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1、,第二節(jié) 燃油的噴射和霧化 液體燃油是不能直接燃燒的，只有當其蒸發(fā)成油氣并與空氣混合成可燃混合氣后才能燃燒。在柴油機中，燃油由噴油泵經噴油器在壓縮行程末期噴入氣缸，經霧化、蒸發(fā)并與高溫空氣混合成可燃混合氣，才能發(fā)火燃燒。研究表明，可燃混合氣的形成質量是影響燃油燃燒的重要因素，受到燃油噴射、空氣渦流和缸內熱工狀態(tài)的影響。 一、燃油噴射系統(tǒng) 1、燃油噴射系統(tǒng)的類型及要求 （1）急壓和定壓噴射系統(tǒng) 急壓噴射系統(tǒng)又稱直接作用式或柱塞泵式噴射系統(tǒng)，其構造比較簡單，但在低轉速、低負荷下噴油質量和各缸供油均勻性較差； 定壓噴射系統(tǒng)又稱間接作用式或蓄壓式或共管式或共軌式系統(tǒng)，其優(yōu)缺點與急壓系統(tǒng)相反。,,（2）

2、按有無VIT分有調噴器和無調噴器系統(tǒng)。 柴油機噴油正時的調節(jié)是通過“噴油提前角調節(jié)器（VIT機構）”來實現(xiàn)的，稱有調噴器系統(tǒng)。 （3）按系統(tǒng)的油量調節(jié)方式分噴油泵控制式和噴油器控制式；按噴油泵油量調節(jié)方式分閥控制式和柱塞控制式系統(tǒng)。 近年來出現(xiàn)的電子噴射系統(tǒng)是對噴油器進行電子控制（RT-flex）或對噴油泵進行電子控制（MEC），以實現(xiàn)燃油正時、定量調節(jié)，前者屬于定壓式（蓄壓式）噴油系統(tǒng)，后者仍為直接噴射式。 直接作用式噴射系統(tǒng)：泵控制式、泵-噴油器式、分級噴射式、分配式； 間接作用噴射系統(tǒng)：液壓伺服系統(tǒng)、高壓泵系統(tǒng)、電子噴射系統(tǒng)。,,根據(jù)柴油機的工作特點，對噴射系統(tǒng)有如下要求： （1）噴射時

3、間（定時）：在整個負荷和轉速范圍內，應具有最佳的噴射定時，包括最佳的噴油提前角及噴油持續(xù)角。且應能進行總調和單調。 （2）循環(huán)噴油量（定量）：循環(huán)噴油量應根據(jù)柴油機的負荷變化及時準確地相應變化（總調）；在柴油機負荷不變時，各缸循環(huán)噴油量應保持均等（即可單調）。 （3）噴射質量（定質）：噴油壓力應足夠高以保證良好的燃油霧化質量，以及能與燃燒室形狀、空氣運動相匹配，以利于可燃混合氣形成。另外還應有最適宜的噴油規(guī)律以滿足燃燒過程的要求。 此外，還要求噴射系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，無泄漏，便于管理等。,,2、幾種主要噴射系統(tǒng) （1）柱塞泵式噴射系統(tǒng) 現(xiàn)代船用柴油機最基本的噴射系統(tǒng) （2）泵-噴油器式噴射系統(tǒng)

4、又稱泵噴嘴式，取消高壓油管，噴油泵和噴油器結合為一體，采用頂置凸輪控制。 優(yōu)點：減小柱塞與噴油孔之間高壓燃油容積，基本上消除了由于燃油的可壓縮性和高壓油管的彈性在噴射過程中所引起的壓力波動，使噴油泵的供油正時與噴油器的噴油正時更接近，消除二次噴射。 應用：高速小型柴油機。,,（3）蓄壓式噴射系統(tǒng) 系統(tǒng)由普通的噴油泵、高壓油管和蓄壓式噴油器組成。噴油泵經高壓油管向噴油器供油時，高壓燃油將單向止回閥壓下，燃油儲存在蓄壓室內。噴油泵供油結束時，高壓油管壓力下降，單向閥復位。同時，在蓄壓室的燃油壓力作用下，針閥上升，噴射開始。當蓄壓室燃油壓力降低到針閥關閉壓力時，針閥落座，噴射結束。這樣，柴油機在低速

