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第三章 燃油喷射与燃烧 117
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（ＣnＨ2n+2）、烯烃（ＣnＨ2n）和炔烃（ＣnＨ2n-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ＣnＨ2n，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ＣnＨ2n-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（Ｃ6Ｈ6），两个苯核并在一起（骈苯环）称萘（Ｃ10Ｈ8）。一甲基萘又叫α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α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45～60之间；中低速柴油机在40～50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.＝（1.8ｔ＋32）（141.5／d－131.5）×1／100
式中：d—燃油比重（温度为60°F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＋14
4．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Hu＝42,000 kJ/kg；轻油的基准低热值Hu＝42,700 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/cm·s（泊），国际单位制为Pa·s（帕·秒），1 Pa·s=10 g/cm·s。
（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mm２/s。通常在实际中使用厘斯（cSt——工程单位)，1 cSt=10－6m2／s=1 mm２/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　℃（100°F）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℃（100°F）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（mm２/s）
雷氏粘度（s）=4.05*运动粘度（mm２/s）
赛氏粘度（s）= 4.62*运动粘度（mm２/s）
ISO组织规定，自1977年10月开始采用50 ℃时的运动粘度值（mm２/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10－6（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Na2Ｏ·V2O4·5V2O5熔点为625℃，5 Na2Ｏ·V2O4·11V2O5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4∶6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热干馏，最后剩下的一种鳞片状炭渣物称残炭。残炭占试验油重量的百分数称残炭值。残炭值表示燃油燃烧时形成结炭、结焦的倾向，并不表示形成结炭的数值。残炭值中包括了机械杂质和灰分。当燃用残炭值较大的燃油时，将在燃烧室产生较多的结炭使热阻增加，引起过热、磨损，缩短柴油机的维修周期。
12．闪点
