單位凸輪轉(zhuǎn)角的時(shí)間縮短，噴射延遲角和噴油持續(xù)角均加大，而噴油速率減少。對(duì)于負(fù)荷與轉(zhuǎn)速同時(shí)改變的柴油機(jī)工況，其噴油規(guī)律的改變應(yīng)作綜合分析。四、異常噴射及其消除方法燃油噴射系統(tǒng)正常噴射的特點(diǎn)是：對(duì)應(yīng)柴油機(jī)每一工作循環(huán)的噴射過(guò)程中，噴油器針閥只啟閉一次，針閥升程曲線基本呈梯形，高壓油管中的剩余壓力基本相同。與正常噴射不同的噴射稱(chēng)為異常噴射。常見(jiàn)的異常噴射有二次噴射、斷續(xù)噴射、不穩(wěn)定噴射和隔次噴射、滴油等。1二次噴射在噴油泵供油結(jié)束噴油器針閥落座后又第二次開(kāi)啟形成再次噴射的現(xiàn)象稱(chēng)二次噴射，又稱(chēng)重復(fù)噴射。二次噴射使噴油持續(xù)期延長(zhǎng)，二次噴射的燃油是在較低的壓力下噴入氣缸的，霧化質(zhì)量差，燃燒不完全且噴射偏離上止點(diǎn)附近，后燃嚴(yán)重，造成燃油消耗、排煙和排溫升高，性能惡化，零部件過(guò)熱，甚至噴孔積炭阻塞。二次噴射通常出現(xiàn)在柴油機(jī)高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速工況。判斷有無(wú)二次噴射的最可靠方法是測(cè)量噴油器針閥的升程曲線。在管理中可通過(guò)燃油消耗率增大、排溫高、噴孔結(jié)炭等加以判斷。二次噴射產(chǎn)生的主要原因是當(dāng)供油終止噴油泵出油閥落座時(shí)，隔斷了高壓油管與泵腔之間的通路，使泵端的燃油回流速度突然滯止為零；泵端壓力由于回油速度突然滯止而上升，當(dāng)該上升壓力波以音速傳遞到噴油器端，在其壓力大于針閥啟閥壓力時(shí)，針閥又重新開(kāi)啟。一般船用中、低速柴油機(jī)在正常工作時(shí)不應(yīng)發(fā)生二次噴射。但當(dāng)管理不當(dāng)發(fā)生下述情況，如：噴油器噴孔部分堵塞；出油閥減壓作用減弱；高壓油管長(zhǎng)度和內(nèi)徑變大或剛性變?。粐娪推鲉㈤y壓力過(guò)低；高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況等，則可能產(chǎn)生二次噴射現(xiàn)象。由上可知，產(chǎn)生二次噴射主要是由于高壓系統(tǒng)中的燃油壓力波動(dòng)所引起的，這與高壓容積的存在有密切關(guān)系。所以，要防止二次噴射就需避免在主噴射之后噴油器處重新出現(xiàn)高的壓力波。從設(shè)計(jì)方面其主要措施如下：（1）選用較小長(zhǎng)度和內(nèi)徑的高壓油管；（2）在保證噴霧質(zhì)量的前提下，適當(dāng)增大噴油器噴孔總面積；（3）適當(dāng)增大出閥減壓卸載能力；（4）增大出油閥彈簧剛度；（5）適當(dāng)提高噴油器啟閥壓力。2斷續(xù)噴射(波動(dòng)噴油)在噴油泵供油期間，噴油器針閥斷續(xù)啟閉，而且開(kāi)啟不足、噴射不利，這種現(xiàn)象稱(chēng)斷續(xù)噴射。斷續(xù)噴射雖然沒(méi)有延長(zhǎng)噴油持續(xù)時(shí)間，但針閥與閥座撞擊次數(shù)增多，磨損增大，降低針閥使用壽命。斷續(xù)噴射多發(fā)生在低負(fù)荷、低速運(yùn)轉(zhuǎn)工況。此時(shí)噴油泵的供油量小于噴油器的噴油量。3不穩(wěn)定噴射和隔次噴射噴油泵每循環(huán)供油量不均的噴射過(guò)程稱(chēng)不穩(wěn)定噴射。其極端情況是隔次噴射（又稱(chēng)間歇噴射），即噴油泵二次供油才有一次噴油過(guò)程。