第七章 柴油机特性与选型

第七章柴油机特性及选型柴油机的特性反映出柴油机的动力性、经济性和使用性能，它是柴油机固有的特性。

柴油机的应用场合和工作条件不同，其性能指标和工作参数有很大的差异。

对柴油机特性进行研究是制造和使用柴油机的重要依据。

第一节概述一、船舶柴油机的工况柴油机作为一种动力机械用来驱动各种工作机械时，其功率和转速是按照工作机械所需的功率和转速而变化的。

柴油机在各种不同条件下运转的工作状况(功率和转速)称为柴油机运转工况。

在船舶上，柴油机主要作为推进主机、发电原动机和应图７-１船用柴油机的各种工况第七章柴油机特性213急发动机(应急发电机、空压机和消防泵的原动机)。

根据柴油机在船上应用时的不同条件，概括起来有三类工况：发电机工况、螺旋桨工况和其他工况。

1发电机工况电力传动的船舶主机和发电副机按发电机工况运行。

在这种工况下，为了保持电网电压稳定和一定的电流频率，由调速器控制柴油机保持恒速运转。

它的功率随着航行条件的变化或船舶用电量的变化，可以从零变化到最大许用值。

因此，柴油机的发电机工况是转速不变而功率随时发生变化的工况。

如图7-1中直线2所示。

2螺旋桨工况用来直接驱动螺旋桨的船舶主机是按螺旋桨工况运行的。

在此工况下，柴油机按一定的转速将其功率通过轴系传给螺旋桨，螺旋桨在水中旋转产生推力克服船舶航行阻力使船保持航速。

螺旋桨的吸收功率就等于主机发出的功率。

在螺旋桨工况下，柴油机发出的功率和其转速都是改变的。

螺旋桨在工作时其吸收功率与转速的m次方成比例(P p=cn m)。

通常在稳定运转时，螺旋桨吸收功率P p与转速n的三次方成比例，即P p∝n３。

相应柴油机功率Pe与转速的关系可写成Pe=cn３。

我们把柴油机按此关系运转的工况214船舶柴油机称为柴油机的螺旋桨工况。

如图7-1中曲线1所示。

3其他工况柴油机在此类工况下运行时，它的功率与转速之间没有一定的关系。

柴油机的转速是由工作机械所需的速度决定的。

而功率则由运行中所遇到的阻力决定。

比如驱动调距桨的主机是根据不同的调距桨叶的角度在某一转速下要求不同的功率；驱动应急救火泵或应急空压机的柴油机分别要求符合水泵或空压机的工况；即使直接驱动螺旋桨的主机，当航行条件和运行状态发生变化时(海面状况、气象条件、航区、装载、船舶污底以及船舶转向等)，船舶阻力发生改变，通过螺旋桨影响主机的功率和转速。

