第五章燃油喷射与燃烧船舶柴油机目前使用的燃料，主要有轻柴油、重柴油、重油及渣油等四等。它们的自燃点在230～330℃之间，要使其在气缸内着火并燃烧并不是一件很困难的事，但要使燃油的燃烧过程与活塞运动密切配合以获得较高的柴油机动力性及经济性却不是一件很容易的事。要获得较高的经济性和动力性，燃烧过程必须做到及时、完全和平稳，即希望在活塞上止点附近一定的曲柄转角内将喷入气缸内的燃油全部烧完，但又不希望单位曲柄转角内压力升高过大。假设从燃油喷入气缸到燃油在气缸内全部烧完所占的曲柄转角为60°，那么在转速为1000r/min时，相应的时间仅为0.01s。在如此短暂的时间内，要使燃油进入气缸形成极细小的油滴并均匀地分布于燃烧空间、油滴蒸发气化并与新鲜空气混合形成可燃混合气、着火并燃烧等一系列过程顺利实现是十分困难的，这要求燃油雾化、空气运动及燃烧室三者之间的密切配合。柴油机在空气量与燃油量的配合方面，最显著的特征是过量空气系数的变化范围很大。要保证燃油在气缸内完全燃烧必须保证有足够的空气量，一般用过量空气系数表示，即充入气缸的实际空气量与气缸内燃料完全燃烧所需的理论空气量的重量比，一般用符号表示。1kg燃油完全燃烧所需要的理论空气量约为14.3kg。显然，过量空气系数大于1。值小表示气缸工作过程强化程度高，单位气缸工作容积作功能能力大：但气缸热负荷大，排气温度高，对经济性有影响。机型不同，值也不同。通常高速机的值低于低速机；非增压机的值低于增压机；〖四冲程机的值低于二冲程机】。增压低速二冲程柴油机的值最大约为2.02.3。此外，由于油滴在缸内分布极不均匀，缸内局部的值变化更大。在油滴中心其值为零。在远离油滴处其值为无穷大。第一节燃油与燃油添加剂作为影响柴油机燃烧过程要素之一的燃油，对燃烧过程有很大影响。典型的例子是内燃机中针对柴油及汽油而分别发展的汽油机与柴油机两种截然不同的燃烧系统。要全面而深入地了解柴油机的燃烧过程，必须研究燃料。〖另外，随着现代柴油机综合指标的提高，直接从石油中提炼的燃油已难满足要求，必须在燃油中添加一些化学物质，以改善燃油的某些性质。这些化学物质被称为燃油化学处理剂，又称燃油添加剂。2一、石油的成分及组成柴油机燃油大量来自石油产品。石油是一种浓稠液体，按蒸馏后残余物中所含石蜡的多少分为石蜡基、沥青基和混合基。石蜡基石油蒸馏后残余物含石蜡5%以上，沥青基石油蒸馏后残余物中的石蜡少于2%，而混合基石油蒸馏后残余物中的石蜡在2%～5%之间。石油是多种有机化合物组成的极为复杂的混合物，其基本组成元素是碳（按重量计约为83%～87%）和氢（按重量计约占11%～14%）。碳氢化合物简称烃，故石油是烃类的混合物。此外，石油中还有少量氮、氧、硫及金属化合物如钒、钠等有机酸盐类。烃类以其分子所含碳原子的个数来命名：含有：至10个碳原子的烃类，分另以甲、乙
第五章 燃油喷射与燃烧 船舶柴油机目前使用的燃料，主要有轻柴油、重柴油、重油及渣油等四等。它们的自燃 点在 230～330℃之间，要使其在气缸内着火并燃烧并不是一件很困难的事，但要使燃油的 燃烧过程与活塞运动密切配合以获得较高的柴油机动力性及经济性却不是一件很容易的事。 要获得较高的经济性和动力性，燃烧过程必须做到及时、完全和平稳，即希望在活塞上 止点附近一定的曲柄转角内将喷入气缸内的燃油全部烧完，但又不希望单位曲柄转角内压力 升高过大。假设从燃油喷入气缸到燃油在气缸内全部烧完所占的曲柄转角为 60°，那么在 转速为 1000r/min 时，相应的时间仅为 0.01s。在如此短暂的时间内，要使燃油进入气缸形 成极细小的油滴并均匀地分布于燃烧空间、油滴蒸发气化并与新鲜空气混合形成可燃混合 气、着火并燃烧等一系列过程顺利实现是十分困难的，这要求燃油雾化、空气运动及燃烧室 三者之间的密切配合。 柴油机在空气量与燃油量的配合方面，最显著的特征是过量空气系数的变化范围很大。 