第三章 噴射與燃燒

1、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，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。現(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)燃燒過程有了更深刻的了解，推

2、動(dòng)了柴油機(jī)開發(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。要使它們?cè)诟變?nèi)著火并燃燒并不困難，但要使其燃燒過程與活塞運(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)（燃燒過程柔和，無燃燒敲缸現(xiàn)象）和空氣利用率高。由于柴油機(jī)燃燒過程的進(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

3、混合成可燃混合氣等一系列復(fù)雜的準(zhǔn)備過程，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，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，

4、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

5、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。裂化過程剩余的渣油稱裂化渣油。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%，故稱為烴類化合物。石油中尚存在少量的氧、硫、氮等元素，總重量只占0.5%～5%。

6、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。1脂肪烴脂肪烴包括烷烴（ＣnＨ2n2）、烯烴（ＣnＨ2n）和炔烴（ＣnＨ2n2），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

7、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，而十六烷值＝23柴油指數(shù)＋144熱值1kg燃油完全燃燒時(shí)放出的熱量稱為燃油的熱值，單位用kJkg表示。其中不計(jì)入燃燒產(chǎn)物中水蒸氣的汽化潛熱者稱低熱值，用符號(hào)Hu表示。重油的基準(zhǔn)低熱值Hu＝42000kJkg；輕油的基準(zhǔn)低熱值Hu＝42700kJkg。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

8、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1cms時(shí)

9、所產(chǎn)生阻力的數(shù)值。工程單位制為gcms（泊），國(guó)際單位制為Pas（帕秒），1Pas=10gcms。（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m2s或mm２s。通常在實(shí)際中使用厘斯（cSt——工程單位)，1cSt=10－6m2／s=1mm２s。（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)無因次量，符號(hào)為E。恩氏粘度曾是我國(guó)和

10、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（mm２s）雷氏粘度（s）=4.05運(yùn)動(dòng)粘度（mm２s）賽氏粘度（s）=4.62運(yùn)動(dòng)粘度（mm２

11、s）ISO組織規(guī)定，自1977年10月開始采用50℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度值（mm２s）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粘溫性能。圖31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)

12、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