船舶柴油机重点复习资料讲解Word文件下载.docx

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粘度表示流体的内摩擦，即燃油流动时分子间阻力的大小。

燃油的粘度通常以动力粘度、运动粘度、条件粘度等表示。

接绝对粘度：

动力粘度和运动粘度

粘度

恩氏粘度

相对粘度雷氏粘度

塞氏粘度

燃油的粘度对于燃油的输送、过滤、雾化和燃烧有很大影响。

粘度过高，不但输送困难、而且不利燃油雾化，使燃烧不良；

粘度过低，则会造成喷油泵柱塞偶件、喷油器针阀偶件润滑不良而加快磨损。

压力和温度对燃油的粘度影响很大，压力增加，粘度增加；

温度增加，粘度下降。

5．热值

lkg燃油完全燃烧时所放出的热量称为燃油的热值。

重油的基准低热值Hu=42000kJ/kg，轻油的Hu=42700kJ/kg。

6．硫分

（1）液态下对燃油系统的部件有腐蚀作用；

（2）燃烧产物中的SO2和SO3，在高温下呈气态，直接与金属作用发生气体腐蚀；

（3）SO3和水蒸气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“低温腐蚀”。

7．灰分

8．钒、钠含量

钒、钠等金属燃烧后生成的低溶点的化合物，当缸壁和排气阀表面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，并与金属发生氧化还原反应而腐蚀金属，形成“高温腐蚀”。

9．机械杂质和水份

机械杂质可使喷油器的喷孔堵塞。

致使供油中断，加剧油泵的磨损。

水分会降低燃油发热值

10．沥青分

燃油中沥青重量的百分数叫沥青分。

沥青难燃烧，使排气冒黑烟，易积炭。

11．残炭值

表示燃油在燃烧过程中形成炭渣的倾向。

并不表示结碳的数值。

结碳使热阻增加，引起过热、磨损。

12．闪点

闪点有开口和闭口两种。

开口闪点要比闭口闪点高20～30％。

船用柴油机燃油的闪点一般为60-65°

。

13．凝点、浊点、倾点：

表明低温流动性的指标。

凝点：

燃油冷却到失去流动性时的最高温度

浊点：

燃油开始变得混浊时的温度

倾点：

油尚能保持流动性的最低温度

一般燃油的倾点高于凝点3～5℃，浊点高于凝点5～10℃。

燃油的最低使用温度应高于浊点3～5℃。

浊点＞倾点＞凝点

14．密度

相对密度：

燃油在20℃时的密度与4℃时水的密度之比。

密度对燃油使用的意义：

（1）在装载燃油时可根据燃油密度和油舱容积计算装载量。

（2）可根据燃油密度正确选择分油机的比重环。

一般分油机允许的最高分离密度为0.991g/cm3（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）柴油机转速将相应变化。