不穩(wěn)定噴射或隔次噴射使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，甚至造成低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)自動(dòng)停車(chē)，而且由于二次供油一次噴油，可能造成燃燒粗暴。不穩(wěn)定噴射或隔次噴射多發(fā)生在柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)或噴油設(shè)備偶件過(guò)度磨損時(shí)。4滴漏滴油現(xiàn)象不是由于噴油器針閥偶件密封不良而引起的滴漏，而是在針閥偶件密封正常情況下，在噴油終了后仍有燃油自噴孔流出。發(fā)生滴漏時(shí)，由于燃油流出速度和壓力均很低，燃油不霧化，集結(jié)在噴孔處形成結(jié)炭，堵塞噴孔。滴漏發(fā)生的原因在于因針閥座下部至噴孔間容積過(guò)大，以及由于出油閥減壓卸載能力不強(qiáng)，使高壓油管中的油壓下降緩慢，造成針閥不能迅速落座。因而增強(qiáng)出油閥減壓卸載能力或提高針閥落座速度（如增加針閥彈簧預(yù)緊力等）均可防止滴油現(xiàn)象。五、最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在多缸柴油機(jī)中，由于各缸噴油泵柱塞偶件、噴油器針閥偶件的間隙和噴孔孔徑間的差別，以及油泵調(diào)節(jié)桿安裝間隙的不同，使得船用主柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速(低負(fù)荷)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各缸供油量顯著不均。嚴(yán)重時(shí)個(gè)別缸不能發(fā)火而使轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，甚至自動(dòng)停車(chē)。因而船用主柴油機(jī)都有一個(gè)各缸能夠均勻發(fā)火的最低轉(zhuǎn)速，稱(chēng)最低(工作)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(按GB1833-89規(guī)定，最低工作穩(wěn)定轉(zhuǎn)速指柴油機(jī)油門(mén)在出廠的標(biāo)定功率位置上帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)所達(dá)到的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。船用主機(jī)則指按推進(jìn)特性運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速)。按我國(guó)有關(guān)規(guī)定，船用低速主柴油機(jī)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速不高于標(biāo)定轉(zhuǎn)速nb的30%，中速柴油機(jī)不高于40%nb，高速機(jī)不高于45%nb。六、燃油霧化在柴油機(jī)中，燃油在高壓下噴入氣缸，并分散成細(xì)細(xì)小油滴的過(guò)程稱(chēng)燃油的噴霧或霧化。其目的就是要大大增加燃油蒸發(fā)的表面積，從而加速燃油的吸熱與氣化過(guò)程，進(jìn)而加速燃油與空氣的混合。例如一臺(tái)柴油機(jī)全負(fù)荷時(shí)的循環(huán)供油量為130mm3，如果形成1個(gè)油滴的話(huà)，油滴直徑為3.14mm，表面積為124 mm2，如果將這么多燃油霧化成直徑為24 m的油滴，那么油滴個(gè)數(shù)將達(dá)到3.1107個(gè)，表面積為3900 mm2，增加約314倍，這就意味著燃油與空氣的接觸面積大大增加了，對(duì)混合氣的形成和燃燒十分有利。1。