第三章 燃油喷射与燃烧柴油机的燃油喷射系统是柴油机最重要的系统之一，其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料。它对柴油机的燃烧以及柴油机的动力性、经济性、可靠性、排放特性和起动性能等一系列性能指针具有直接的影响。自柴油机诞生以来，柴油机的燃油喷射与燃烧一直受到人们的密切关注，对此进行了大量的研究。现代测试技术与测试手段的发展与使用，把柴油机的燃油喷射与燃烧研究提高到一个崭新的阶段，使人们对柴油机燃烧过程有了更深刻的了解，推动了柴油机开发与制造技术的发展。船舶柴油机目前使用的燃料主要有轻柴油、重柴油、重油及渣油等四类。要使它们在缸内着火并燃烧并不困难，但要使其燃烧过程与活塞运动密切配合并获得较高的柴油机动力性及经济性却不是一件容易的事。对柴油机燃烧的要求可大致概括为及时（在上止点前发火并迅速燃烧）、完全、平稳（燃烧过程柔和，无燃烧敲缸现象）和空气利用率高。由于柴油机燃烧过程的进行时间极为短暂，通常为毫秒量级，而且燃油在燃烧之前必须经历燃油喷射、雾化并与空气混合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，这就要求燃油雾化、空气运动及燃烧室三者之间的合理匹配才能完成。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。由此可见，影响柴油机燃烧的基本因素有：燃油品质和喷射质量、缸内空气数量和运动状态以及压缩温度。在柴油机设计与管理中为保证柴油机具有良好的燃烧质量，均应保证上述因素最佳匹配。第一节 燃油 柴油机的燃油大多来自石油产品。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有不同的沸点而在不同的温度下分馏出不同的油品。常压蒸馏(称直馏)在360 370 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）再送入410下减压蒸馏，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，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（即常压蒸镏的重油）作为裂化原料，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，已经发现的化合物多达500多种。组成石油的基本元素是碳和氢，按重量计算大约为含碳83%87%、含氢11%14%，故称为烃类化合物。石油中尚存在少量的氧、硫、氮等元素，总重量只占0.5%5%。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而异。组成柴油机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（n2n+2）、烯烃（n2n）和炔烃（n2n-2），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，其碳原子间的结合分别有一个双键和三键。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，由于它们是不饱和烃，所以性能不稳定，存储中易于氧化变质。另外，由于其发火性能较烷烃差，对柴油机燃烧不利。2环烷烃环烷烃的分子式是n2n，它是一种碳原子间以单键结合的环状饱和烃。其环状结构在高温下不易破裂，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n2n-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连接。芳香烃分子结构坚固，热稳定性比脂肪烃和环烷烃都高，燃烧最为困难。芳香烃中最基本的是苯（66），两个苯核并在一起（骈苯环）称萘（108）。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。带有苯核的环状分子结构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，则燃烧不完全，易生成结炭。因此，应限制柴油中芳香烃的含量。二、燃油的物理化学性能指针及其影响燃油的质量是以其理化性能指针来衡量的，这些质量指针有多种，分别从不同方面反映燃油的质量。这些指针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针，如十六烷值、柴油指数、热值和粘度等，影响燃烧产物成分的指针，如硫分、灰分、沥青分、残炭值、钒和钠含量等，影响燃油管理工作的指针，如闪点、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评定燃油自燃性能的指针。其定义为在标准的四冲程柴油机上，将所试柴油的自燃性（通常以滞燃期长短计量）同正十六烷（十六烷值为100）与甲基萘（十六烷值为0）的混合液相比较，当两者相同时，混合液中的正十六烷的容积百分比，即为所试验燃料的十六烷值。柴油机对燃油的十六烷值有一定的要求。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，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。通常，高速柴油机使用燃油的十六烷值在4560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，其十六烷值应不低于25。2苯胺点苯胺点指同体积的燃油与苯胺混合加热成单一液相溶液，然后使之冷却，当混合液开始混浊（析出沉淀物）时的温度（）。