燃油在规定条件下加热到它的蒸气与空气的混合气能同火焰接触而发生闪火时的最低温度称闪点，根据测试仪器的不同，分为开口闪点和闭口闪点。闭口闪点低于开口闪点。闪点是衡量燃油挥发成分产生爆炸或火灾危险性的指针。按国内外船舶建造规范规定，船舶使用的燃油闭口闪点不得低于60℃。从防爆、防火的观点出发，在低于燃油闪点17℃的环境温度下倾倒燃油或敞开容器才比较安全。
13．凝点、倾点和浊点
凝点、倾点与浊点都是说明燃油低温流动性和泵送性的重要指针。
燃油在试验条件下冷却至液面不移动时的最高温度称凝点。燃油的凝点取决于它的成分和组成结构。对于含石蜡较多的燃油在低温下由于石蜡结晶而形成网状晶架，从而使燃油失去流动性，称为结构凝固；对于含石蜡较少的燃油，在低温下由于粘度增大而失去流动性，称粘温凝固。
燃油尚能够流动的最低温度称倾点。
燃油开始变混浊时的温度称浊点。
通常，燃油的浊点高于凝点约5℃～10℃；倾点高于凝点约3℃～5℃。燃油的温度低于浊点时将使滤器堵塞，供油中断。燃油温度低于凝点时，将无法泵送。从使用观点，浊点是比凝点更重要的指针。燃油的使用温度至少应高于浊点3℃～5℃。
14．密度与相对密度
燃油在温度t（℃）时单位体积的质量称密度。常用单位是kg/m3或g/cm3。在20℃时的密度称标准密度ρ20。
燃油在20℃(国外为15.6℃)时的密度与4℃(国外为15.6℃)时水的密度的比值称相对密度。
燃油的密度与它的化学成分和馏分组成有关。烷烃的密度最小，环烷烃稍大，芳香烃较大，含硫、氧、氮的胶质和沥青质密度最大。燃油的密度随馏分温度的增高而增大。
燃油的密度随温度而变，通常，应按温度的变化对密度进行修正。燃油密度的温度修正公式如下ρt＝ρ20－r（t－20）
式中：ρt—燃油在温度ｔ℃时的密度，g/cm3；
ｒ—燃油密度温度修正系数，g/（cm3·℃）。
密度对燃油的使用有很大意义。其一，在装载燃油时应根据燃油的密度和油舱的舱容计算装载量（应按装油温度对密度进行修正）；其二，应根据燃油密度的变化正确选择分油机的比重环。一般的分油机允许的最高分离密度是0.991 g/cm3；其三，当换用不同密度的燃油时，油量调节机构不变而喷油泵的循环供油量不同，柴油机的转速将相应变化。
三、燃油的规格与选用
1．国产柴油机燃油的规格与选用
我国的柴油机燃油分为轻柴油、重柴油、内燃机燃料油和重油四类。
1）轻柴油
国产轻柴油是由直馏（常压蒸馏）柴油馏分及二次加工的柴油馏分所制成的。其主要性能及质量指针取决于原油品质与炼制方法。轻柴油以其凝点数值作为柴油的牌号，分为10号、0号、-10号、-20号和-35号五个规格。轻柴油是质量最好、价格最贵的柴油机燃料，在船舶上用作高速柴油主机、高速柴油发电机组、应急设备柴油机和救生艇柴油机等使用的燃油。
2）重柴油
国产重柴油由石蜡基原油炼制而成，凝点相应较高，按凝点数值分为10号、20号和30号等三个牌号。重柴油主要用于中低速柴油主机、发电柴油机等。
3）内燃机燃料油
国产内燃机燃料油是由渣油、重油与重柴油调制而成，供船舶低速柴油机使用，目前尚无国家标准，一般执行炼油厂与有关单位商定的协议标准。
4）重油（燃料油）
重油按80时的运动粘度分为20、60、100及200四个牌号，可供船舶锅炉使用。
2．国外柴油机燃油的规格与选用
国外船用燃油基本上分四类：
轻柴油（Marine Gas oil，简称MGO），常用于救生艇柴油机和应急发电柴油机。
船用柴油（Marine Diesel Oil，简称MDO），常用作发电柴油机和柴油机主机机动操纵时的燃料。
中间燃料油（Intermediate Fuel Oil，简称IFO），是渣油与柴油调制而成的掺和油，可用于各类大功率中速及低速柴油机。
船用燃料油（Marine Fuel Oil，简称MFO），也叫C级燃油，主要用于锅炉，也可用于最新型的大功率中速柴油及大型低速柴油机