三、燃油牌号与选用

1．国内：

轻柴油：

按凝点不同分为10号、0号、-10号、-20号及-35号

重柴油：

按凝点不同分为10号、20号及30号

燃料油：

按37.8℃时的雷氏一号粘度值区分其牌号

渣油：

按80℃时的运动粘度作为其牌号

2．国外：

船用轻柴油应急发电机和救生艇柴油机

船用柴油作副柴油机和主机机动操纵时

中间燃料油用于各类大功率中速机及低速机。

船用燃料油用作新型低、中速主机的燃油及船用锅炉燃油

四、燃油燃烧的热化学

1．完全燃烧1kg燃料的理论空气需要量

2．过量空气系数

实际供给的空气与理论空气需要量的比值称燃烧过量空气系数。

即：

显然，柴油机在正常工况时总是大于1。

是一个很重要的燃烧过程性能指标、工作参数，它对性能的影响表现在：

（1）小，表示相对一定的气缸进气量，气缸喷油量较多，因而气缸强化程度高，单位气缸工作容积作功能力大，平均有效压力Pe较高，但气缸热负荷大，排温高，经济性下降。

当气缸容积、进气状态和扫气系数s一定时，每循环充入气缸的空气量一定。

小，意味着每循环能燃烧的油量多，发出的功率也大。

因此，柴油机在标定工况下能以较小的良好运转，说明气缸容积的利用程度高，混合质量好。

（2）不同机型值不同：

高速机值＜低速机；

增压机值＞非增压机；

四冲程机＜二冲程机。

增压、低速、二冲程的值最大。

（3）燃烧室内不同地区的值不同：

油束内部：

≈0

油束内部外部周边，值逐渐增加。

燃烧室周边无油区∞

思考题：

1．值的概念。

2．燃油的理化性能指标及其影响因素有哪些？

单元二燃油的喷射和雾化

一、燃油的喷射系统

1．燃油的喷射系统的类型及要求

1）对喷射系统的要求

（1）定时喷射

（2）定量喷射

（3）定质喷射

2）类型

柱塞泵式现代船舶上最常见最基本的一种。

直接作用式泵-喷油器式

类型分配式

液压伺服式

间接作用式高压泵系统

电子喷射系统

燃油喷射系统的作用，是在一定的时刻以很高压力将一定数量的燃油迅速地喷入气缸，使之雾化。

喷射系统的主要组成是喷油泵、喷油器和连接它们的高压油管。

二、燃油的喷射过程

图为喷射过程的示波图。

图中a）为喷油泵出口压力曲线；

b）为喷油器进口压力曲线；

而c）则为喷油器针阀升程曲线；

横坐标均为曲柄转角。

按喷射过程的特征可将其分为喷射延迟、主要喷射及滴漏三个阶段。

1．喷射过程的三个阶段

1）．喷射延迟阶段

从喷油泵供油始点（OH）到喷油始点（Ou）为止的第Ⅰ阶段为喷射延迟阶段。

喷油泵供油始点，喷油器并未抬起喷油，直到喷油器内压力升高到启阀压力时，燃油才喷入气缸。

因此喷油提前角小于供油提前角。

喷油提前角：

喷油器开始喷油瞬时曲轴与上止点之间的夹角。

对机燃烧过程有直接影响。

供油提前角：

喷油泵开始供油瞬时曲轴与上止点之间的夹角。

能进行检查和调整。

造成喷射延迟的原因：

（1）燃油的可压缩性

（2）高压油管的弹性（3）高压系统的节流。

影响喷射延迟阶段长短的主要因素是：

高压油管特性参数、喷油器针阀的启阀压力、柴油机的工况以及喷油泵出油阀和喷油器针阀的结构特点等。

2）．主要喷射阶段

从喷油始点（Ou）到供油终点（KH）的第Ⅱ阶段为主要喷射阶段。

本阶段内喷油压力继续升高，燃油是在不断升高的高压下喷入气缸，本阶段的长短主要取决于柴油机负荷，负荷愈大，本阶段愈长。

3）．滴漏阶段

从供油终点（KH）到喷油终点（Ku）的第Ⅲ阶段为滴漏阶段。

在这阶段中，喷油器中的压力从最高喷油压力pφmax一直下降到针阀落座压力pK。

燃油是在不断下降的压力作用下喷入气缸，使燃油雾化不良，甚至产生滴漏现象。

因此应力求使此阶段缩短到最小限度。

2．喷射过程的压力波

在喷射过程中，喷射系统中将发生很大的压力变化，形成较强的压力波，造成喷射过程中燃油压力波的原因有：

（1）喷射过程是高压系统内压力巨变的过程

（2）燃油的可压缩性（3）高压油管的弹性产生容积变化。

三、供油规律和喷油规律

燃油的喷射质量通常可从燃油的雾化质量及喷油规律两个方面来评价，而喷油规律主要由供油规律来控制。

1．概念：

喷油器单位凸轮转角的喷油量dgn/dφ随凸轮轴转角的变化规律。

喷油泵单位凸轮转角的供油量dgn/dφ随凸轮轴转角的变化规律。

2．影响喷油规律的因素

（1）凸轮型线和有效工作段

在柱塞有效行程和供油始点相同的情况下，凸轮外形越陡，油压上升越快，供油速度越大，喷油延迟角和喷油持续角就越小。

当凸轮外形确定后，就要选择凸轮有效工作段的位置。

为了获得较短的喷油时间和必需的喷油压力，一般将凸轮的有效工作段选在柱塞运动的高速部分，以减小喷油持续角，提高雾化质量。

（2）柱塞直径和喷孔直径

在不改变柱塞行程和供油量而增大柱塞直径时，供油速度增大，喷油延迟角和持续角均减小，当喷油器的喷孔数不变而喷孔直径减小时，由于喷油阻力的增加使喷油持续角增大，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，喷油延迟角大而喷油持续角基本不变。