燃油中各族烃类在苯胺中有不同的溶解度，燃油中芳香烃最易溶于苯胺。燃油和苯胺越易溶解，则其苯胺点越低。燃油的苯胺点低则自燃性差，根据燃油的苯胺点可大致判断其十六烷值的高低。3柴油指数柴油指数也是衡量燃油自燃性的指针。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(D.I.)：D.I.（1.832）（141.5d131.5）1100式中：d燃油比重（温度为60F时同体积燃油与水重量之比）；t苯胺点（）。柴油指数和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2/3柴油指数144热值1kg燃油完全燃烧时放出的热量称为燃油的热值，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低热值，用符号Hu表示。重油的基准低热值Hu42,000 kJ/kg；轻油的基准低热值Hu42,700 kJ/kg。5粘度粘度是液体内分子摩擦的量度，即燃油流动时分子间阻力的大小，是评定燃油流动性的指针，是燃油最重要的特性之一。燃油在管路中输送的流量和压差、燃油在喷射时的雾化质量、燃油对喷油泵偶件的润滑能力等都与粘度有密切关系。液体的粘度值有绝对粘度和条件粘度（又称相对粘度）两种表示法。绝对粘度表示内摩擦系数的绝对值，相对粘度是在一定条件下测得的相对值，并因测定仪器而异。属于绝对粘度的有：动力粘度和运动粘度；相对粘度粘度的有：恩氏粘度、赛氏粘度和雷氏粘度。（1）动力粘度 动力粘度是两个相距为1cm、面积为1cm2的液层，相对运动速度为1cm/s时所产生阻力的数值。工程单位制为g/cms（泊），国际单位制为Pas（帕秒），1 Pas=10 g/cms。（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m2/s或mm/s。通常在实际中使用厘斯（cSt工程单位)，1 cSt=106m2s=1 mm/s。（3）恩氏粘度 恩氏粘度是200cm3液体在特定温度下，从恩氏粘度计流出所需的时间与蒸馏水在20时流出相同体积所需的时间之比。它是一个无因次量，符号为E。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（100F）温度下从赛氏粘度计流出60cm3所需的时间（s）。(5)雷氏粘度 雷氏粘度是液体在37.8（100F）温度下从雷氏粘度计流出50cm3所需的时间（s）。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下：恩氏粘度（E）=0.132*运动粘度（mm/s）雷氏粘度（s）=4.05*运动粘度（mm/s）赛氏粘度（s）= 4.62*运动粘度（mm/s）ISO组织规定，自1977年10月开始采用50 时的运动粘度值（mm/s）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3-1为船用燃油的粘温特性曲线。6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：其一，液态的硫化物(如硫化氢等)对燃油系统的设备有腐蚀作用；其二，燃烧产物中的SO3和水蒸气（H2O）在缸壁温度低于其的露点时，会生成硫酸附着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；其三，燃烧产物中的SO3能加速碳氢化合物聚合而结炭，而且此结炭较硬，不易清除；其四，硫燃烧后产生的SO2是柴油机排放的主要有害成分。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。虽然可以通过燃油脱硫显著降低燃油中的硫分，但燃油的价格将大幅度上涨。7灰分灰分是在规定条件下燃油完全燃烧剩余物的重量百分比。燃烧后残存的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。图3-1 船用燃油的粘温特性曲线。8钒、钠含量燃油中所含钒、钠等金属的质量浓度用106（ppm）表示。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。在炼制过程中也不蒸发，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。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Na2V2O45V2O5熔点为625，5 Na2V2O411V2O5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46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。9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、使用及加工过程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过程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。因此应限制然油中的水分，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。10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；使用中易形成沉积胶膜和结炭，增加磨损并使喷油器偶件咬死。11残炭值燃油在隔绝空气条件下加