柴油机特性

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 ∝n ３。相应柴油机功率Pe 与转

速的关系可写成Pe=cn ３。我们把柴油机按此关系运转的工况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

图７-１ 船用柴油机的各种工况

机工作参数主要有转速n、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。

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