5、時仍能保持較高的噴射壓力和較短的噴射持續(xù)期。,,這種噴射系統(tǒng)的噴油設備有多種形式，但其共同特點是在噴射過程發(fā)生之前，實現(xiàn)噴射能量的積蓄。由噴油泵產生的高壓燃油不直接作用在噴油器上，而是預先貯存在一個高壓蓄壓器中保持恒定高壓，噴油器的啟閉可由其他控制單元控制。優(yōu)點：噴射壓力高，噴射持續(xù)期短；噴射壓力波動小，有利于消除壓力波動對噴射的不利影響；柴油機的噴射壓力與柴油機轉速無關，在低速運轉時，仍能保持較高的噴射壓力和較短的噴射持續(xù)期。 （4）電控噴射系統(tǒng) 電子控制噴射的本質：控制燃油噴射始點、噴射持續(xù)時間和噴射壓力，以實現(xiàn)爆壓的合理控制，降低油耗和有害排放量，改善起動、換向、加速和怠速性能；適應燃用

6、多種重質燃料和不同環(huán)境的需要。電控噴射的核心：微處理機。轉速和轉角作為輸入信號，手控或溫度和壓力作為附加輸入信號；輸出信號用以自動修正噴射正時與噴油壓力，以實現(xiàn)在變工況、變使用條件下的最佳運轉。,,電子噴射系統(tǒng)的主要優(yōu)點： （1）優(yōu)化燃燒質量：在調節(jié)噴油正時的同時，也改變噴射壓力，并使噴射壓力在高負荷時比傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)顯著降低，在低負荷時則顯著升高，確保燃油有效霧化和燃燒，燃油消耗率降低，也降低排放。 （2）可實現(xiàn)預噴、主噴、后噴，噴油器可實現(xiàn)按不同負荷投入工作（全部、單獨或輪流），使燃燒室內熱負荷均勻。 （3）適用多種燃油 通過控制裝置輸入一個簡單信號，對不同品質的燃油給出不同的噴射始點和噴射

7、壓力特性，使燃油燃燒時有較好的放熱規(guī)律，以利于降低油耗和減輕磨損。 （4）適應不同環(huán)境溫度 用電子控制噴射始點，可通過提高爆壓來修正環(huán)境溫度的不利影響，使柴油機適應不同環(huán)境溫度的能力提高；,,（5）轉速微調化 控制裝置把電子信號直接傳輸?shù)诫娨候寗訃娪推髦校罐D速調節(jié)迅速而準確。電控噴射可以使柴油機的最低穩(wěn)定轉速降至標定轉速的1/6。相應的最低運轉轉速隨之降低，有利船舶以微速順利通過困難航道。 （6）操縱靈敏化 該裝置主要是控制氣缸起動閥和噴油器的動作，起動、停車、正車或倒車均由操縱機構的位置來確定，可取消機械式起動、換向機構。用操縱桿將名義轉向和轉速輸入柴油機，各種動作指令脈沖一觸發(fā)，實際的運

8、轉程序便可自動進行。,,Electronically Controlled Engines The ME engine with fully integrated control of （1）Fuel injection timing and pressure profile 噴油正時和噴油壓力控制 （2）Exhaust valve actuation 排氣閥液壓伺服器控制 （3）Starting air valves 主起動閥控制 （4）Start and Reversing sequences 起動和換向程序控制 （5）Governor function 電子調速器,From MC-C t

9、o ME-CThe Mechanical Differences,,ME System,The system provides:Pressure, timing, rate shaping, main, pre- （9.8） 燃油中含硫量S%4.5%(m/m)，特殊保護區(qū)域（波羅地海）1.5%，排放率小于6g/KWh.,,一、柴油機排氣污染物及其危害 1、廢氣中有害成分： 無害成分：CO2（溫室氣體）、H2O、過量空氣及N2； 有害成分：氣態(tài)排放物（CO、NOx、HC、SOx）和微粒物質PM（炭煙、油霧等） 一次污染物：上述由柴油機直接排出的污染物； 二次污染物： 一次污染物NOx、HC排入大

