柴油机特性

模块九 柴油机特性
重点：柴油机特性的分类，速度特性和负荷 特性。 难点：推进特性和限制特性。
主要内容
单元一 概述 单元二 速度特性 单元三 柴油机的负荷特性 单元四 推进特性 单元五 调速特性第 单元六 限制特性和柴油机的使用范围 单元七 柴油机与螺旋桨的配合
单元一 概述
一、柴油机的工况 1．发电机工况 转速恒定 2．螺旋桨工况 N=Cn3 3．其它工况 转速和扭矩之间没有一定的关系。 二、柴油机特性的分类 1．柴油机特性 柴油机的主要性能指标和工作参数（如排气温度Tr、 最高爆发压力pz、增压压力pk等）随运转工况变化的规 律称为柴油机的特性。把这种变化规律在坐标上用曲 线的形式表示出来，这种曲线称为柴油机的特性曲线。
三、各性能参数随转速变化的规律 1．n增加，充量系数φ C降低。 2．n增加，过量空气系数α 降低。 3．n增加，指示热效率η i降低（与α 成正比）。 4．n增加，机械效率η m增大（η m=1-Pm/Pi，n增加， Pi的增大量超过Pm）。 5．n增加，初期η e增加，be降低（η m的增大量大于 η i的降低量）；后期η e降低，be增加。通常增压机 在80-90%nb时η e最大。
由试验可知，推力系数K1和扭矩系数K均与螺旋桨的 进程比λ P有关。λ P表示螺旋桨每转一转实际产生的 位移VP/nP与直径D之比，即λ P=VP/（nPD）。在船舶稳 定航行时，λ P=常数，K1、K2均为定值，使螺旋桨吸 收功率NP=CnP3，相应推力为FP=C1nP2，扭矩为 MP=C2nP2 。当转速n不变而VP降低时（如航行阻力增 加），λ P减小，K1、K2增加，即推力和扭矩都增加， 相应的特性曲线均变陡（左移）。当λ P=0时，即n=0， VP=0，称系泊工况，此时K1、K2最大， FP和MP 也达到 最大值。
3．等转矩限制特性（限制机械负荷） 船用柴油机在各种转速下保持标定功率Nb和标定 转速nb下的标定扭矩Mb不变时，功率和转速的变化关 系称为等转矩限制特性。 建立等转矩限制特性的条件是：各转速下的Me都等于 标定工况点的Mb。 由Ne=Men/9550 Ne=Mbn/9550=An （A=Mb/9550）可知： 等转矩限制特性曲线是一条通过坐标原点和标定 工况点的直线，当柴油机在这条直线以下工作时， 可保证轴系的机械负荷都不超过允许值。
3．各性能参数随负荷变化的规律 （1）有效功率Ne和指示功率Ni为过原点的直线。 （2）Ne增加，η m增大，空车时η m=0 （3）Ne增加，η i和α 均降低。 （4）Ne增加，η e先期增加，后期降低。所以必在运转范 围内出现最大η e（be）。
单元四节 推进特性
一、螺旋桨特性简介 1．螺旋桨水动力特性 根据螺旋桨理论，螺旋桨的推力 FP 和扭矩 MP 的公 式为： FP=K1ρ nP2D4 （9-1） MP=K2ρ nP2D5 （9-2） 式中：ρ ——流体的密度，千克/米3； nP——螺旋桨转速，转/秒; D——螺旋桨直径，米； K1——推力系数； K2——扭矩系数。
（4）全负荷速度特性曲线的制取 ①起动柴油机，逐步将转速升高到标定转速，热车再 逐步增加负荷至标定功率并使之在标定工况下稳定运 转。 ②将供油拉杆（或齿条）固定，使供油拉杆保持在标 定工况供油量位置上。 ③以转速为测量点，调节水力测功器以增加负荷， 使柴油机在标定转速和最低稳定转速之间的各个不同 测量点上稳定运转。同时测量并记录柴油机在各转速 下的性能参数（Me、Pe、ge、Tr等），每个点测两次。 ④将记录的性能参数作为纵坐标，以转速为横坐标 绘制成曲线。
国外船用柴油机常用的几种功率（工况）名称 MCR：最大持续功率，同时标有相应的转速。原含义 相当于国家标准的持续功率标定工况，是设计选配螺 旋桨的依据。 OR：超负荷功率工况。其功率为MCR功率的110％。 CSR：持续使用功率工况。船舶正常持久使用的功 率工况。CSR负荷定得比MCR小，留有一定的功率储备。 CSR是船舶计划船期，油耗的主要依据。 ERP：按推进特性的经济功率工况。 ERG：按负荷特性的经济功率工况。
2．不同λ P时的螺旋桨特性 3．不同H/D时的螺旋桨特性
二、推进特性 1．概念：当柴油机作为船舶动力驱动螺旋桨工作时 ，在Ne =Cn3 变化的情况下，各性能参数随转速变化而变化的关系。 2．推进特性曲线的制取方法 （1）试验工况的确定 ①确定Ne =Cn3中的常数C。C=Ne/ n3，按标定点确定。 ②在柴油机工作的转速范围内，预先选定一组（6-7）转速n1、 n2、n3、n4、n5、n6、n7作为试验中转速参数。 ③由Ne =Cn3，通过计算求出一组Ne1、Ne2 、Ne3 、Ne4 、Ne5 、 Ne6 、Ne7作为试验中负荷参数。 表9-1
单元五 调速特性
1．概念：当调速手柄固定在某一工况位置时，使负 荷从零逐渐增加到最大值，在调速器的作用下，柴油 机的的功率、扭矩等随转速的变化规律。 2．作用：考核调速器是否满足使用要求。 3．调速特性曲线的制取方法 一般在制取调速特性曲线时应同时完成突变负荷试 验。