四、燃油燃烧的热化学
柴油机燃料的化学成分主要是C、H、O，常用质量百分比表示其含量。若忽略其它含量很小的元素，则有：
C+H+O=1
一般C=0.885~0.865，H=0.125~0.135，其余为O。
燃油的燃烧是其中可燃元素C、H同空气中的O所发生的剧烈氧化反应，在氧化的同时将产生大量的热量。由于在气缸内的实际燃烧过程极其复杂，所以在讨论中忽略其实际中间过程，只考虑燃油中的元素氧化的最后化学反应，即燃油中的C、H生成最终燃烧产物 CO2、H2O。采用这种简化所分析与计算出的结果与实际情况基本符合。
1．完全燃烧1 kg燃油所需的理论空气量
按化学方程式算得1 kg燃油完全燃烧时所需的空气量称理论空气量 L0（kg/kg燃料）。它是1 kg燃料完全燃烧所需的最低限度的空气量。按C、H和O的化学反应方程式，考虑到1 kg燃料中已含有O/32kgmol氧，以及空气中的氧和氮的体积百分比分别近似为0.21和0.79，得到
若取C＝0.86、H＝0.13、O＝0.01，则有：
Ｌ0＝14.3kg/ kg燃料

2．燃烧过量空气系数α
在实际柴油机中，因为按内部混合方式形成可燃混合气，混合的时间很短；另外由于结构的限制，雾化燃油不可能在燃烧室内均匀分布，使油气混合不均匀。因此，按理论空气量向气缸内提供空气不能保证燃料的完全燃烧。所以为得到完全燃烧，向气缸供给的实际空气量必须大于理论空气量L0。充入气缸内的实际空气量L与进入气缸内的燃油完全燃烧所需的理论空气量L0之比称为燃烧过量空气系数α，即
α＝L／L0
显然，在柴油机中α＞１。
燃烧过量空气系数α对柴油机的工作性能有很大影响。主要表现在：
（1）反映气缸容积的利用程度和燃由于空气的混合质量。当气缸容积、进气状态和充气效率一定时，每循环充入气缸的空气量一定。α小意味着每循环能燃烧的油量多，发出的功率也大，但应以燃烧良好为前提，故只有在燃由于空气混合好的前提下才能实现。因此，柴油机在标定功率下能以较小的α良好运行，说明气缸容积的利用程度高，混合质量好。
（2）对经济性的影响。α加大，空气量相对较多，燃烧较完全，可改善经济性。但α过大时，则由于混合其浓度过低，燃烧速度很慢，后燃加多，排气带走的热量相对增加，燃油消耗反而增加。应该指出，为获得同样的燃烧质量，混合质量不同，可以由不同的α，混合质量好时，α可小些，反之应加大。
（3）与柴油机的热负荷和排放有关。α减小，每循环燃烧的油量增多，循环平均温度、最高燃烧温度和排气温度提高，废气中的氧化氮的含量因最高燃烧温度的提高而增加。
α与柴油机的型号、尺寸、增压程度、转速和燃烧室形式有关。从提高柴油机的强载度出发，希望α值能够较小，但非增压小型高速柴油机受燃烧完善程度的限制，增压中、低速柴油机受热负荷的限制。
一般情况下，二冲程柴油机的α大于四冲程机（降低二冲程机的热负荷）；大型柴油机的α大于小型柴油机(小型机的单位气缸容积的散热面F/V大)；增压柴油机的α大于非增压机（降低增压机热负荷）。在标定工况下，不同机型的α值通常在下列范围：
非增压高速四冲程小型柴油机 α＝1.2～1.7
增压、高速四冲程小型柴油机 α＝1.5～1.9
非增压、低速二冲程大型柴油机 α＝1.8～2.1
增压中低速二冲程大型柴油机 α＝2.0～2.3
应当指出，上述资料是标定工况时对整个气缸空间、并按时间的平均值。实际上工况变化时α会随之改变，如负荷减小，α增大。另外，由于燃油分布不均匀，所以其局部地区的α值也是不同的。在油束内部因空气很少或无空气，其α≈０；在油束外缘油气与空气混合，随距油束中心距离的增加，其α逐渐增大；而在燃烧室周边无油区，其α≈∞。
欧美各国习惯上使用空燃比或燃空比表示燃烧时空气量（燃油量）与燃油量（空气量）的配比关系，与过量空气系数α有相似的含义，但定义不同。空燃比是实际空气量与喷人气缸的燃油量之比，用符号AF标记；燃空比是喷入气缸的燃油量与实际空气量之比，用符号FA标记。显然，两者互为倒数。