油束的形成與油束特性燃油在很大的壓差（10MPa60MPa）作用下，以高速（100m/s300m/s）噴入氣缸。由于燃油高速流經(jīng)噴孔時(shí)的擾動(dòng)作用以及缸內(nèi)壓縮空氣的阻力作用，使噴出的油流分裂成由細(xì)小油粒組成的近似圓錐形油束，如圖36所示。這些油粒（直徑大多在5m50m）在燃燒室中進(jìn)一步分散和細(xì)化形成細(xì)微的油滴。這一過(guò)程稱(chēng)為燃油的霧化。在油束的中間部分油粒較大，運(yùn)動(dòng)速度大，霧化較差；而油束外部油粒分布較散，油粒直徑較小。通常在油束外部的細(xì)小油粒最先蒸發(fā)并與空氣混合成可燃混合氣。燃油的噴霧質(zhì)量可用三個(gè)參數(shù)來(lái)描述：（1）油束的射程L圖36 油束的形成油束的射程也稱(chēng)為油束的貫穿距離，表示油束的貫穿能力。射程越長(zhǎng)，貫穿能力也越強(qiáng)。但油束射程的長(zhǎng)短應(yīng)與燃燒室相匹配，缸徑大的燃燒室要求油束射程長(zhǎng)，如小缸徑燃燒室配以長(zhǎng)射程，則大部分燃油將噴射到缸壁，并聚集在缸壁，不能與空氣很好混合。（2）油束錐角油束外緣之間的夾角稱(chēng)為油束錐角，表示油束的緊密程度。（3）霧化質(zhì)量霧化質(zhì)量可用油滴平均直徑和霧化均勻度表示。油滴平均直徑表示霧化顆粒的大小，霧化均勻度表示不同油粒直徑的油粒占油?？偭康陌俜?jǐn)?shù)X0。油束的射程和油束錐角可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，或通過(guò)頻閃照像和高速攝影等實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。噴霧的粒度及其分布可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。傳統(tǒng)的方法主要有浸液法、沉降塔法、融蠟法等，隨著激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，激光全息術(shù)在噴霧場(chǎng)測(cè)試方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。2油束特性的影響因素影響油束特性的因素很多，以下介紹幾個(gè)主要影響因素。（1） 噴油壓力增大噴油壓力，霧化細(xì)度減小，霧化質(zhì)量提高，而且油束射程L和錐角均增大。但噴油壓力過(guò)大，由于L過(guò)大，霧化細(xì)度過(guò)小，反而使燃燒過(guò)程粗暴，冒黑煙和結(jié)炭。（2）噴孔構(gòu)造噴孔構(gòu)造主要包括噴孔直徑和噴孔長(zhǎng)度直徑比兩個(gè)參數(shù)。噴孔直徑減小時(shí)，增大，霧化細(xì)度和L減?。粐娍组L(zhǎng)度直徑比增大時(shí)，L增大。對(duì)于一定的噴油器，噴束的形狀和分布是與燃燒室形狀相配合的，所以無(wú)論因磨損或局部堵塞使噴油器噴孔直徑、噴孔長(zhǎng)度直徑比增大或減小，都破壞了噴柱與燃燒室的配合，不利于可燃混合氣的形成。（3）燃油品質(zhì)影響霧化質(zhì)量的燃油品質(zhì)主要是粘度和密度。燃油的粘度和密度增加時(shí)霧化困難。所以，當(dāng)柴油機(jī)采用低質(zhì)燃油時(shí)，需相應(yīng)采取預(yù)先加熱燃油、提高噴油壓力等措施。（4）噴射背壓噴射背壓增加時(shí)，油粒與空氣的摩擦力增加，油粒所受空氣阻力亦增加，致使霧化細(xì)度減小，增大，L亦減小。第三節(jié) 噴油設(shè)備船舶柴油機(jī)使用的噴射系統(tǒng)大多屬于柱塞泵式直接噴射系統(tǒng)。其主要組成部件是噴油泵與噴油器。