为了使各缸喷油规律一致，应尽可能使各缸的高压油管长度相同。

（4）柴油机负荷与转速

当柴油机转速及喷油定时不变时，若增大负荷，其喷油始点基本不变而喷油终点改变，并且增加了后半期的喷油量。

当柴油机负荷及喷油定时不变而改变转速时，随着转速的增加，相应每度凸轮转角的时间缩短，故喷油延迟角和喷油持续角均加大，而每度凸轮转角的喷油量减少。

四、异常喷射

正常：

一个工作循环，针阀只启闭一次，针阀升曲线呈梯形，高压油管中剩余压力基本相同。

1．重复喷射（二次喷射）

1）概念：

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。

2）原因：

（1）高转速大负荷工况

（2）喷油器喷孔部分堵塞，（3）出油阀卸载容积不足，（4）换用了内径和长度较大或刚性较小的高压油管（5）喷油器启阀压力较低。

3）危害：

会使喷油持续角变大，雾化质量降低，致使燃烧恶化、后燃严重、排温升高、机件过热、燃烧室结碳、排气冒黑烟等，从而降低了柴油机的经济性和可靠性。

4）防止措施

2．断续喷射

在喷油泵的一次供油期间，喷油器针阀断续启闭的喷射过程。

2）原因：

断续喷射容易发生在低转速低负荷工况。

此时供油泵的供油量小于喷油器的喷油量和充填针阀上升空间所需油量之和。

增加针阀偶件磨损。

3．不稳定喷射和隔次喷射

是指喷油泵持续工作，但各循环的喷油量不均的情况。

其极端情况是隔次喷射，即喷油泵每供两次油喷油器才喷一次油。

（1）低速低负荷工况。

（2）喷油设备偶件过度磨损

转速不稳定，造成低速运转时自动停车。

4．滴漏

五、最低稳定转速

能使柴油机各缸均匀发火的最低转速。

船用柴油机：

低速机：

≤30％nb，中速机：

≤40％nb，高速机：

≤45％nb。

六、燃油雾化

燃油在很大压差作用下，高速流经喷孔，由于喷孔的扰动作用及缸内压缩空气的阻力作用，使喷出的燃油分裂成由细小的油粒组成的圆锥形油束，这些油粒在燃烧室内进一步分散与细化的过程称为雾化。