第二节 燃油的喷射和雾化
在柴油机中，燃油必须在压缩行程末期通过喷油设备喷入气缸，经雾化、蒸发与空气混合成可燃混合气，才能发火燃烧。研究指出，可燃混合气的形成质量是影响燃油燃烧的重要因素。
一、 燃油喷射系统概述
柴油机是在气缸内部形成混合气，即在活塞接近上止点时，燃油喷射系统将燃油在极短的时间内以高压喷入气缸，实现燃油与空气的混合和燃烧。因此，无论是在制造与调整精度，还是在与整机的匹配方面对燃油喷射系统的要求都十分严格。为了保证柴油机在动力性、经济性、排放与噪声等方面达到优良的性能，对其喷射系统有如下要求：
（1）能产生足够高的喷油压力，以保证燃料良好的雾化混合和燃烧，且燃油油束需与柴油机燃烧室和气流运动相匹配，保证油气混合均匀。
（2）对每一个柴油机运转工况（一定的转速和负荷组成一个工况），精确控制每循环喷入气缸的燃油量，且喷油量能随工况变化而自动变化。在工况不变时，各循环之间的喷油量应当一致。对多缸柴油而言，各缸的喷油量应当相等。
（3）在柴油机运转工况范围内，尽可能保持最佳的起始喷油时刻、喷油持续时间和喷油规律，以保证良好的燃烧并取得优良的综合性能。
此外，还要求喷射系统工作稳定可靠，无泄漏，便于管理等。
在柴油机出现的早期，燃油喷射是通过高压空气实现的。1927年，德国博世（Bosch）公司开始专业生产以螺旋槽柱塞旋转方式调整供油量的机械式喷油泵，这种喷油泵的工作原理至今仍大量用于各种用途的柴油机。图3—2为典型的柱塞泵式喷射系统简图。
图3—2典型的柱塞泵式喷射系统简图
1-凸轮；2-滚轮；3-柱塞；4-出油阀；5-出油阀弹簧；6-高压油管；7-喷油器弹簧；8-喷油器；9-针阀；10-喷油孔
这种喷射系统基本组成是高压喷油泵、喷油器及高压油管，称之为泵—管—嘴系统。柴油机工作时，柱塞3由喷油泵凸轮1（又称燃油凸轮）经滚轮2驱动。凸轮1固定在凸轮轴上，并通过由曲轴带动凸轮轴传动机构 (图上未示出)。凸轮按一定时刻顶动滚轮，从而保证了喷射定时要求。柱塞3上行其上端面封闭孔A时，泵腔中的燃油受到压缩；当油压升高到克服弹簧5的弹力和高压油管中的残余压力时，出油阀4开启，压力油泵入出油阀空间B，此为供油始点。高压燃油沿高压油管6传递至喷油器8端空间C，当其油压大于喷油器弹簧7的预紧力时针阀向上跳起，高压燃油经喷孔10喷人气缸。当柱塞3下部的斜槽边缘开启油孔A时，泵腔高压燃经斜槽回油至进油空间，出油阀相继落座，此为供油终点。此后当空间C的油压低于弹簧7预紧力时，针阀落座，喷油结束。柱塞下行时泵腔内为充油过程。
在这种系统中，每个柱塞组件对应一个气缸，小型多缸柴油机所用的柱塞数和气缸数相等且合为一体，构成组合式喷油泵；对小型单缸机和大型多缸机，常采用每个柱塞组件独立组成一个喷油泵，称之为单体喷油泵。
在上述泵—管—嘴系统中，由于高压油管的存在，使喷油系统在柴油机上的布置比较方便灵活，加上已积累了长期的制造与匹配的理论与经验，因此，迄今仍在各种柴油机上得到广泛的应用。但是，也正是由于高压油管的存在，降低了喷射系统高压部分的液力刚性，难以实现高压喷射与理想的喷油规律，使这种传统喷射系统的应用前景受到了一定的限制。
为了满足柴油机不断强化及日益严格的排放法规与噪声法规的要求，目前正在大力发展各种高压、电控燃料喷射系统，如采用短管的单体泵系统、泵—喷嘴与PT系统、电控共轨系统等。其中电控共轨喷射系统则代表着柴油机燃油喷射系统未来的发展方向，这在国内外已成为共识。

图3-3 共轨式燃油喷射系统
二、燃油的喷射过程
燃油的喷射过程是一个复杂的物理过程。在喷射过程中，从喷油泵出油阀到喷油器针阀这一高压系统内所进行的物理过程，受燃油的可压缩性、高压油管的弹性、系统的节流以及燃油运动的惯性等因素影响。这些影响因素使燃油在喷射过程中产生时间延迟和压力波动，进而影响燃油的喷射质量。