一、 噴油泵圖37 回油孔式噴油泵基本結(jié)構(gòu)圖1-柱塞；2-套筒；3-出油閥；4-出油閥彈簧；R-齒條；S-齒圈； B-回油孔；a-直槽；b-斜槽；c-環(huán)形槽；d-橫銷(xiāo)噴油泵為柱塞泵，它是噴射系統(tǒng)的核心部件。它的作用除了產(chǎn)生噴射高壓外，還有對(duì)供油量的定時(shí)與定量。其定時(shí)供油由凸輪軸上的凸輪安裝位置控制，凸輪軸與柴油機(jī)曲軸的傳動(dòng)相位確定了整機(jī)各噴油泵的供油定時(shí)；噴油泵的定量供油取決于柱塞上行時(shí)有效供油行程的大小。此有效行程的大小可在柱塞的上行行程中借助于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使一部分燃油回油，流回低壓空間加以調(diào)節(jié)。此種油量調(diào)節(jié)原理可有三種調(diào)節(jié)方案：始點(diǎn)調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)供油始點(diǎn)而終點(diǎn)不變）；終點(diǎn)調(diào)節(jié)（供油始點(diǎn)不變而供油終點(diǎn)可調(diào)）；始終點(diǎn)調(diào)節(jié)（始終點(diǎn)均可調(diào)節(jié)）。柱塞式噴油泵的基本組成部分有柱塞與套筒（稱(chēng)柱塞偶件）、凸輪與滾輪、進(jìn)油閥和出油閥以及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。根據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)可分為回油孔調(diào)節(jié)式與回油閥調(diào)節(jié)式兩種噴油泵。1回油孔調(diào)節(jié)式噴油泵回油孔式噴油泵又稱(chēng)斜槽式噴油泵或Bosch噴油泵。1） 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)回油孔式噴油泵按各缸噴油泵單元組合方式可分為單體式和組合式兩種，兩者的基本結(jié)構(gòu)相同。圖37是回油孔式噴油泵基本結(jié)構(gòu)圖?；赜涂资絿娪捅玫闹饕考侵?與套筒2、調(diào)油機(jī)構(gòu)（齒條R與齒圈S）、出油閥3及出油閥彈簧4。柱塞頭部有直槽a、斜槽b、環(huán)形槽c，柱塞下方有橫銷(xiāo)d，套筒上部有回油孔B。拉動(dòng)齒條可通過(guò)齒圈使柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)。2)工作原理圖38 柱塞泵工作原理圖柱塞與套筒組成一對(duì)偶件。柱塞在套筒內(nèi)由凸輪頂動(dòng)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)柱塞位于凸輪基圓時(shí)位置最低，此時(shí)套筒上部進(jìn)（回）油孔開(kāi)啟，燃油進(jìn)入泵腔，見(jiàn)圖36（a）。柱塞由凸輪頂動(dòng)上行，在柱塞頂端未關(guān)閉回油孔時(shí)，泵腔內(nèi)燃油經(jīng)回油孔流回進(jìn)油空間直到柱塞上部端面剛好關(guān)閉回油孔時(shí)，泵腔燃油開(kāi)始受壓縮，此即為幾何供油始點(diǎn)，如圖36（b）所示。圖39三種油量調(diào)節(jié)方式及柱塞頭部結(jié)構(gòu)柱塞繼續(xù)上行，當(dāng)柱塞頭部的斜槽打開(kāi)回油孔時(shí)，柱塞上方的高壓燃油經(jīng)柱塞頭部的直槽和環(huán)形槽與回油孔相通而流回進(jìn)油空間，此即為幾何供油終點(diǎn)，如圖36（c）所示。從供油始點(diǎn)到供油終點(diǎn)柱塞上行的供油行程稱(chēng)為柱塞的有效行程。此后柱塞繼續(xù)上行至最高位置，燃油一直流回進(jìn)油空間。柱塞下行時(shí)泵腔經(jīng)回油孔充油。