10、氣后經光化學反應等化學變化生成的新污染物，如：光化學煙霧中的臭氧O3、過氧?；跛猁}（PAN）等。 有些污染物，如NO2、醛，既可在柴油機排氣中找到，也可由光化學反應產生，因此既可歸入一次污染物，也可作為二次污染物看待。 我國有關標準中把廢氣中有害成分及CO2和炭煙等統(tǒng)稱為排放物，簡稱排放。,,2、柴油機排放物的危害 1）微粒物質：主要有黑煙、藍煙和白煙。 “微粒”一詞被定義為除純水以外，單個顆粒直徑大于0.002m的任何固態(tài)或液態(tài)微顆粒或亞微顆粒。柴油機排氣中所含微粒物質主要由碳、碳氫化合物、鉛化物和含金屬元素的灰分等組成。含金屬元素的微粒主要來自燃油和潤滑油的添加劑以及運動件摩擦所產生的磨

11、屑等。以未燃燃油和潤滑油為主的液態(tài)顆粒，常在冷起動時在排氣管內凝聚，當直徑較大時表現(xiàn)為白煙，直徑較小時為藍煙；柴油機排出的固態(tài)微粒主要成分為碳，常稱為碳煙或碳粒，表現(xiàn)為黑煙。 PM對人類健康的危害性與微粒大小及其組成有關。微粒越小，停滯于人體肺部、支氣管的比例越大，對人體的危害越大，其中直徑小于0.1m的微粒對人類健康危害最大，0.11m的微粒對能見度危害最大。例如，直徑小于0.1m的微粒在空氣中做隨機運動，它可以通過呼吸器官達到肺部并附在肺細胞組織中，某些還會被血液吸收。,,直徑介于0.11m的微粒有兼做隨機運動和沉降運動的特點，它能經呼吸道深入肺葉并粘附在肺葉表面的粘液中，隨后在幾小時內被

12、絨毛所清除。 較大的微粒（ 大于0.5m）不能深入呼吸道，常到鼻、喉處被阻住。柴油機排氣微粒粒徑分布的峰值通常在0.1m左右，處于能在大氣中長期懸浮的尺寸范圍內，對人體健康造成很大威脅。柴油機的微粒排放量比汽油機高的多，約高出3050倍。 碳煙（黑煙）是燃油不完全燃燒生成的炭煙，主要由直徑為1.110 m的多孔性碳粒構成，并在其表面凝結或吸附含氫成分-未燃烴和SO2，其影響視線，對人的呼吸系統(tǒng)產生危害，吸附SO2和多環(huán)芳香烴時有致癌危險。 含氫成分大多可用有機熔劑萃取，稱可溶性有機物，萃取后剩下的碳煙稱干碳煙。我國用煙度計量炭煙。 藍煙和白煙發(fā)生于柴油機起動和低負荷運轉之時，為燃油或滑油微粒，

13、但粒度不同；藍煙粒徑在0.5m以下，而白煙粒徑在1 m以上，它們排出時由于燃燒中間生成物（如甲醛等）排出，有刺激性與臭味。,,2）NOx：NO和NO2。 高濃度的NO能造成人體和動物中樞神經系統(tǒng)障礙，NO2為棕色刺激性劇毒氣體，吸入人體后與血蛋白作用成為變性血紅蛋白，使血液輸氧能力下降。人在100-150ppmNO2環(huán)境中0.5-1h,就會因肺氣腫而死亡。 在光化學反應 產生臭氧、醛和PAN（過氧化?；跛猁}）等，臭氧具有極強的氧化力，使植物變黑，橡膠發(fā)裂，人體肺氣腫，而醛對眼睛、上呼吸道、中樞神經有危害。PAN的毒性介于NO和NO2之間。 3）HC： 其中所含的醛類和多環(huán)芳香烴（3、4苯并芘

14、等）為致癌物質，HC是光化學煙霧的重要物質，在陽光下與NOx進行化學反應生成較毒的淺藍色光化學煙霧，其生成的O3對人體和生物有害。,,4）CO：無色無味有毒氣體，在低負荷和滿負荷時排出較多。吸入后能與血紅蛋白結合成碳氧血紅蛋白，導致人體組織缺氧，發(fā)生惡心、頭暈，嚴重時窒息死亡。 5）SO2：具有刺激性，直接危害人的眼鼻和喉粘膜，引起呼吸器官炎癥。SO3與水分作用生成硫酸形成酸雨，影響生態(tài)平衡。 6）臭氣：由O3、NO2及不完全燃燒產物（甲醛、丙烯醛等）組成。 二、柴油機排氣污染物生成機理及控制 1、排氣污染物生成機理 柴油機燃料中一般含氮量不到0.02%，排氣中的NOx主要是空氣中的氮在高溫下