1．喷射过程的三个阶段
为了深入研究燃油的喷射过程，可以在喷油泵的出口端及喷油器的入口端分别装上压力传感器。测量喷油泵出口压力pp随曲轴转角φ的变化规律pp＝f（φ）和喷油器进口压力pn随曲轴转角φ的变化规律pn＝f（φ）；在喷油器顶端装针阀升程传感器测量针阀升程h随曲轴转角φ的变化规律h=f（φ），并用示波器记录，可得如图3—4所示的喷射过程曲线。根据这些曲线的变化特点可把从供油始点到喷油终点的喷射过程划分为三个阶段：
1）喷射延迟阶段Ⅰ（从几何供油始点Op到喷油始点Ou）
由于燃油的可压缩性(压力变化1MPa，燃油容积变化1/1820~1/1610）、高压油管的弹性以及高压系统的节流等原因使得喷油器的喷油始点Ou滞后于喷油泵的供油始点。由此，存在着供油提前角φp（在压缩行程中喷油泵开始供油的瞬时到活塞上止点的曲轴转角）和喷油提前角φn (在压缩行程喷油器开始喷油的瞬时到活塞上止点的曲轴转角）两个提前角。从使用上能够进行检查和调整的是供油提前角，但对柴油机燃烧过程有直接影响的是喷油提前角。影响喷射延迟阶段的主要因素是：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Ⅱ（Ou到供油终点Ｋp）
本阶段内由于瞬时供油量大于喷油量，所以喷油压力继续升高，燃油是在不断升高的高压下喷入气缸，循环喷油量的大部分在本阶段内喷入气缸。通常称针阀开启时的燃油压力pn为喷油器的启阀压力。显然，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）尾喷阶段Ⅲ（自由膨胀阶段，Ｋp到针阀落座Ｋu）
当喷油泵停止供油时，由于原压缩燃油在低压下膨胀，高压油管在低压下收缩以及系统的节流作用，使得喷射系统中的压力下降得较为迟缓，针阀仍保持开启。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。当燃油压力降低到压力pc时针阀落座，喷油结束，此压力称针阀落座压力。影响尾喷阶段的主要因素与喷射延迟阶段相同。

图3—4 喷射过程
2．喷射过程的压力波
在燃油喷射过程中，高压油管内的最高压力一般为60MPa～70MPa或更高，而喷射结束后油管中的剩余压力远不足它的1/10。因此，喷射过程是高压系统内压力剧变的过程。其次，柴油机每循环喷油量远少于高压系统内所充满的燃油量。在此情况下，燃油的可压缩性对喷射过程成为不可忽视的因素。同时，在压力剧变的条件下高压油管的弹性所产生的容积变化对喷射过程也要有一定的影响。
在喷油泵开始供油使出油阀开启的瞬间，高压油管中泵端的燃油就受到来自喷油泵燃油的冲击。但由于燃油的惯性和可压缩性以及高压油管的弹性，喷油泵柱塞所排挤的燃油量与高压油管中流动的燃油量之间产生不平衡，造成燃油瞬时堆积，致使压力继续升高，并以压力波的形式沿高压油管向喷油器一端传播。压力波传播的速度就是燃油介质中的音速，其值约为1400m/s～1600m/s。设高压油管长度为L（m），音速为a（m/s），则压力波经过L/a秒可从喷油泵端到达喷油器端。如果此压力波不足以开启针阀，则压力波又经过L/a秒被全部反射至喷油泵端，并与该处的另一压力波叠加，再次向喷油器端传播。直至针阀开启后，压力波仍要部分地反射回去。所以，在整个供油与喷油过程中压力波往复传播多次反射，致使高压系统中的压力随着时间和空间而变化。在针阀关闭后，油管中的压力仍然往复波动。如果压力波的峰值超过启阀压力，将再度开启针阀，这会造成异常喷射并引起燃烧恶化。
喷射过程中压力波的存在，既有可能引起一系列的异常喷射，还有可能造成喷油设备组件的损坏。喷射过程中的压力波必将改变喷油泵的供油规律和喷油器的喷油规律，并使二者产生较大的差异。燃油喷射系统的改进包含着消除或削弱喷射过程中的压力波。

