柴油机燃油喷射与燃烧(1、2节)

第三章燃油喷射与燃烧第一节燃油一、燃油的化学组成石油是多种碳氢化合物的混合物，其主要成分为碳和氢（约占石油重量的85%左右），另外还含有少量的氧、氮、硫、及金属化合物如钒、钠等有机酸盐类。碳氢化合物简称为烃，也可以说石油是烃类的混合物。烃类脂肪烃环烷烃芳香烃烷类烯类(CnH2n)：链状结构,非饱和烃。炔类(CnH2n-2)：链状结构,非饱和烃。十六烷的自燃温度最低，着火性能为最好着火性能较烷类差，对柴油机的燃烧不利(CnH2n)：环状结构，饱和烃。环(CnH2n-2)：环状的非饱和烃，碳原子间有三个双键，热稳定性和自行发火的温度比脂肪烃和环烷烃均高，基本化合物为苯。(CnH2n+2)：链状结构,饱和烃。不易分裂，故热稳定性和自行发火的温度均比脂肪烃高适于作汽油机燃料二、燃油的理化性能指标和影响因素影响燃油燃烧性能的指标（十六烷值、笨胺点、柴油指数、馏程、发热值和粘度）；影响燃烧产物构成的指标（硫分、灰分、沥青分、残碳值、钒和钠的含量）；影响燃油管理工作的指标（闪点、密度、凝点、浊点、倾点、水分、机械杂质和胶质）。含烷烃多的燃油是良好的柴油机燃油。芳香烃含量高的石油产品不宜作为柴油机燃料。最适于柴油机使用的燃油应是以脂肪烃为主的各种烃的混合物。1、十六烷值：3、柴油指数：表示燃油的自燃性能。通常在40-60之间。中低速柴油机：40-50燃用重油的大型低速柴油机：252、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（析出沉淀物）时的温度。100/1)5.131/5.141)(328.1(..dtID式中：t为燃油的苯胺点（°C）；d为燃油相对密度它是指和燃油着火性能相同的，由正十六烷和α-甲基萘组成的标准燃料中，所含正十六烷的体积百分数。4、馏分和馏程:馏程就是在某一温度范围内燃油所能蒸发掉的百分数。密度越大，重馏分越多，芳香烃含量越多。1432柴油指数十六烷值柴油指数越大，则苯胺点越高，密度越小，柴油品质越好。5、热值：1千克燃油完全燃烧时所放出的热量称为燃油的热值或发热值，其国际单位为kJ／kg（千焦／千克），不计入燃烧产物中水蒸汽的气化潜热者称为低热值，即为柴油机中使用的燃油热值，用符号Hu表示，我国标定在计算燃油消耗率时，重油的基准低热值Hu=42000kJ／Kg，轻油的Hu=42700kJ／kg，显然轻油的准低热值较高。ISO规定的Hu=42707kJ／kg。6、粘度：粘度表示流体的内摩擦，即燃油流动时分子间摩擦阻力的大小。以动力粘度、运动粘度、恩氏粘度及雷氏粘度、赛氏和雷氏粘度（1）动力粘度（以μ表示）动力粘度是两个相距1cm、面积为1cm2的液层，以1cm／s的速度作相对运动时所产生的阻力数值，动力粘度的单位在工程单位制中为达因·秒／米2）称为“泊”，在国际单位制中为Pa·s（帕·秒）。1泊＝0.1帕·秒，1厘泊=10-3帕·秒。（2）运动粘度（以υ表示）运动粘度是动力粘度与同温度下液体的密度之比。其单位在工程单位制中为“斯”（St），“斯”的百分之一称厘斯（cSt）亦称厘沲。在国际单位制中的单位为m2／s（米2／秒）。1cSt=10-6m2/s=1mm2/s。动力粘度和运动粘度又称绝对粘度7、硫分：燃料中所含硫的重量百分数。硫的有害之处在于它对柴沽机的机件有磨损与腐蚀作用。8、灰分：规定条件下燃油完全燃烧后所剩残留物的重量百分数。灰分的有害之处是高温腐蚀和磨料磨损9、钒、钠含量：燃油中所含钒、钠等金属占燃油重量的百分数会腐蚀金属（高温腐蚀）。因此为避免高温腐蚀应将排气阀控制在550℃以下10、机械杂质和水分：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水分将降低燃油的发热值，并容易破坏正常发火机械杂质使喷油器的喷孔堵塞，致使供油中断，加剧油泵的磨损11、沥青分：燃油中沥青重量的百分数叫沥青分。