由此可知，影响燃油雾化的因素主要是喷出燃油的强烈扰动与缸内压缩空气对燃油的阻力。

油束射程

油束的几何形状油束锥角

表征喷柱的油束特性雾化细度

雾化质量

雾化均匀度

2．影响油束特性的主要因素

影响雾化的主要因素有喷油压力、喷油器喷孔直径〖和孔数〗、燃油粘度和喷射背压。

1）喷油压力

喷油压力增大，雾化细度及均匀度提高，油束锥角β和射程L增大，雾化质量提高。

2）喷孔直径

喷孔直径增大，雾化细度和均匀度均下降，但油束射程L增大而锥角β减小。

相反，当喷孔直径减小时，雾化细度及均匀度提高，油束锥角增大而射程减小。

在喷油嘴总通流面积不变的情况下，喷孔孔数越多，其直径越小。

雾化细度和均匀性提高、油束锥角增大，但射程下降。

3）燃油粘度

当燃油粘度增加时，由于其流动性差，分裂较困难，故雾化不良。

为保证雾化良好，当使用粘度较高的燃油时应采取预热措施以降低燃油粘度。

4）喷射背压

当喷射背压增加时，即缸内压缩空气的密度增加，燃油喷射时受到的阻力增加，因此雾化质量提高，锥角β变大，而射程L缩短。

1．对燃油喷射系统有何要求？

2．造成燃油喷射延迟的主要原因有哪些？

3．何谓二次喷射？

有何危害？

造成二次喷射的原因有哪些？

4．什么叫雾化？

表征喷柱的油束特性的指标有哪些？

5．为什么柴油机在高速时较稳定，而在低速时易不稳定？

单元三可燃混合气的形成

一、可燃混合气的形成方法

1．空间雾化混合法：

2．油膜蒸发混合法：

3．影响混合气形成的因素

（1）燃油的雾化质量。

对低速机影响大，主要是采用油雾法混合。

（2）燃烧室空气涡流。

对小型高速机影响大，主要是采用空气扰动。

（3）压缩终点的缸内热状态。

（5）燃烧室类型。

二、缸内空气扰动涡动的形式

1．进气涡流

2．挤压涡流

3．压缩涡流

4．燃烧涡流

三、燃烧室

燃烧室分为直喷式与分隔式两大类。

直喷式包括开式与半开式两类，而分隔式有涡流室和预燃室两种。

开式

直喷式

燃烧室半开式

涡流室

分隔式

预燃室

1．直喷式燃烧室

1）开式燃烧室：

适用于大、中低速机

开式燃烧室如图所示。

适用于缸径D≥160mm的柴油机，船舶主机、发电副机均采用这种燃烧室。

上图a中为平顶活塞、倒钟形气缸盖，适用于大型低速二冲程弯流扫气式柴油机；

图b为浅盅形凹活塞、倒盅形气缸盖，适用于大型低速二冲程直流扫气式柴油机；

图c和d分别为浅盆形和浅ω形活塞顶、平低气缸盖，适用于大、中型四冲程柴油机；

（1）可燃混合气形成的特点

①采用油雾法（空间雾化）可燃混合气形成可燃混合气。

②）一般不组织空气涡动。

③喷注形状与燃烧室很好配合。

（2）开式燃烧室的特点是：

①燃烧室结构简单，相对散热面积F/V小，经济性好。

②起动性能好。

③燃烧室中机械负荷大和热负荷大，工作较粗暴、噪音大。

④对燃油品质及转速较敏感。

⑤）过量空气系数α必须较大。

2）半开式燃烧室：

适用于小型高速机

（1）可燃混合气形成的特点

一方面利用喷雾，另一方面利用进气涡流和挤压涡流

（2）半开式燃烧室的特点是：

经济性好、动力性好，过量空气系数α小，不同程度克服开式燃烧室机械负荷大和热负荷大的缺点。

（3）球型燃烧室可燃混合气形成属油膜蒸发混合，其特点是：

①工作柔和、排烟少、性能指标好。

②空气利用率高，过量空气系数较低，。

③冷起动比较困难。

因为空间雾化燃油量少，起动时燃烧室壁温低，壁面上蒸发混合的燃油少，对起动不利。

④对增压适应性差。

因增压后每循环供油量大使油膜变厚，影响可燃混合气形成的速度。

⑤在大缸径柴油机上应用困难。

因为当缸径增大时每循环供油量增多，而燃烧室的相对表面积减小，这样使油膜变厚，影响混合气形成的速度。

2．分隔式燃烧室

在分隔式燃烧室，燃烧室的容积分成两个部分：

一部分在气缸盖与活塞顶之间，称为主燃烧室；

另一部分位于气缸盖内，称为涡流室或预燃室（付燃室）。

分隔式燃烧室的特点：

（1）因空气流速高，燃油与空气混合良好，空气利用率高，因此过量空气系数小，烟色较好。

（2）主燃烧室内压力升高率较低，工作平稳，噪音较低。

（3）对转速与燃油品质不敏感。

（4）散热损失，节流损失均较大，经济性差，冷起动困难。

1．什么叫空间雾化混合法？

缸内空气涡动有哪几种形式？

2．开式和球形燃烧室各有何特点？

单元四燃油的燃烧

一、可燃混合气的着火

着火的两个条件：

（1）混合气浓度在一定范围内

（2）混合气必须到达某一临界温度。

在柴油机缸内首先着火的部位是在油束核心与外圆之间混合气浓度适当（=1）和温度适当处，由于缸内符合此要求的部位不止一处，所以可能是多点同时发火，且各循环的着火点也不尽相同。

