海船培训课件1.3

船舶动力装置中华人民共和国海船船员适任考试培训教材左春宽孙永明张春来李世臣主编目录一二第一章柴油机及其附属设备的性能评估第二章主柴油机及其附属设备的使用与管理三四第三章船舶主推进动力装置的工况配合及管理第四章电控喷射柴油机五第五章典型液压系统六七第六章制冷与空调系统的操作和维护第七章

船用蒸汽锅炉第一章柴油机及其附属设备的性能评估4节柴油机的进排气性能评3节柴油机的燃油喷射与雾化性能评估2节柴油机的起动状态评估1节柴油机的燃烧状况分析与评估第四节柴油机的燃油喷射和雾化性能评估一、柴油机喷射系统的类型、组成和特点在柴油机中，燃油必须在压缩行程末期通过喷油器喷入气缸，经雾化、蒸发与空气混合成可燃混合气，才能发火燃烧。可燃混合气的质量是燃油燃烧的重要因素。1.对喷油设备的要求三定：定时、定质、定量。⑴定时喷射要求喷有时间能够使得循环的最大燃烧压力在上止点后10°～15°曲轴转角内达到。喷油提前角的大小应根据机型和转速不同而定。⑵定量喷射应保证在一定的负荷下,精确的供给气缸所需要的燃油量,并随负荷的变化供油量能够进行相应的调节,使柴油机发出的功率与负荷相平衡。多缸柴油机中,还应保证各缸喷油量均匀,使各缸发出的功率相等,防止一些气缸由于供油多而发生过热和超负荷现象。

⑶定质喷射燃油喷射系统必须提供足够的供油压力,以保证良好的雾化与燃烧，油束能与燃烧室匹配，与空气混合均匀。喷油设备还应无二次喷射和断续喷射等不正常喷射现象、无泄漏。2、燃油喷射系统的要求柱塞泵式（Bosch）组成:高压喷油泵、喷油器和高压油管。喷油泵为高压柱塞泵，可使燃油产生60～150MPa的高压。柱塞下行时为吸油行程，柱塞上行时为泵油行程。喷油器属于液压启阀式(又称闭式)。

四、喷油泵结构和工作原理

喷油泵是喷射系统的核心部件。它的作用除了产生喷射高压外，还有对供油量的定时与定量。其定时供油由凸轮轴上的凸轮安装位置控制；喷油泵的定量供油取决于柱塞上行时有效供油行程的大小。回油孔式喷油泵基本结构图1-柱塞；2-套筒；3-出油阀；R-齿条；S-齿圈；B-回油孔；a-直槽；b-斜槽；c-环形槽；d-横销

此种油量调节原理可有三种调节方案：始点调节（调节供油始点而终点不变）；终点调节（供油始点不变而供油终点可调）；始终点调节（始终点均可调节）。柱塞式喷油泵的基本组成部分有柱塞与套筒（柱塞偶件）、凸轮与滚轮、进油阀和出油阀以及调节机构等。终点调节式始点调节式始终点调节式S泵-喷油器式喷射系统

喷油泵与喷油器为一体，无高压油管，排除了高压油管对喷射过程的不良影响;用于顶置式凸轮轴的小型高速柴油机中。主要特点：

使燃料的实际开始喷射时间更精确地符合理论开始喷射时间。

电控式喷射系统是一种蓄压式喷射系统。利用多种电子传感器监测柴油机在各种工况下的运行参数,并把这些参数送入微处理机中，进行分析后按最佳方案进行喷油。优点:提高所有运转工况的经济性；改善柴油机的低速运转性能；提高对不同燃油品质的使用能力等。3、喷射过程（1）喷射过程的三个阶段①喷射延迟阶段I②主要喷射阶段II③尾喷阶段III①喷射延迟阶段（几何供油点Oh——喷油始点Ou）供油提前角：喷油泵开始供油时，对应的曲柄离上死点的转角；喷油提前角：喷油器开始喷油时，对应的曲柄离上死点的转角；（注：能够检查和调整的是供油提前角；对燃烧时刻产生影响的是喷油提前角）。产生喷射延迟的原因：