沥青很难燃烧，使排气冒黑烟，并在气缸中形成坚硬的炭垢附在气缸套、活塞环和喷油器喷孔处，易造成喷孔堵塞、活塞环折断及气缸套、活塞顶、气缸盖等零件因过热而产生裂纹等机械故障12、残碳值：燃料在特定条件下加热到全部蒸发后所留下的炭渣重量的百分数叫残碳值。表示燃油在燃烧过程中形成炭渣的倾向。13、闪点：油品在规定的加热条件下，它的蒸汽与周围空气形成的混合气，当接近火焰发出闪火（微爆）时的最低温度称为闪点。开口闪点要比闭口闪点高20～30℃，一般所用燃料的闪点不得低于60～65℃。船舶上允许倾倒燃油或敲开容器的环境温度应低于闪点17℃在储运中禁止将油品加热到它的闪点温度，一般应低于闪点20～30℃。14、凝点、倾点、浊点：凝点：在试验条件下冷却至液面不移动的最高温度倾点：燃油尚能流动的最低温度浊点：燃油开始变浑浊时的温度浊点高于凝点5—10度，倾点高于凝点3—5度。燃油的使用温度至少应高于浊点3—5度15、密度与相对密度密度的含义为物质单位体积的重量，单位为g/cm3。燃油的密度大，即间接表示粘度大，重馏分多、芳香烃含量多，自然性差。相对密度：在轮机管理过程中，目前仍采用相对密度（比重）来代替密度。燃油的相对密度为20℃时的燃油重量与4℃时同体积水的重量之比，以符号成d420表示。不同温度下的燃油比重可用下式换算：式中：d4t——温度为t时的比重；t——测定燃油比重时的温度，℃。)20(000672.04204tddt三燃油的牌号与选用1．国产燃油的规格与选用（1）轻柴油（2）重柴油轻柴油产品按凝点不同分为10号、O号、－10号、－20号、－35号五个等级一般最低环境温度应高出凝点温度5℃以上重柴油按凝点不同分为10号、20号、30号三个牌号，其代号分别为RC-10、RC－20和RC－30。2．国外燃油的规格与选用（3）内燃机燃料油。国外船用燃油基本上分为四类：（1）轻柴油（GO）或船用轻柴油（MGO），常用于救生艇柴油机和应急发电柴油机。（2）船用柴油（MDO）常用于发电柴油机和柴油主机机动操纵时的燃料。（3）中间燃料油（IFO），是渣油与柴油的掺合油。按照不同轻重成分调制的中间燃料油，具有50℃时40～380cSt的粘度，可用于各类大功率中速柴油机和大型低速＋字头柴油机。（4）船用燃料油（MFO）也叫C级锅炉油，粘度在50℃时380cSt以上，主要用于蒸汽锅炉，也可用于最新型的大功率中速柴油机和大型低速柴油机。四燃油燃烧的热化学过量空气系数α：燃烧1Kg燃油实际供入空气重量L与1Kg燃油完全燃烧所需要的理论空气重量L0之比，叫做过量空气系数α，即：0LL在保证燃烧完全和增压柴油机热负荷允许情况下，应力求减小α值。α：值小：说明空气的利用率高，柴油机气缸工作过程强化（载）程度高，单位气缸工作容积作功能力大，但α值小，往往会引起柴油机燃烧不完全，气缸热负荷增大，排气温度增高，热效率下降等。α：值大：(气缸内的平均值)在柴油机中α1增压低速二冲程柴油机α＝1.9～2.3增压中速二冲程柴油机α＝1.9～2.3增压中速四冲程柴油机α＝1.7～2.1增压高速四冲程柴油机直接喷射式燃烧室α＝1.6～2.0预燃室式燃烧室α＝1.4～1.6非增压高速柴油机直接喷射式燃烧室α＝1.6～1.9分隔式燃烧室α＝1.3～1.6油膜燃烧室α＝1.15～1.3国外通常使用空燃比AF或燃空比FA与过量空气系数有相适应的含义第三章燃油喷射与燃烧第二节燃油的喷射一、燃油喷射系统1、燃油喷射系统类型及要求1）要求：对喷油设备的基本要求是：正确的喷油定时、精确的循环供油量、良好的雾化质量和喷油规律。直接喷射系统间接喷射系统(蓄压式喷射系统)柱塞泵式泵喷咀式(用于顶置凸轮的小型高速柴油机)液压伺服式高压泵系统(设备复杂可靠性差)2)类型电子喷射系统(提高经济性及对不同燃油的适应性,改善低速运转及操纵性能,降低有害排放.但结构复杂,成本高,管理不便.)柱塞泵式喷射系统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A..