要保证燃油在气缸内完全燃烧必须保证有足够的空气量，一般用过量空气系数表示，即充入 气缸的实际空气量与气缸内燃料完全燃烧所需的理论空气量的重量比，一般用符号 表示。 1kg 燃油完全燃烧所需要的理论空气量约为 14.3kg。显然，过量空气系数 大于 1。 值小 表示气缸工作过程强化程度高，单位气缸工作容积作功能能力大；但气缸热负荷大，排气温 度高，对经济性有影响。机型不同， 值也不同。通常高速机的 值低于低速机；非增压机 的 值低于增压机；〖四冲程机的 值低于二冲程机〗。增压低速二冲程柴油机的 值最大， 约为 2.0～2.3。此外，由于油滴在缸内分布极不均匀，缸内局部的 值变化更大。在油滴中 心其 值为零。在远离油滴处其 值为无穷大。 第一节 燃油与燃油添加剂 作为影响柴油机燃烧过程要素之一的燃油，对燃烧过程有很大影响。典型的例子是内燃 机中针对柴油及汽油而分别发展的汽油机与柴油机两种截然不同的燃烧系统。要全面而深入 地了解柴油机的燃烧过程，必须研究燃料。 〖 另外，随着现代柴油机综合指标的提高，直接从石油中提炼的燃油已难满足要求，必 须在燃油中添加一些化学物质，以改善燃油的某些性质。这些化学物质被称为燃油化学处理 剂，又称燃油添加剂。〗 一、石油的成分及组成 柴油机燃油大量来自石油产品。石油是一种浓稠液体，按蒸馏后残余物中所含石蜡的多 少分为石蜡基、沥青基和混合基。石蜡基石油蒸馏后残余物含石蜡 5% 以上，沥青基石油 蒸馏后残余物中的石蜡少于 2% ，而混合基石油蒸馏后残余物中的石蜡在 2% ～5% 之间。 石油是多种有机化合物组成的极为复杂的混合物，其基本组成元素是碳（按重量计约为 83% ～87% ）和氢（按重量计约占 11% ～14% ）。碳氢化合物简称烃，故石油是烃类的混 合物。此外，石油中还有少量氮、氧、硫及金属化合物如钒、钠等有机酸盐类。 烃类以其分子所含碳原子的个数来命名：含有：至 10 个碳原子的烃类，分另以甲、乙
内、丁、戊、已、庚、辛、主和癸命名：其碳原子的数目超过10，则以数字命名。烃类按分子中碳原子的排列结构形式不同，又分为脂肪族、环烷族和芳香族。1.脂肪族烃脂肪族烃的分子结构是开链式的，就是它的碳原子以长链状形式排列。根据碳与氢的饱和程度不同，脂肪族烃又分为烧类、烯类及炔类。1）烷类（CnH2n+2）烷类的通式（CnH2n+2），其分子为链状结构，是一种饱和烃。所谓饱和烃就是碳原子的4个键都以单键与其它原子相结合。而所谓不饱和烃则是相邻两个碳原子间有双键或三键相结合。凡碳原子以直链排列的叫正烷，而碳原子呈分支排列的叫异烷。烷烃分子中含碳原子越多，其结构越不紧凑，在低温下还稳定。但超过300℃，有形成有机氧化物的倾向，自燃性较好。较为典型的为正十六烷烃，它被作为柴油自燃性的衡量标准，其分子结构见图5-1。2）烯类（CnH2n）烯类烃是一种非饱和的开链式烃，通式是（CnH2n），开链中有两个碳原子用双链结合。烯烃多存在于用热裂法生产的柴油中，它比烷烃难于自燃，对柴油机的燃烧不利。【它不稳定，在常温下较易分解，储存中易因氧化而变质，影响燃油的稳定性。3）炔类（CnH2n-2）炔类烃的通式是（CnH2n-2），它也是一种非饱和的开链式烃，在碳原子长链中有两个碳原子用三链结合。炔类不存在手石油中，它也是热裂化生产过程中的产物。由于氢不饱和，它很不稳定，在常温下易于分解，储存中易因氧化而变质，影响燃油的稳定性。含炔烃多的石油产品不宜作柴油机燃料。2.环烷族烃环烷族烃的分子结构呈环状，即开链结构两端的碳原子连接起来形成环状。分子呈饱和状态，其通式为（CnH2n）。环烷族烃由于分子呈环状结构，不易分裂，故热稳定性和自行发火的温度均较脂肪族烃为高[直链]。环烷烃和烷烃都是石油的重要组成部分，但环烷烃成分过多的燃油不适合作柴油机燃料