若在柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)柱塞，則供油始點(diǎn)不變，而供油終點(diǎn)延后，即柱塞有效行程增大，供油量增加，為終點(diǎn)調(diào)節(jié)式。反之，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)柱塞，則柱塞有效行程減小。當(dāng)柱塞頭部的直槽對(duì)準(zhǔn)回油孔時(shí)，泵腔中的燃油在柱塞的全部上行行程中都經(jīng)回油孔流回進(jìn)油空間，此即為停油位置，即停車(chē)位置。圖39為三種油量調(diào)節(jié)方式及柱塞頭部結(jié)構(gòu)。圖39（a）為終點(diǎn)調(diào)節(jié)式，此種柱塞頭部上斷面為平面，斜槽在下部，在轉(zhuǎn)動(dòng)柱塞調(diào)節(jié)油量時(shí)，供油始點(diǎn)不變而終點(diǎn)變化。圖39（b）為始點(diǎn)調(diào)節(jié)式，柱塞頭部斜槽在上部，下斷面為平面，在轉(zhuǎn)動(dòng)柱塞調(diào)節(jié)供油量時(shí)，其供油始點(diǎn)變化而終點(diǎn)不變（為柱塞頭下部斷面環(huán)形槽處）。若在柱塞頭部上、下均有斜槽如圖39（c）所示，則為始終點(diǎn)調(diào)節(jié)式。圖310 Wrtsil 32型柴油機(jī)噴油泵1-上端蓋；2-引噴出油閥；3-主出油閥；4-柱塞；5-套筒；6-齒條； 7-調(diào)節(jié)齒圈；8-上彈簧；9-彈簧；10-下彈簧盤(pán)；11-泵體；12-頂頭； A-高壓油管接；B-高壓腔；C-低壓腔圖中A、A1、A2、A3為供油始點(diǎn)；B 、B1、B2、B3為供油終點(diǎn)；S1、S2、S3為柱塞有效行程；、1、2、3為幾何供油提前角。3） 典型結(jié)構(gòu)介紹回油孔式噴油泵在其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理相同的前提下，種類(lèi)繁多。圖310為 Wrtsil32型柴油機(jī)噴油泵。噴油泵的主要零件是由柱塞4和套筒5所構(gòu)成的偶件。柱塞上設(shè)有直槽、斜槽和環(huán)槽，套筒上開(kāi)有兩個(gè)圓孔。柱塞中部與調(diào)節(jié)齒圈7用鍵連接，齒圈與齒條6嚙合，拉動(dòng)齒條可轉(zhuǎn)動(dòng)柱塞以調(diào)整柴油機(jī)的循環(huán)供油量。柱塞下端接上下彈簧盤(pán)8，10及柱塞彈簧9。噴油泵供油通過(guò)凸輪頂頭頂動(dòng)柱塞4上行完成，而柱塞的吸油動(dòng)作則靠彈簧使柱塞下行來(lái)完成。套筒上端與上端蓋1緊密結(jié)合，在上端蓋上設(shè)有兩個(gè)出油閥2、3，當(dāng)供油初期，少量燃油通過(guò)引噴出油閥使少量進(jìn)入噴油器，而在主噴射階段則通過(guò)主出油閥使大量燃油迅速?lài)娙霘飧祝@樣即可以使燃燒初期工作比較柔又可以控制整個(gè)噴射和燃燒過(guò)程不至太長(zhǎng)。調(diào)節(jié)齒條6上有刻線，指示噴油泵供油量。在多缸柴油機(jī)中各缸噴油泵齒條6通過(guò)某種聯(lián)結(jié)方式與油門(mén)拉桿相接，通過(guò)燃油手柄（或調(diào)速器）拉動(dòng)油門(mén)拉桿可實(shí)現(xiàn)對(duì)供油量的總調(diào)；在油門(mén)手柄不動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)油泵齒條6與油門(mén)拉桿的連接位置可實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油泵供油量的單調(diào)整。圖3-11