三、供油规律和喷油规律
1．几何供油规律和喷油规律
图3—5供油规律与喷油规律比较
几何供油规律是指从几何关系上求出的单位凸轮转角（或单位时间）喷油泵供入高压油路中的燃油量随凸轮转角φ（或时间t）的变化关系。即dgp/dφ＝f（φ）或dgp/dt＝f（t）。它完全由柱塞的直径和凸轮型线的运动规律决定。
喷油规律是指在喷油过程中，单位凸轮转角（或单位时间）从喷油器喷入气缸中的燃油量随凸轮转角φ（或时间t）的变化关系。即dgn/dφ＝f（φ）或dgn/dt＝f（t）。图3—5为实际测得的某柴油机供油规律与喷油规律比较。
供油规律可以根据喷油泵几何参数计算得出，而喷油规律则由喷油系统的几何参数和燃油在高压作用下的液力特性综合作用所决定，它们之间有一定的内在联系，喷油规律受供油规律的影响，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。
喷油规律在一定程度上控制着燃烧过程，对柴油机性能有重要影响。借助喷油规律曲线可分析、判断：
（1）喷油始点、终点和喷油持续角是否合适；
（2）有无二次喷射、断续喷射等不正常喷射现象；
（3）喷油规律是否符合理想的燃烧过程和放热规律的要求。
2．喷油规律的影响因素
喷油规律与燃油喷射系统的结构特点和柴油机的运转工况等许多因素有关。以下分析其主要影响因素。
1） 凸轮形线和有效工作段
在喷油泵柱塞行程和供油始点相同的前提下，凸轮的形线有陡缓之分。形线越陡，凸轮转过相同角度时柱塞升程越大，喷射延迟角和喷油持续角越小。在同一凸轮形线上还可以通过供油定时的调节改变其凸轮有效工作段，即改变柱塞供油有效行程所对应的那段凸轮形线所处的位置。一般把凸轮的有效工作段选在柱塞速度的高速部分，以提高喷油速率减小喷油持续角，提高雾化质量。
2）柱塞直径与喷孔直径
在不改变柱塞行程而增大柱塞直径时，供油速率增大，喷射延迟角和喷油持续角均减小。但因提高了初期的喷油速率，在改善柴油机经济性的同时可能使燃烧粗暴。在增压柴油机中，通常加大柱塞的直径，以增加循环喷油量，缩短喷油持续期。此时为了防止燃烧粗暴，应采取相应的调整措施如减小喷油提前角等。
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加大、喷油速率减小；由于高压油管中压力的增加，容易引起异常喷射。
3） 高压油管尺寸
油管越长，压缩容积越大，喷射延迟角越大，而喷油持续角不变，即喷油提前角变小。油管内径越小，燃油流动阻力越大，喷射延迟角越大。所以，多缸柴油机各缸高压油管应遵循等尺寸原则，以保持各缸喷油规律的一致性。
4）柴油机负荷与转速
当柴油机转速及喷油定时不变而增加负荷时，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速率。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，对应单位凸轮转角的时间缩短，喷射延迟角和喷油持续角均加大，而喷油速率减少。对于负荷与转速同时改变的柴油机工况，其喷油规律的改变应作综合分析。
四、异常喷射及其消除方法
燃油喷射系统正常喷射的特点是：对应柴油机每一工作循环的喷射过程中，喷油器针阀只启闭一次，针阀升程曲线基本呈梯形，高压油管中的剩余压力基本相同。与正常喷射不同的喷射称为异常喷射。常见的异常喷射有二次喷射、断续喷射、不稳定喷射和隔次喷射、滴油等。
1．二次喷射
在喷油泵供油结束喷油器针阀落座后又第二次开启形成再次喷射的现象称二次喷射，又称重复喷射。二次喷射使喷油持续期延长，二次喷射的燃油是在较低的压力下喷入气缸的，雾化质量差，燃烧不完全且喷射偏离上止点附近，后燃严重，造成燃油消耗、排烟和排温升高，性能恶化，零部件过热，甚至喷孔积炭阻塞。