15、氧化而成，可用Zeldovich機理說明。,,,1）NOx：O+N2NO +N（1） N+O2 NO+O（2） N+OH NO+H（3） 氧原子是氧氣在高溫分解時產生的，氧原子的存在誘發(fā)NO生成的連鎖反應。真?zhèn)€連鎖反應過程中，式（1）起決定作用，因此氧原子濃度及反應溫度對NO生成最為重要。 NO生成還與反應時間有關。如果燃氣在富氧和高溫條件下停留時間長， NO的生成量必然增加。 隨著膨脹沖程缸內溫度下降， NO生成率也迅速下降。但因逆反應速率低， NO不能很快達到相應的平衡濃度，因此其排放濃度大大高于平衡濃度。 溫度、氧濃度、高溫下停留時間是NO生成的三大要素。 在柴油機中，預

16、混合燃燒速度很快，又發(fā)生在上止點附近，有最長的焰后反應時間和最高的氣體溫度，對NO生成極為有利。擴散燃燒速率受混合速率或燃油氣化速率限制，又發(fā)生在上止點后，活塞已下行，不論氣體溫度還是焰后反應時間均不如預混合火焰。柴油機中的NO生成量與參加預混合燃燒的燃油比例有很大關系。,,參與預混合燃燒的燃油量多， NO生成量越多。直噴式燃燒室生成的NO濃度明顯大于分開式燃燒室。 2）HC：未燃燃油、分解的燃油分子或燃油燃燒的中間產物（醛、醇）組成，少部分產生于滑油。是由混合氣形成條件和燃燒不良所引起的燃油不完全燃燒形成的（如噴油設備工作不正常，噴油器結構不合理）。 3）SO2：燃油中硫分的燃燒產物。 4）

17、CO：燃油不完全燃燒的產物，主要是在缺氧或低溫度下形成的。柴油機過量空氣系數(shù)大，在預混合燃燒中產生的CO可在擴散燃燒中進一步氧化成CO2。所以柴油機中的CO比汽油機少。,,5）微粒物質： 黑煙由炭粒子構成，主要成分是碳元素，排氣中的黑煙是燃油在燃燒過程中經歷一系列物理化學變化后形成的。一般認為是燃油在高溫缺氧熱裂成炭煙核心，此炭煙核心經歷表面增長的凝聚過程最后形成炭煙粒子。 白煙是未經燃燒的燃油和滑油以液滴狀態(tài)組成，直徑在1m以上，多在低負荷及低溫起動時出現(xiàn)，因此時缸內溫度較低，燃燒不好。 藍煙是燃燒不完全的燃油和滑油凝結呈微粒狀態(tài)而形成，其微粒直徑在0.5 m以下，在藍色光折射成藍煙。多在低

18、負荷運轉時產生，因缸內溫度較低，燃燒不好。,,2、排氣污染物的凈化措施 1）前處理：脫硫、減少芳香烴含量、精細過濾、乳化、磁化、采用添加劑、進氣噴水、廢氣再循環(huán)（EGR）。 2）后處理：炭煙等微粒后處理（水洗滌、靜電除塵、微粒過濾），催化處理技術（使用氧化催化劑和還原劑使NOx還原（SCR）為N2，CO氧化為CO2、HC氧化為H2O和CO2）。 3）機內處理 （1）推遲噴油并適當提高噴油速率。減小噴油提前角使燃燒溫度降低，縮短氮、氧高溫停留時間，可抑制NO生成，但排氣中黑煙及HC增加，經濟性、動力性降低，適當提高噴油速率可使噴油終點大致不變。 （2）研制和使用低污染燃燒室。分開式燃燒室因副室最