当火核形成之后，火焰即向四周传播，形成稳定的燃烧，传播的路径与速度取决于可燃混合气形成的状态以及空气的扰动。

二、燃烧过程

在燃烧过程中，气缸内气体的压力和温度不断变化，这个压力及温度是综合反映燃烧进行情况的最重要的参数，可以用来分析燃烧过程的进展情况，其随曲柄转角的关系如图所示。

图中曲线0是温度曲线T-图、曲线1是压力曲线p-图、曲线2是针阀升程曲线h-图、曲线3是喷油器针阀腔压力pn-图，而曲线4是喷油泵燃油压力pH-图、曲线5为纯压缩线。

图中a点为油泵腔压力为油管剩余压力的点，b点为油泵出油阀开启点（供油点），c点为着火点，d为针阀开启点（即为喷油点），e点为油泵油压力开始升高点（几何供油点），y点为缸内压力最高点，而z点为缸内温度最高点。

根据油泵供油、喷油器喷油及气缸压力温度的变化特点，可将燃烧过程分为滞燃期、急燃期、缓燃期及后燃期等四个阶段。

1．滞燃期

从喷油开始（d点）到缸内发火点（c点）为止称滞燃期，又称着火延迟期。

（1）滞燃期的特点：

燃油没有明显的燃烧，气缸内的压力基本上与纯压缩线相重合。

喷入气缸的燃油主要进行一系列的物理和化学准备，包括燃油的雾化、加热、蒸发、扩散与空气混合等物理准备阶段，以及着火前的预氧化等化学准备阶段。

（2）滞燃期对燃烧过程的影响：

在滞燃期内的喷油量均经充分的物理和化学准备，而且此时活塞已接近上止点，气缸容积很小，一旦发火燃烧，这些可燃混合物会瞬时燃烧，使缸内的压力迅速升高到最高爆炸压力，如滞燃期过长，因参与瞬时燃烧的可燃混合气过多，压力升高过快，使柴油机工作粗暴，发生敲缸和机件损坏因此应力求缩短滞燃期。