a.燃油具有可压缩性；

b.高压油管具有弹性；

c.高压系统存在节流作用；②主要喷射阶段起始点：从喷油始点开始→供油终点，即柱塞斜槽打开回油孔。特点：1）喷油器中的压力较高，大部分燃油在此阶段喷入气缸；2）压力在不断增高下喷入气缸，其雾化效果较理想。2）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尾喷阶段起始点：

从供油终点到针阀落座，喷油终点。特征：喷油泵回油孔刚打开时，因回油孔的节流作用及燃油、高压油管波的传递，使得喷油器中的压力下降较为迟缓，针阀仍保持开启。燃油在不断下降的压力作用下喷入气缸，燃油雾化不良，甚至产生滴漏现象。要求：使针阀断油迅速，将此阶段缩短到最小限度。（2）喷射过程的压力波产生原因：供油时，由于高压油管内瞬间高压，燃油流动的惯性和高压油管的弹性，造成高压油管中出现压力波。危害：可能引起喷油器的异常喷射；可能造成喷油元件损坏。4.供油规律和喷油规律（1）几何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。供油规律概念：喷油泵单位凸轮转角的供油量随凸轮轴转角（或时间t）的变化规律。由柱塞直径和凸轮型线的运动规律决定。喷油规律概念：喷油器单位凸轮转角的喷油量随凸轮轴转角（或时间t）的变化规律。由喷油系统几何参数和燃油液力特性决定。供油规律、喷油规律间关系：喷油规律受供油规律影响，喷油始点迟于供油始点，喷油持续时间大于供油持续时间，喷油速率的峰值小于供油速率的峰值喷油规律曲线作用：（1）分析判断喷油始点、终点和喷油持续角是否合适；（2）分析判断有无二次喷射、断续喷射等不正常喷射现象；（3）分析判断喷油规律是否符合理想的燃烧过程和放热规律的要求（2）喷油规律影响因素1）凸轮形线和有效工作段2）柱塞的直径D与喷孔直径d3）高压油管尺寸4）柴油机负荷与转速5）喷油定时1）凸轮形线和有效工作段凸轮外形越陡，油压上升越快，供油速度越大，喷油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，以减小喷油持续角，提高雾化质量。2）柱塞的直径D与喷孔直径d在不改变柱塞行程时，增大柱塞直径供油量大，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（如堵塞）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）高压油管尺寸油管长度↑→压缩体积↑→喷射延迟角↑→实际喷油提前角↓。若各缸高压油管长度不同，则各缸喷油规律会不同。为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。油管内径↓→燃油流动阻力↑→喷油延迟角↑→喷油提前角↓。4）柴油机负荷与转速当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延后，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时，随着转速增加，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。实际喷油提前角变小。柴油机转速与负荷不变时，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向后推移。5）喷油定时5、异常喷射及其消除方法异常喷射的根本原因：高压系统中的压力波动现象。常见的异常喷射有：

1.二次喷射(重复喷射）

2.断续喷射

3.不稳定喷射和隔次喷射

4.滴漏喷油器的调整参数1）喷油器针阀开启油压力p0p0·π·（

dn2－ds2）/4≥F当油压力升至p0≥4F/π（

dn2－ds2）时阀开始上升。针阀抬起后油压作用面积增大，升阀力为：p0·π·dn2/4﹥﹥F，阀迅速抬起。2）喷油器针阀关闭油压力ps当油压力降至ps≤4F/π·

dn2时，阀开式下落。可知：p0﹥ps

。但关闭压力过低会影响雾化质量，关闭压力ps应尽可能接近较高p0。3）p0的大小决定喷雾质量，由弹簧预紧力F的大小决定。1、重复喷射（二次喷射）

使喷油持续角变大，由于后期在低压下喷油，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，降低了柴油机的经济性和可靠性。1）定义供油结束喷油器针阀落座后又重新被抬起的喷射现象称为～（二次喷射）。2）何时易发生？在柴油机高转速大负荷的工况下最易产生。3）原因：内因：压力波动过大，剩余压力p0与启阀压力pφ过于接近；外因：喷油器喷孔部分堵塞，p0过高；排油阀卸载容积不足p0