19、高溫度低、主室存在強烈氣體渦流，使NOx、HC、炭煙等排量均較低，但經濟性較差。,,（3）增壓中冷。 （4）提高噴射質量，保證良好混合。采用高壓多孔噴射（100140MPa，目前已達18MPa）；采用二級噴射以控制預混燃燒。 （5）采用可變控制機構和微機進行最佳控制（噴油正式、氣閥正時、噴油速率、EGR、可變掃氣口、可變渦輪噴咀截面等）。 （6）采用共軌噴射系統(tǒng)、采用電子噴射系統(tǒng)。 （7）采用廢氣再燃技術（在廢氣鍋爐或燃油鍋爐）。,,第六節(jié) 噴油設備 一、噴油泵 海船上采用柱塞式泵。其作用除了產生噴射高壓外，還有對供油的定時與定量。其定時供油凸輪軸上的凸輪安裝位置控制，凸輪軸與柴油機曲軸的傳動

20、相位確定整機各噴油泵的供油定時。噴油泵的定量供油取決于柱塞上行時有效供油行程的大小。油量調節(jié)有三種方式： 始點調節(jié)式、終點調節(jié)式、始終點調節(jié)式。,,1、回油孔調節(jié)式噴油泵 1）結構特點 主要部件：柱塞和套筒、油量調節(jié)機構（齒條S和齒套R） 出油閥等。 柱塞上有直槽（停油）、斜槽（調油）、環(huán)槽（卸油）； 套筒上有進油孔、回油孔（B）； 柱塞通過橫銷套在齒套中。,,2）工作原理 柱塞上行當進回油孔被關閉時，為幾何供油始點，當油壓上升至大于出油閥彈簧力與高壓油管剩余壓力之和時，為實際供油始點。當斜槽打開回油孔時，為幾何供油終點。 從供油始點到供油終點的供油行程為柱塞的有效行程。 油量調節(jié)（柱塞斜槽）

21、 終點調節(jié)式：斜槽在下， 始點調節(jié)式：斜槽在上， 始終點調節(jié)式：上下斜槽,,,,混合調節(jié)： MAN B(5)檢查回油閥千分表=0.8mm以上，則零位正確；否則調節(jié)進、回油閥桿調節(jié)螺釘。,,（2）供油均勻性檢查與調整：燃油手柄置于標定油門時，測量并保證各泵柱塞的有效行程相等并符合說明書規(guī)定。 回油孔式齒條刻度相應表示柱塞有效行程的大小，當燃油手柄置于標定位置，檢查并調整各泵齒條刻度使之與說明書規(guī)定值相等。對于中小型使用組合式噴油泵者，應在油泵試驗臺上測定各泵連續(xù)泵油規(guī)定次數(shù)（100）時在專用計量筒中的累計供油量，然后進行調整。 回油閥式按說明書規(guī)定，以測定各泵柱塞的有效行程來檢查供油均勻性。,,

22、（1）按零位檢查的步驟1-3在進、回油閥、柱塞上安裝千分表并調零。（2）正向盤車，當進油閥千分表=0.02mm時為供油始點,停止盤車,此時柱塞上千分表讀數(shù)S1為無效行程;(3)繼續(xù)盤車至回油閥上千分表=0.02mm時為供油終點,停止盤車,柱塞上千分表讀數(shù)S2;(4)柱塞有效行程Se=S2-S1。 各缸有效行程誤差應小于0.2mm,才能保證各缸供油均勻。Se不合適，可調節(jié)進、回油閥桿調節(jié)螺釘。,,2、噴油器的檢查與調整 1）啟閥壓力的檢查與調整：試驗臺上先對泵密封性進行檢查，關出口閥泵油至啟閥壓力以上（20-35MPa），油壓緩慢降落；裝上噴油器并放空氣，緩慢泵油，觀察開始噴油時的壓力。啟閥壓力取決于針閥彈簧預緊力，過低將造成霧化不良、二次噴射、噴油提前；過高則使噴油延遲、燃燒不良。 2）密封性檢查：泵油至低于啟閥壓力，停止泵油手柄按住，觀察油壓降落速度-主要是柱面密封，錐面密封看霧化頭是否有滴漏。 3）霧化質量檢查：快速泵油，觀察油束形狀、數(shù)目、油滴細度和分布，注意查看啟閥壓力前和噴射之后噴孔處是否滴漏。 針閥偶件研磨：專用研磨膏+機油或用牙膏；噴孔堵塞：浸泡煤油或柴油后用探針疏通。,