如此，柴油机在一定的负荷和一定的转速范围内的任何工况下工作，即柴油机在一定的转速下工作，要求有不同的输出功率，或在某一功率下工作时可以有不同的转速。

如图7-1阴影线所示区域。

此类工况亦称面工况。

二、柴油机特性及其分类1柴油机特性在上述各种工况下运行的柴油机有其对应的性能指标和工作参数。

表征柴油机性能指标的主要有平均有效压力p e、有效功率P e、有效转矩M e、有效热效率ηe和有效油耗率b e等。

柴油机工作参数主要有转速n、第七章柴油机特性215增压压力p k、最高燃烧压力p z、最高排气温度t r、增压器工作转速n k和涡轮机出口温度t T等。

对于运行中的柴油机，这些性能指标和工作参数是随着柴油机的应用场合和使用条件不同而变化的。

柴油机的主要性能指标和工作参数随运转工况变化的规律称为柴油机特性。

这种变化规律的曲线形式称为柴油机的特性曲线。

2柴油机特性分类柴油机的功率公式为Ｐe=cp e ni。

式中c和i两个均属于结构参数，对一台使用中的柴油机来说，c和i是不变的。

因此，只有p e和n是决定柴油机有效功率P e的运转参数。

按照这两个参数我们把船用柴油机特性分为三类。

第一类：平均有效压力p e不变，有效功率P e随转速n改变而变化。

称该特性为速度特性。

第二类：柴油机运转的转速n保持恒定，通过改变平均有效压力p e来改变有效功率P e。

这类特性称为负荷特性。

第三类：柴油机运行中平均有效压力p e和转速n同时改变。

这类特性以柴油机推进特性为典型特性。

216船舶柴油机第二节柴油机特性一、速度特性柴油机的速度特性是用试验法在柴油机试验台上测定的。

将喷油泵油量调节机构固定在某一位置上，然后改变柴油机的负荷，使柴油机转速变化，在这种条件下测得柴油机主要性能指标和工作参数随转速变化的规律。

根据喷油泵油量调节机构固定的位置不同，亦即每循环供油量不同，柴油机速度特性分为全负荷速度特性、超负荷速度特性和部分负荷速度特性。

柴油机的速度特性所反映的性能参数和转速的变化规律与本身的使用条件无关。

即柴油机性能参数和转速的关系与柴油机应用时的负荷类型无关。

速度特性本质上反映出柴油机所具有的潜在的最大工作能力。

1 全负荷速度特性(外特性)将柴油机喷油泵油量调节机构固定在相当于标定转速下发出标定功率的供油位置上，然后，通过调节试验负荷，逐步改变柴油机的转速。

在各个稳定转速下，测取对应的p e、M e、P e、b e、t r、p k、n T等参数第七章柴油机特性217值。

由此得到的性能指标及工作参数随转速变化的规律即为全负荷速度特性，亦称外特性。

全负荷速度特性的测量应遵循国家确定的统一试验标准。

一个是标准试验环境状况，一个是试验功率。

环境状况直接影响着柴油机的工作性能。

我国国家标准规定的标准环境为：大气压力p0＝１００kPa（或750mmHg）,相对湿度φ0＝３０％，环境温度T0＝２９８Ｋ或25℃，中冷器进口冷却介质温度T c0=298 Ｋ或25℃。

对于“无限航区”的船用内燃机其标准环境应遵循国际船级协会(IACS)规定的环境状况：大气压力p0＝１００kPa,相对湿度φ0＝6０％，环境温度T0＝31８Ｋ或45℃，中冷器冷却介质进口温度T ex＝305 Ｋ或32℃。

标定功率指标准环境状况下，制造厂根据内燃机的用途和特点规定的标定转速下的有效功率(kW)。

国标中规定：标定功率按不同用途分为：15 min功率；1 h功率；12 h功率；持续功率。

我国《钢质海船入级与建造规范》(1996年)规定持续功率作为船用柴油机的标定功率。

国外船用柴油机的最大持续运转功率MCR(Maximun Continuous Ratings)即为标定功率。

速度特性试验前，柴油机要经过试车、磨合、调整和排除故障，将配气、供油定时调至最佳值，各缸218船舶柴油机功率平衡，使柴油机具有良好的技术状态，然后进行特性试验。

试验时，要保持柴油机稳定运转，冷却水、润滑油的压力、温度也要调整在最佳状态。

测定时，试验机先开空车，缓慢加速至标定转速n b，通过测功器逐渐增加外负荷，同时通过调速器增加循环供图7-2柴油机速度特性P e－n和M e－n的关系油量，使柴油机在标定转速n b下发出标定功率P b。

此时测量并记录相应的各参数值。

然后将油量调节机构与调速器分离并加以固定，逐渐增大柴油机的外负荷，以降低柴油机转速，使柴油机在标定转速n b和最低稳定转速n min之间若干点上稳定运转。

同时测取并记录对应各转速下的各个参数。

最后以各性能参第七章柴油机特性219数作为纵坐标、转速为横坐标，将记录的参数(包括计算值)在坐标系中标绘。

绘出的曲线即全负荷速度特性曲线，如图７-２中曲线3所示。

全负荷速度特性可表示为柴油机在不超过标定供油量的条件下，各转速下所能发出的最大功率。

作为船舶推进柴油机(主柴油机),在实际使用时考虑到航行条件和船舶污底情况，为保证主机在各种运转条件下均能长期可靠运转，主机都留有适当的功率储备，即主机长期运转最大功率要低于标定功率一个值。