过高；换用了内径和长度较大或刚性较小的高压油管p0

过高，压力波动过大；喷油器启阀压力较低。4）危害：2．断续喷射（波动喷油）1）定义：在喷油泵的一次供油期间，喷油器针阀断续启闭（频繁地起落），而且升起不足、喷射不力，这种现象称为断续喷射。2）何时易发生？此现象多发生在柴油机低负荷、低转速工况。3）原因：喷油泵的供油量小于喷油器的喷油量。4）危害：针阀撞击次数增多、磨损加大、寿命降低。3、不稳定喷射和隔次喷射1）定义（原因）：指喷油泵虽能持续工作，但各循环喷油量在喷射时不断变动的情况。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。2）何时发生？此现象多发生在柴油机低负荷运转或喷油设备偶件过度磨损时发生。3）危害：转速不稳或自动停车。4、滴漏1）原因：喷油器针阀关闭时，针阀弹簧力不足或高压油管压力下降过慢，使针阀落座关闭过慢造成。2）危害：燃油流出速度和压力很低，雾化差，在喷孔处积炭，堵塞喷孔。最低稳定转速1、定义：柴油机各缸能够均匀发火的最低转速；2、要求：低速机≯30%nb；中速机≯40％nb

；高速机≯45％nb

最低稳定转速低，表明各缸喷油量均匀，性能好。二、燃油的喷射和雾化状况分析1）、油束的形成与特性（1）喷雾质量的几何参数a）油束的射程L：L应与燃烧室相匹配。b）油束的锥角β：

β表示油束的紧密程度，β大雾化质量好。2）评定雾化质量的指标a）油滴平均直径d：d小，质量好。b）雾化均匀度X0：最大直径与平均直径之差。X0小，质量好。（2）影响油束特性的因素1）喷油压力：压力大，雾化细度小，L和β都增大。2）喷孔构造：喷孔的直径及喷孔孔数，直径小，L小，β大，雾化细度小。应与燃烧室配合好。使用时若喷孔磨损或堵塞不利。3）燃油的粘度和密度：粘度大，雾化质量差，高粘度油需加热。4）喷射背压：背压大，L小，β大，雾化细度小。

HC化合物燃料完全燃烧时,只产生CO2、H2O,没有其它有害产物。由于可燃混合气在燃烧前和燃烧中的极短时间完成的,混合气不均匀程度较严重。在高温富氧环境下易生成NOx，在高温缺氧环境下不完全燃烧生成CO和炭烟粒子,

在低温及混合气过稀条件下易生成HC。燃油中的硫燃烧生成SO2

及SO3

。三、减少Sox和Nox排放的缸内处理方法影响氮氧化物(NOx)生成的主要因素是柴油机气缸中的燃烧过程。降低氮氧化物(NOx)排放的方法主要是机内处理和机后净化。机内处理的关键是有效的控制燃烧过程；

机后处理不会影响柴油机的热效率，但船舶初造价提高和船员维护管理工作增加。SOx排放物的多少主要是由燃油中的硫分所决定的，降低燃料含硫量是减少废气中氧化硫产物的唯一有效方法。脱硫处理后，燃料的价格也会上升，燃料费用增加。另外一种除去废气中氧化硫的方法是水洗。在船上装设庞大的氧化硫处理设备，不论从经济角度还是从环保角度都存在一定的问题。