（1）突变负荷试验 ①起动柴油机，逐步增加转速至标定转速，调节测功器，增 加负荷，使柴油机在标定工况下稳定运转，然后将调速手柄 固定。 ②突然卸去全部负荷，柴油机在调速器的作用下，经历短暂 时间后将在比最高瞬时转速稍低的最高空载稳定转速下运转。 （2）调速特性试验（标定工况） ①从调速器控制的最高空载稳定转速起，以标定功率的25%、 50%、75%、90%、100%或测功器读数的整数值为测量点，调节 测功器以增加负荷，每调节一次负荷，待柴油机稳定运转后， 测量一次Me、Ne、ge、 Tr等参数，直到转速下降到突变负荷 前转速为止。 ②以转速为横座标，以Me、Ne、ge、 Tr等参数为纵座标绘出 曲线。
1小时功率：柴油机允许连续运行1小时的最大有效 功率。可作为商船的超负荷功率。是最大持续功率 的110％。1小时功率还可作为拖拉机、工程机械的 最大使用功率。 12小时功率：柴油机允许连续运行12小时的最大有 效功率。可以作为拖拉机、工程机械的正常使用功 率。 持续功率：柴油机允许长期连期运行的最大有效 功率。船舶柴油机就用它来标定功率，并同时标定 其相应转速。我们通常所说的标定功率就是指这种 功率，标定工况就是指这种功率及其相应转速。
3．超负荷速度特性 我国船舶建造规范规定，柴油机的超负荷功率为标定 功率的110％（作为船舶主机此时的转速是103％标定 转速）。 并且在12h运转期内允许超负荷运转１小时。 4．部分负荷速度特性 三、 速度特性的参数分析 柴油机按速度特性工作时，喷油泵供油量调节结构固 定在相应位置上，此时可认为喷油泵供油系数变化不 大，即循环供油量基本不变。此时有关参数的变化规 律如下：
4．等排温限制特性（限制热负荷） 柴油机在各种转速下保持标定工况点过量空气系数α 不 变时，功率和转速的变化关系称为等过量空气系数限制特 性。 建立等过量空气系数限制特性的条件是：各转速下的α 都等于标定工况点的α b。若柴油机在各种转速下都保持不 小于α b，则热负荷不超过标定工况点水平。 但柴油机在实际运转中的α 值难于测量，同时保持α 值 不变是困难的，而排气温度是可测量的并能在一定条件下 反映出柴油机的热负荷，因此常用排气温度作为限制热负 荷的一个参数。 建立等排气温度限制特性的条件是：各转速下保持标定 工况点的排气温度不变时，功率和转速的变化关系称为等 排温限制特性。
上图为某一柴油机限制特性，从图中可知，在转速下降初期， 是以转矩作为主要限制参数，而转速下降后期，则以排温作为 限制特性。
二、柴油机的允许工作范围 船用柴油机允许工作范围是由最大功率、最小功 率、最高转速和最低转速四个方面来限制。 1．柴油机在各种转速下允许达到的最大功率（负荷）， 是由等转矩限制特性曲线3和等排温限制特性曲线1来 限制。 2．柴油机在各种转速下允许达到的最小功率（负荷）， 是由最小负荷速度特性曲线8来限制。 3．柴油机在各种负荷下允许达到的最高转速是由标定 工况点的调速特性曲线5来限制。 4．柴油机在各种负荷下允许达到的最低转速是由按推 进特性曲线工作的最低稳定转速曲线10来限制的。
单元三 柴油机的负荷特性
1．概念：当转速保持不变时，柴油机的各性能指标和工作参 数（如排气温度Tr、最高爆发压力 pz、增压压力 pk 等）随负荷 的变化而变化的规律称为柴油机的负荷特性。 2．负荷特性曲线的制取 ①起动柴油机，逐步将转速升高到标定转速，并使之稳定运 转一段时间。 ②逐步增大外负荷至选定的不同负荷（25％、50％、75％、 90％、100％、110％Nb），并分别在选定的不同负荷时稳定运 转，待有关参数稳定后，测取并记录有关性能参数和运转参数 。试验中，每调节一次负荷，应同时改变调速手柄，使转速保 持不变。 ③将记录的性能参数和运转参数作为纵坐标，以Ne为横坐 标绘制成曲线。
（1）n增加,充量系数φ C 降低； （2）n增加,非增压机过量系数 α 降低（φ C降低），而增压机 α 增加（进气密度增加）。 （3）n增加,非增压机指示热效率η i降低（与α 成正比），而 增压机η i增加。 （4）n增加,非增压机平均指示压力Pi降低（与η i成正比）， 而增压机Pi增加。（5）n增加, （5）n增加,非增压机和低增压机机械效率η m降低（η m=1Pm/Pi，n增加，Pm增大，而Pi降低），而高增压机η m增加。 （6）n增加,非增压机平均有效压力Pe（Me）降低，增压机P e （Me）增加。 （7）n增加，非增压机和低增压机η e降低，而高增压机η e增 加。通常最大η e（be）发生在低于nb的某一转速。
下图为装有全制式调速器柴油机的调速特性。图中 斜线2～6相当于转速设定机构固定于不同位置时的 调速特性。上包络线1是全负荷速度特性。斜线5为 标定位置时的调速特性。
单元六 限制特性和柴油机的使用范围
一、柴油机的限制特性 1．限制特性的概念：是指柴油机在各种转速下的最 大有效功率，使柴油机的机械负荷和热负荷不超过为 保证它可靠工作而规定的允许范围。 按柴油机的种类不同，在确定其运转功率的限制范 围时，可把PZ、Pe、Me、α和Tr作为限制因素，通常是 Me、α和Tr。 2．限制特性的作用：防止超扭矩和超温度。