丙、丁、戊、己、庚、辛、壬和癸命名；其碳原子的数目超过 10，则以数字命名。 烃类按分子中碳原子的排列结构形式不同，又分为脂肪族、环烷族和芳香族。 1．脂肪族烃 脂肪族烃的分子结构是开链式的，就是它的碳原子以长链状形式排列。根据碳与氢的饱 和程度不同，脂肪族烃又分为烷类、烯类及炔类。 1）烷类（CnH2n+2） 烷类的通式（CnH2n+2），其分子为链状结构，是一种饱和烃。所谓饱和烃就是碳原子的 4 个 键都以单键与其它原子相结合。而所谓不饱和烃则是相邻两个碳原子间有双键或三键相结 合。凡碳原子以直链排列的叫正烷，而碳原子呈分支排列的叫异烷。烷烃分子中含碳原子越 多，其结构越不紧凑，在低温下还稳定。但超过 300℃，有形成有机氧化物的倾向，自燃性 较好。较为典型的为正十六烷烃，它被作为柴油自燃性的衡量标准，其分子结构见图 5-1。 2）烯类（CnH2n） 烯类烃是一种非饱和的开链式烃，通式是（CnH2n），开链中有两个碳原子用双链结合。 烯烃多存在于用热裂法生产的柴油中，它比烷烃难于自燃，对柴油机的燃烧不利。【它不稳 定，在常温下较易分解，储存中易因氧化而变质，影响燃油的稳定性。】 3）炔类（CnH2n-2） 炔类烃的通式是（CnH2n-2），它也是一种非饱和的开链式烃，在碳原子长链中有两个碳 原子用三链结合。炔类不存在于石油中，它也是热裂化生产过程中的产物。由于氢不饱和， 它很不稳定，在常温下易于分解，储存中易因氧化而变质，影响燃油的稳定性。〖含炔烃多 的石油产品不宜作柴油机燃料。〗 2．环烷族烃 环烷族烃的分子结构呈环状，即开链结构两端的碳原子连接起来形成环状。分子呈饱和 状态，其通式为（CnH2n）。 环烷族烃由于分子呈环状结构，不易分裂，故热稳定性和自行发火的温度均较脂肪族烃 为高[直链]。环烷烃和烷烃都是石油的重要组成部分，但环烷烃成分过多的燃油不适合作柴 油机燃料
3.芳香族烃芳香族烃的分子结构呈苯环状，其通式为（C,H2n-6）。由于芳香族烃的分子结构坚固，热稳定性比脂肪族和环烷族烃均高，故芳香族含量高的石油产品不宜作为柴油机燃料。芳香族烃还有一种名叫萘的苯环结构。α-甲基萘在柴油机的十六烷值试验中被选作标准试料之一，它在高温下不易发火，将其十六烷值定为零。α-甲基萘的分子结构见图5-2。另一标准试料是正十六烷，它易于自行发火，将其十六烷值定为100。柴油自行发火的倾向即以十六烷值表示。α-甲基萘HH H-CH-HH--HH-HH二、燃油的物理化学性质燃油的品质是以其理化性能指标来衡量的，这些指标分别从不同方面反映燃油的品质。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标（十六烷值、苯胺点、柴油指数、馏程、发热值、【密度】和粘度）：影响燃烧产物构成的指标（硫分、灰分、沥青分、残炭值、钒和钠的含量）：影响燃油管理工作的指标（粘度）、密度、闪点、凝点、浊点、倾点、水分、机械杂质和胶质）。1.十六烷值十六烷值是评定燃油自燃性能的指标。在标准四冲程柴油机上，将所试柴油的自燃性同正十六烷与α-甲基萘的混合液的自燃性相比较，当两者相同时，混合液中的正十六烷的容积百分比，即为所试燃料的十六烷值。十六烷值过低，会使燃烧过程粗暴，甚至在起动或低速运转时难以发火：十六烷值过高，易产生高温分解而生成游离碳，致使柴油机的排气冒黑烟。通常高速柴油机使用的燃油十六烷值在40～60之间，中速柴油机在35～50之间，而低速机只要其十六烷值不低于25即可