2超负荷速度特性和部分负荷速度特性我国船用柴油机标准规定，船用柴油机的超负荷功率为标定功率的110%(与之对应的转速为标定转速的103%)，并且在12h运转期内允许超负荷运转1 h。

测定超负荷特性时，首先使柴油机在标定转速n b下稳定运行，然后，通过测功器来增加柴油机的外负荷，并同时加大供油量，使之达到超负荷功率和相应的转速。

此时把喷油泵油量调节机构固定，逐渐增加柴油机的外负荷，使柴油机在低于超负荷功率对应转速的若干个不同的转速下稳定运行，并测量、记录各转速下的各项柴油机性能指标和工作参数。

最后根据所测数据在坐标图上标绘超负荷速度特性曲线，如图7-2中曲线2所示。

该曲线显示了柴油机在各种不同的转速下可能达到的最大功率。

在这种情况下，220船舶柴油机柴油机工作时，由于喷油泵油量调节机构固定在最大供油量位置上，气缸内的温度和压力都很高，致使机件受到很大的热应力和机械应力，柴油机处于超负荷状态下工作。

因此，按超负荷特性工作的时间不能太长。

如果将喷油泵油量调节机构固定在比标定功率油量小的各个位置上，然后通过上述方法分别测得柴油机的主要性能指标和工作参数随转速变化的关系，称为部分负荷速度特性。

由于油量调节机构固定的位置不同，可测得若干条柴油机部分负荷速度特性曲线，如图７-２中曲线4、5和6所示。

二、负荷特性柴油机负荷特性是指在转速保持不变的情况下，柴油机的各项主要性能指标和工作参数随负荷变化的规律。

负荷特性是在试验台上或实船条件下测取的。

试验时，先将柴油机调定在标定转速下稳定运转并保持转速不变，然后由小逐渐增大柴油机负荷。

在各负荷下分别测取柴油机的主要性能指标和工作参数(b e、t r、ηm、α、p k、p z、P i、P e、ηi等)并绘制成曲线，即为负荷特性曲线。

对柴油机负荷特性的研究，在实船柴油机管理中有着非常重大的意义。

例如，发电副机和船舶上装有第七章柴油机特性221全制式调速器的主机，在设定转速不变的情况下，当负荷发生变化时其转速保持不变，可认为这些柴油机是按负荷特性工作的。

负荷特性一般是在标定转速下测取的。

为了更全面地了解柴油机特性，必要时可在低于标定转速的若干不同转速下测取负荷特性。

负荷特性是标志柴油机动力性与经济性的基本特性。

可用于：比较不同柴油机的性能或评价同一柴油机的结构设计改变或调整后的效果；标定柴油机的功率；绘制万有特性曲线(柴油机各种性能参数相互关系的综合特性曲线)。

柴油机按负荷特性工作时，意味着转速不变而只改变喷油泵的循环供油量，即当外界负荷变化时，柴油机改变循环供油量使输出功率改变。

因此，表征P e和p e关系的公式可简化成P e=Bp e，而p e可认为只与循环供油量有关。

图7-3是典型的柴油机负荷特性，图中可看出各个性能参数随负荷p e变化的规律。

三、推进特性在船舶推进系统中，船、机、桨三者处在同一推进系统中，组成一个统一的整体。

当要求船舶在某一工况下航行时，同时也决定了机、桨的运转点。

当柴油机作为船舶主机带动螺旋桨工作时，无论柴油机与螺旋桨直接连接还是通过减速齿轮箱连接，二者总是要保持能量平衡。

在稳定运转条件下，若不计传动损失，主机发出的功率Ｐe和转矩Ｍe等于螺旋桨的吸收功率P p和转矩M p。

根据螺旋桨理论，桨的推力F P和转矩M P符合下列公式ＦP=K Fρn P２Ｄ４M P=K mρn P２Ｄ5式中：ρ——水的密度，kg/m３；D——螺旋桨直径，m；n p——螺旋桨转速，r/min；ＫＦ——推力系数；K m——转矩系数。