柴油机排放物控制的重点：NOx与颗粒，其次是SOx。

研究表明，有效地控制柴油机有害物的排放，必须从柴油机的燃烧过程的改进、排气后处理以及改善燃油品质入手。有害排放的控制措施：机内处理机后处理机前处理催化转化SCR废气再循环蒸汽喷射进气加湿直接喷水高压喷射喷油器改进稀薄燃烧推迟喷油燃油乳化LNG醇类燃料代用燃料改进燃烧加水处理改进循环1、燃烧过程的改进1)高压喷射喷射高压和短喷油持续期,改善雾化质量,加大喷油速率,卷入油束空气量增加,燃油与空气混合和燃烧速度加快,颗粒排放降低。2）推迟喷射增大喷油提前角，发火前喷入气缸的燃油量多，爆燃严重，最高燃烧温度较高，NOX的生成量较多；反之，NOX的生成量较少。因此，推迟喷射可减小缸内NOX的生成量。3)电控喷射及引导喷射实现高压喷射和引导喷射,根据工况变化对喷油规律最优控制，既保证柴油机性能又抑制NOx与颗粒。4)喷油器结构的改进不同的喷油器型式和结构对NOx形成有着重大的影响。现代柴油机平均有效压力的提高要求增加喷油器的流通面积，导致喷油器压力室的容积增加，喷油结束时残存在压力室中的燃油会滴入燃烧室不完全燃烧，则形成碳烟、HC、增大NOx排放并在燃烧室形成沉积。解决这一问题的措施是开发一种“小压力室（mini-sac）”的喷油器，如MANB&W的“小压力室”喷油器的压力室只有正常压力室的15%，而最新开发的滑动型喷油器则基本消除了压力室，采用这种喷油器，可以减少NOX、CO、HC和碳烟并能大大减轻燃烧室的沉积。5)新型燃烧方式“两阶段燃烧系统”和“稀薄燃烧系统”等。尚未实用。6)排气再循环(EGR)EGR是使部分排气再次进入气缸进行循环，一般可使约10%～20%的废气再次进入发动机气缸。采用EGR后，由于进气中氧浓度降低和热容量的增加，可获得较低的燃烧速度从而降低Nox生成（降低30％～40％）。2．加水处理加水处理的原理是通过采取措施使一定量的水进入气缸，由于水的汽化潜热很高，可以在燃烧过程吸收大量的热量，从而降低最高燃烧温度，减少NOx排放量。

（1）燃油乳化是将燃油掺水形成乳化油在柴油机中进行燃烧，当向柴油机喷入乳化油时，乳化油中的水被蒸发，使燃烧温度峰值下降，能较大幅度地减少NOX排放。在一般情况下增加一个百分点的水将减少一个百分点的NOX，通常乳化油中含有10%的水，可使NOX下降6％～12％，标准设计的发动机可以满负荷时加入20%的水，此时燃油消耗率几乎没有变化。当水含量再增加时，燃油消耗量会稍有增加。燃油乳化可降低NOX排放30～50％。使用乳化油还可以改善发动机的排烟，尤其在低负荷时更为明显。加水的方式主要有以下几种：（2）进气加湿是将水以高压水雾的形式，在压气机后喷入增压空气中的。为防止水雾凝结，有时要通过加热提高增压空气的温度，加热是利用空气冷却器来完成的。这种方法可使NOx排放减少50－60％而不会提高燃油消耗率。同时还可以降低主机的热负荷并改善缸套清洁条件。进气加湿系统结构简单，成本低和不增加燃油消耗率；但对所喷水的质量要求比较高。（3）直接喷水（DWI）

DWI技术采用双喷嘴油头，一个喷油，一个喷水。水在燃油喷射之前喷入缸，可以降低燃烧室温度从而降低NOx。在喷水结束之后开始喷油，对燃油的着火和燃烧过程不会造成影响。油、水两个系统是相互独立的。该方法可降低NOX排放50～60％。随着