（3）滞燃量：

滞燃期内喷入的燃油量。

低速机Δi=（15-30）％Δgi，高速机Δi=（80-100）％Δgi。

2．急燃期

从着火点（c点）开始到缸内气体压力最高点（y点）为止，称为急（速）燃期。

（1）特点：

①近似等容燃烧，缸内压力升高最高爆炸压力。

②是不可控燃烧。

（2）主要问题：

燃烧过程速度过快，使平均压力升高率ΔP/Δ过大，而产生燃烧敲缸。

ΔP/Δ是表示燃烧过程的柔和性，一般＜0.4Mpa/˚CA。

3．缓燃期

从缸内气体压力最高点（y点）到缸内气体温度最高点（Z点）为止，称为缓燃期，

（1）特点：

①近似等压燃烧，②是可控燃烧（负荷大小）。

在缓燃期内缸内达到最高温度,，燃烧速率逐渐降低。

（2）主要矛盾：

油气得到氧分子的速度赶不上燃烧速度的需要而发生不完全燃烧。

为改善此阶段的燃烧质量应设法加强燃烧室内的空气扰动以及加速混合气的形成。

急燃期+缓燃期=主燃烧期

4．后燃期

缸内气体温度最高点（Z点）以后发生的燃烧过程，称为后燃期。

（1）后燃的危害：

①排气温度的升高，热负荷增加，燃烧室等部件过热、可靠性降低②可靠性效率降低，油耗率增加，经济性降低。

③可能引起烟囱着火造成火灾。

因此应尽量缩短后燃期。

（2）形成后燃的主要原因：

①喷油提前角太小②超负荷运行，喷油结束太迟。

③喷油雾化不良甚至产生滴漏现象④气缸密封不好⑤燃油品质不好或雾化预热温度太低。

三、影响燃烧过程的因素

1．燃油品质

十六烷值愈高，自燃着火性能愈好，滞燃时间i愈短，燃烧过程愈平稳。

但过高的十六烷值，使燃油容易在高温下裂化分解为游离碳，造成燃烧不完全，柴油机冒黑烟；

十六烷值过低，会使滞燃期变长，燃油着火滞后，造成缸内最高燃烧压力和压力升高率变高，使柴油机工作变得粗暴。

因此燃油的十六烷值要适当。

当燃油品质发生变化时，应适当调整柴油机的参数。

如当换用十六烷值较低的燃油时，应根据需要适当增大供油提前角。

由柴油改烧重油时，应适当加大供油提前角。

2．换气质量

换气质量好，进入气缸的新鲜空气量多，直接影响进入气缸内的新鲜空气量多，滞燃期缩短，燃烧完全。

换气质量差，则进入气缸内的新鲜空气量减少，如此时不减少喷油量，则会引起燃烧恶化，排气温度上升，严重时会冒黑烟。

3．气缸热状态

压缩终点的压力和温度高，则会使发火前的物理和化学准备过程加速，滞燃期缩短，使柴油机工作柔和；

若压缩终点的压力和温度太低，则会产生着火困难并阻碍燃烧的进行。

4．燃油雾化质量

雾化质量好，将使燃烧前的准备时间缩短，i就短，柴油机工作平稳。

而且，燃油细粒能与空气充分混合，容易燃烧完全，后燃期短。

5．喷油提前角

喷油提前角对柴油机的燃烧过程有直接影响。

如提前角太大，则由于喷油时气缸内的压力和温度较低而使滞燃期延长，最大爆发压力及压力升高率增大，从而使柴油机工作粗暴，功率下降；

若提前角太小，则会使燃烧后移，气缸内的压力和温度已下降而使滞燃期延长，并使后燃增加，热效率降低。

因此每一种柴油机都有一个最佳的喷油提前角，使燃烧过程比较合理，既有较高的经济性和动力性，又能平稳运转。

同一柴油机不同负荷时有不同的最佳喷油提前角。

负荷较小时，pmax较低，柴油机承受机械负荷的能力没有充分发挥，把喷油提前角适当加大，可使ge降低。

同一柴油机燃用不同的燃油，最佳喷油提前角也不同。

由柴油改烧重油时，由于重油燃烧缓慢，pmax下降，主要燃烧阶段延后，后燃加重。

应适当加大供油提前角，提高pmax，减少后燃，可使ge降低。

】

6．柴油机的转速和负荷

柴油机转速上升，气缸漏气及散热损失减少，压缩温度和压力将上升。

同时，转速升高能使喷油压力提高，燃油雾化变好，加速了着火准备过程。

此外，转速升高时，燃烧室内的空气扰动加剧，促使油气混合。

综上所述，转速升高能提高混合气形成的速度，使滞燃时间i有所缩短。

柴油机的负荷对滞燃期i也有间接影响。

当负荷增加时，每循环喷油量增加，气缸内的总发热量也随之增加，使燃烧室壁温提高，使滞燃期i稍有缩短。

但是在负荷增加时，因每循环喷油量增多和喷油过程的延长，总的燃烧持续期几乎是成比例增长的，其最大燃烧压力提高，后燃加剧。

四、改善燃烧质量的措施

1．运转管理方面

（1）确保换气质量良好。

（2）确保燃油喷射正常。

（3）关注所使用燃油的品质。

（4）确保气缸压缩温度。

2．日常航行管理

（1）观看排气颜色。

（2）察看各缸排气温度。

（3）测量气缸最高爆发压力。

（4）测取各缸压缩压力，可以判断各缸的压缩状态。

（5）测取各缸示功图。

（6）观看各缸冷却水出口温度。

五、柴油机排气冒烟

1．排气冒白烟

2．排气冒黑烟

1．排气冒蓝烟

1．什么叫后燃？

后燃有何危害？

形成后燃的主要原因有哪些？

2．什么叫滞燃期？

滞燃期有何特点？

滞燃期对燃烧过程有何影响？

3．柴油机运行中如何判断气缸内燃烧质量的好坏？

4．什么叫速燃期？

速燃期有何特点？

5．一个完善的燃烧过程有哪些特点？

6．柴油机不正常的排烟有几种？

各是由哪些原因引起的？

单元五喷油设备

现代船舶柴油机的燃油喷射系统绝大多数采用直接作用机械驱动式（简称直接作用式或直接喷射式），即由喷油泵排出的高压燃油直接作用