油孔B.出油阀空间C.喷油器空间高压喷油泵喷油器高压油管组成二、燃油的喷射过程1．喷射过程的三个阶段1）喷射延迟阶段：从供油始点Op到喷油始点Ou。启阀压力:是指能抬起针阀的最低燃油压力pn。供油提前角(Фca)p喷油提前角(Фca)n喷射的延迟角:△Фca=(Фca)p-(Фca)n形成喷射延迟阶段的原因：燃油的可压缩性、高压油管的弹性及高压系统的节流。喷射延迟阶段过长，将会导致后燃严重，排气温度上升。所以此阶段应尽可能短些。影响喷射延迟阶段的因素：高压油管特性参数（长度、内径）柴油机工况出油阀结构参数针阀启阀压力转速上升，喷射延迟阶段（角）增大，延迟时间缩短。高压油管愈长、内径愈大、柴油机转速愈高、针阀启阀压力愈高，则喷射延迟阶段愈长。2）主要喷射阶段：从喷油始点Ou到供油终点Kp。在整个阶段由于瞬时供油量大于喷油量，固喷油压力持续提高。该阶段的长短取决于柴油机的负荷，负荷愈大，此阶段愈长。3）尾喷阶段（也叫燃油滴漏阶段）：从供油终点Kp到喷油终点Ku。压力不断迅速下降，燃油雾化不良，甚至产生滴漏现象。滴漏阶段越短越好此阶段的产生原因与影响因素均与喷射延迟阶段相同。从喷油始点Ou到喷油终点Ku曲轴所转过的角度△Фn0即为喷油持续角。2、喷射过程的压力波造成喷射过程燃油压力波动的原因主要是：1）喷射过程中高压系统内的压力发生剧烈的变化。2）高压系统中的的燃油具有惯性和可压缩性。3）高压油管具有弹性。由于压力波动现象的存在，使实际喷油过程与喷油泵柱塞的供油过程存在很大的差异。三、供油规律和喷油规律1）供油规律与喷油规律在燃油喷射过程中，每度凸轮泵轴转角喷油泵的供油量（供油速率）dgp/dφ或喷油器喷入气缸的喷油量（喷油速率）dgn/dφ随凸轮轴转角（或时间）的变化关系称为供油规律或喷油规律，亦统称为喷射特性。2）理想的喷油规律：先慢后快实线标准喷油系统的喷油规律虚线理想的先慢后快的喷油规律阴影部分着火前喷射的燃油量从喷油规律曲线上可以进行如下的分析：（1）喷油的始点、终点和喷油持续角度是否适宜；（2）判断有无二次喷射、断续喷射或针阀振动等不正常喷射现象；（3）判断燃油喷射规率是否符合理想的燃烧过程和放热规律的要求；（4）分析喷油规律存在的问题找出改进喷油规律的措施方案。几种典型的喷油规律a:较常见，经济性较好，但爆压较高b:早期喷油较多，易导致运转粗暴c,d:异常的喷射现象。e:较好的喷油规律，初期喷油少，后期喷油快，运转柔和。3）影响喷油规律的因素(1）凸轮外形和有效工作段凸轮外形越陡，油压上升越快，供油速度越大，喷射延迟角和喷油持续角就越小。一般将凸轮的有效工作段选在柱塞运动的高速部分，以提高供油速率，减小喷油持续角。用转动凸轮法改变喷油正时时，凸轮有效工作段不变，喷油规律不变（喷射延迟角和持续角均不变）（2）柱塞直径和喷孔直径。循环供油量和转速不变时，加大柱塞直径，使供油速度加大，喷油延迟角及喷油持续期都减少，而喷油规律曲线初期的喷油速度加大，喷油规律曲线加高。循环供油量和喷孔数目不变时，喷孔直径减小，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，喷油延迟角愈大而喷油持续角基本不变。（4）柴油机负荷与转速转速增加，喷油延迟角和喷油持续角均加大，相应每度凸轮转角的时间缩短，故而每度凸轮转角的喷油量减少，喷油规律曲线变平坦。为避免后燃，高速柴油机的喷油提前角应比低速柴油机的喷油提前角大。若增大负荷，其喷油始点基本不变曲线前半部分也基本相同，后半部分则随负荷增大平行向后推移，使喷油终点延后。（5）喷油定时改变喷油定时不改变喷油规律的形状，只将喷油规律的曲线向前或后推移。四、异常喷射及其消除办法正常喷射：对应柴油机每一工作循环，喷油器针阀只启闭一次，针阀升程曲线基本呈梯形，每循环高压油管中的剩余压力也基本相同。1．重复喷射（二次喷射）。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。