二次喷射通常出现在柴油机高负荷、高转速工况。判断有无二次喷射的最可靠方法是测量喷油器针阀的升程曲线。在管理中可通过燃油消耗率增大、排温高、喷孔结炭等加以判断。
二次喷射产生的主要原因是当供油终止喷油泵出油阀落座时，隔断了高压油管与泵腔之间的通路，使泵端的燃油回流速度突然滞止为零；泵端压力由于回油速度突然滞止而上升，当该上升压力波以音速传递到喷油器端，在其压力大于针阀启阀压力时，针阀又重新开启。一般船用中、低速柴油机在正常工作时不应发生二次喷射。但当管理不当发生下述情况，如：喷油器喷孔部分堵塞；出油阀减压作用减弱；高压油管长度和内径变大或刚性变小；喷油器启阀压力过低；高转速大负荷工况等，则可能产生二次喷射现象。
由上可知，产生二次喷射主要是由于高压系统中的燃油压力波动所引起的，这与高压容积的存在有密切关系。所以，要防止二次喷射就需避免在主喷射之后喷油器处重新出现高的压力波。从设计方面其主要措施如下：
（1）选用较小长度和内径的高压油管；
（2）在保证喷雾质量的前提下，适当增大喷油器喷孔总面积；
（3）适当增大出阀减压卸载能力；
（4）增大出油阀弹簧刚度；
（5）适当提高喷油器启阀压力。
2．断续喷射(波动喷油)
在喷油泵供油期间，喷油器针阀断续启闭，而且开启不足、喷射不利，这种现象称断续喷射。断续喷射虽然没有延长喷油持续时间，但针阀与阀座撞击次数增多，磨损增大，降低针阀使用寿命。断续喷射多发生在低负荷、低速运转工况。此时喷油泵的供油量小于喷油器的喷油量。
3．不稳定喷射和隔次喷射
喷油泵每循环供油量不均的喷射过程称不稳定喷射。其极端情况是隔次喷射（又称间歇喷射），即喷油泵二次供油才有一次喷油过程。不稳定喷射或隔次喷射使柴油机转速不稳定，甚至造成低速运转时自动停车，而且由于二次供油一次喷油，可能造成燃烧粗暴。不稳定喷射或隔次喷射多发生在柴油机低负荷运转时或喷油设备偶件过度磨损时。
4．滴漏
滴油现象不是由于喷油器针阀偶件密封不良而引起的滴漏，而是在针阀偶件密封正常情况下，在喷油终了后仍有燃油自喷孔流出。发生滴漏时，由于燃油流出速度和压力均很低，燃油不雾化，集结在喷孔处形成结炭，堵塞喷孔。
滴漏发生的原因在于因针阀座下部至喷孔间容积过大，以及由于出油阀减压卸载能力不强，使高压油管中的油压下降缓慢，造成针阀不能迅速落座。因而增强出油阀减压卸载能力或提高针阀落座速度（如增加针阀弹簧预紧力等）均可防止滴油现象。

五、最低稳定转速
在多缸柴油机中，由于各缸喷油泵柱塞偶件、喷油器针阀偶件的间隙和喷孔孔径间的差别，以及油泵调节杆安装间隙的不同，使得船用主柴油机在低转速(低负荷)运转时，各缸供油量显著不均。严重时个别缸不能发火而使转速不稳，甚至自动停车。因而船用主柴油机都有一个各缸能够均匀发火的最低转速，称最低(工作)稳定转速(按GB1833-89规定，最低工作稳定转速指柴油机油门在出厂的标定功率位置上带负荷运转所达到的稳定转速。船用主机则指按推进特性运转时的最低稳定转速)。
按我国有关规定，船用低速主柴油机的最低稳定转速不高于标定转速nb的30%，中速柴油机不高于40%nb，高速机不高于45%nb。

六、燃油雾化
在柴油机中，燃油在高压下喷入气缸，并分散成细细小油滴的过程称燃油的喷雾或雾化。其目的就是要大大增加燃油蒸发的表面积，从而加速燃油的吸热与气化过程，进而加速燃油与空气的混合。例如一台柴油机全负荷时的循环供油量为130mm3，如果形成1个油滴的话，油滴直径为3.14mm，表面积为124 mm2，如果将这么多燃油雾化成直径为24 μm的油滴，那么油滴个数将达到3.1×107个，表面积为3900 mm2，增加约314倍，这就意味着燃油与空气的接触面积大大增加了，对混合气的形成和燃烧十分有利。
1。油束的形成与油束特性
燃油在很大的压差（10MPa～60MPa）作用下，以高速（100m/s～300m/s）喷入气缸。由于燃油高速流经喷孔时的扰动作用以及缸内