3．芳香族烃 芳香族烃的分子结构呈苯环状，其通式为（CnH2n-6）。由于芳香族烃的分子结构坚固， 热稳定性比脂肪族和环烷族烃均高，故芳香族含量高的石油产品不宜作为柴油机燃料。 芳香族烃还有一种名叫萘的骈苯环结构。-甲基萘在柴油机的十六烷值试验中被选 作标准试料之一，它在高温下不易发火，将其十六烷值定为零。-甲基萘的分子结构见图 5-2。另一标准试料是正十六烷，它易于自行发火，将其十六烷值定为 100。柴油自行发火 的倾向即以十六烷值表示。 二、燃油的物理化学性质 燃油的品质是以其理化性能指标来衡量的，这些指标分别从不同方面反映燃油的品质。 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标（十六烷值、苯胺 点、柴油指数、馏程、发热值、【密度】和粘度）；影响燃烧产物构成的指标（硫分、灰分、 沥青分、残炭值、钒和钠的含量）；影响燃油管理工作的指标（【粘度】、密度、闪点、凝点、 浊点、倾点、水分、机械杂质和胶质）。 1．十六烷值 十六烷值是评定燃油自燃性能的指标。在标准四冲程柴油机上，将所试柴油的自燃性同 正十六烷与-甲基萘的混合液的自燃性相比较，当两者相同时，混合液中的正十六烷的容积 百分比，即为所试燃料的十六烷值。 十六烷值过低，会使燃烧过程粗暴，甚至在起动或低速运转时难以发火；十六烷值过高， 易产生高温分解而生成游离碳，致使柴油机的排气冒黑烟。通常高速柴油机使用的燃油十六 烷值在 40～60 之间，中速柴油机在 35～50 之间，而低速机只要其十六烷值不低于 25 即可
2.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时的温度。燃油中各族烃类在苯胺中有不同的溶解度，燃油和苯胺愈易溶解，则其苯胺点愈低。根据苯胺点的高低，可以大致判断燃油中各族烃类的含量和十六烷值的高低，也可反映燃油着火性能的好坏。3.柴油指数柴油指数是表示燃油的着火性能与其密度和苯胺点的关系，其计算公式为：(1.8t + 32)(141.5/ d -131.5)D=100式中：t—燃油的苯胺点（℃)：d—燃油比重。柴油指数越大，则苯胺点越高，密度越小，柴油品质越好。柴油指数与十六烷值在数值上相近，一般前者略高几个单位。换算公式为：2十六烷值=3×柴油指数+14。4.馏程馏程就是在某一温度下燃油所能蒸发掉的百分数，它表明了燃油的蒸发性，也表明燃油轻重馏分的组成。轻馏分的蒸发速度比重馏分快，能与空气较快混合，滞燃时间短，燃烧较快。5.粘度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。1）动力粘度当面积各为lcm2并相距1cm的两层液体，以lcm/s的速度作相对运动时，所产生的阻力即为动力粘度。动力粘度的单位是Pa·s动力粘度又称绝对粘度
2．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 液开始混浊时的温度。 燃油中各族烃类在苯胺中有不同的溶解度，燃油和苯胺愈易溶解，则其苯胺点愈低。根 据苯胺点的高低，可以大致判断燃油中各族烃类的含量和十六烷值的高低，也可反映燃油着 火性能的好坏。 3．柴油指数 柴油指数是表示燃油的着火性能与其密度和苯胺点的关系，其计算公式为： 100 (1.8 + 32)(141.5/ −131.5) = t d D 式中：t ——燃油的苯胺点（℃）； d——燃油比重。 柴油指数越大，则苯胺点越高，密度越小，柴油品质越好。柴油指数与十六烷值在数值 上相近，一般前者略高几个单位。换算公式为： 十六烷值= 3 2 ×柴油指数＋14。 4．馏程 馏程就是在某一温度下燃油所能蒸发掉的百分数，它表明了燃油的蒸发性，也表明燃油 轻重馏分的组成。轻馏分的蒸发速度比重馏分快，能与空气较快混合，滞燃时间短，燃烧较 快。 5．粘度 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。 1）动力粘度 当面积各为 lcm2 并相距 1cm 的两层液体，以 lcm/s 的速度作相对运动时，所产生的阻 力即为动力粘度。动力粘度的单位是 Pa·s 动力粘度又称绝对粘度
2）运动粘度在相同温度下，液体的动力粘度与它的密度之比称运动粘度。运动粘度的单位是m2/s；通常在实际中使用厘斯（cSt），也就是10-6m2/s（即lcSt=1mm2/s）。3）条件粘度条件粘度有恩氏粘度、雷氏粘度、塞氏粘度等。（1）恩氏粘度恩氏粘度是试样在某温度从恩氏粘度计流出200ml所需的时间与蒸馏水在20℃流出相同体积所需的时间（s）（即粘度计的水值）之比。温度t时的恩氏粘度，用符号Et表示。恩氏粘度的单位为条件度，用符号E代表。（2）雷氏粘度雷氏粘度是指50cm3的油在规定温度（37.78℃即100°F）下流经标准孔径的雷氏粘度计所需的时间（s）。比较通用的为雷氏一号（Red.No1）粘度。（3）赛氏粘度赛氏粘度是指60cm2的油在规定温度（37.78℃即100°F）下流经标准孔径的赛氏粘度计所需的时间（s）。各粘度值之间的换算关系如下【】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。因此，必须将燃油在喷射系统中的粘度限制在一定的范围内。燃油的粘度与温度有关，图5-3所示为典型船用燃油粘温图。6.热值lkg燃油完全燃烧时所放出的热量称为燃油的热值，其国际单位用kJ/kg表示。其中不计入燃烧产物中水蒸气的汽化潜热者称为低热值Hu，重油的基准低热值Hu=42000kJ/kg，轻油的Hu=42700kJ/kg。7.闪点燃油在规定的条件下，它的蒸气与周围空气形成混合气，当接近火焰发出闪光（微爆）时的最低温度称为闪点。根据测定方法和所使用仪器的不同，又有开口法和闭口法两种闪点。开口闪点要比闭口闪点高20～30%。船用柴油机燃料储存在舱内，一般应用闭口闪点。8.燃点开口法测定闪点时，将燃油加热到闪点温度之后，继续加热燃油的温度。当到某一温度时，其表面蒸汽和空气的混合气引火后产生燃烧，并保持5s不熄灭时的温度，称为燃点，又称着火点
2）运动粘度 在相同温度下，液体的动力粘度与它的密度之比称运动粘度。运动粘度的单位是 m2 /s； 通常在实际中使用厘斯（cSt），也就是 10-6m2 /s（即 lcSt=1mm2 /s）。 3）条件粘度 条件粘度有恩氏粘度、雷氏粘度、塞氏粘度等。 （1）恩氏粘度 恩氏粘度是试样在某温度从恩氏粘度计流出 200ml 所需的时间与蒸馏 水在 20℃流出相同体积所需的时间（s）（即粘度计的水值）之比。温度 t 时的恩氏粘度，用 符号 Et 表示。恩氏粘度的单位为条件度，用符号E 代表。 （2）雷氏粘度 雷氏粘度是指 50cm3 的油在规定温度（37.78℃即 100F）下流经标准 孔径的雷氏粘度计所需的时间（s）。比较通用的为雷氏一号（Red．No1）粘度。 （3）赛氏粘度 赛氏粘度是指 60cm3 的油在规定温度（37.78℃即 100F）下流经标准 孔径的赛氏粘度计所需的时间（s）。 各粘度值之间的换算关系如下：〖.〗 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。因此，必须将燃油在喷射系统中的粘度限制在一定的范围内。燃油的粘 度与温度有关，图 5-3 所示为典型船用燃油粘温图。 6．热值 lkg 燃油完全燃烧时所放出的热量称为燃油的热值，其国际单位用 kJ/kg 表示。其中不 计入燃烧产物中水蒸气的汽化潜热者称为低热值 Hu，重油的基准低热值 Hu=42000kJ/kg，轻 油的 Hu=42700kJ/kg。 7．闪点 燃油在规定的条件下，它的蒸气与周围空气形成混合气，当接近火焰发出闪光（微爆） 时的最低温度称为闪点。根据测定方法和所使用仪器的不同，又有开口法和闭口法两种闪点。 开口闪点要比闭口闪点高 20～30％。船用柴油机燃料储存在舱内，一般应用闭口闪点。 8．燃点 开口法测定闪点时，将燃油加热到闪点温度之后，继续加热燃油的温度。当到某一温度 时，其表面蒸汽和空气的混合气引火后产生燃烧，并保持 5s 不熄灭时的温度，称为燃点， 又称着火点