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
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，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 P２Ｄ４
M 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。

ＫＦ、K m均为螺旋桨进程比λp的函数。

它们之间的变化关系由实验测得，如图7-4所示。

进程比λp是指螺旋桨每转一转实际产生的位移与螺旋桨直径D之比，
λp＝v p／n pＤ＝h p／Ｄ
式中：h p——螺旋桨每一转的进程；
v p——船速。

图中ηp为螺旋桨效率曲线。

ηp为螺旋桨输出功率(F p·v p)与其吸收主机功率(桨的阻力矩M p与回转角速度2πn p之积)之比。

λp是螺旋桨水动力性能的一个重要参数。

对一定的螺旋桨，λp取决于船舶的航行状态，即取决于船舶的航行工况。

当船舶在某一工况下稳定航行时，螺旋桨就有一个固定的λp值，K F和K m相应有一对应值。

从图7-4中可看到，λp减小时，K F和K m增大，可视为F p、Ｍp都增加。

当λp=0时，K F和K m达最大值。

此时当n p一定时Ｆp和M p达到最大值，这相当于系泊试验或船舶起航的情况(即v p＝０)。

随着λp的增大，K F、K m递减，F p、Ｍp随之减小，这相当于船舶阻力降低的情况。

在λp＞1.0后，K p、Ｋm先后为零，这相当于桨推力和零转矩情况。

图7-3柴油机负荷特性参数变化规律
对一定的螺旋桨，直径是常数，海水的密度
变化很小，也可以认为是常数。

在特定的某一航
行条件下(装载、气候、海面状况等条件不变)的
各种转速下航行时，v p /n p 基本不变，λp 、K F 、K m
皆可视为常数。

这样，推力和转矩公式可写成
Ｆp =Ｃ1n p 2 Ｍp =C 2n p 2
即螺旋桨的推力和转矩与其转速的平方成正比。

螺旋桨所需功率P p 可由P p =M p n/9550来确定。

可得出螺旋桨功率与转速的关系式
P p ＝Ｃn p 3 (kW)
上式反映出螺旋桨运转特性，即桨的吸收功率P p
与转速的三次方成正比。

将Ｍp =C 2n p 2和P p ＝Ｃn p 3绘成M p －n p 和P p -n p 的关系曲线即为螺旋桨特性曲
线，如图7-5所示。

实际上，船舶的工况常常是变化的，在各个不同的航行条件下对应不同λp 值。

当λp 值不同时，同一转速下螺旋桨的转矩和吸收功率也相应有不同的值。

图7-6示出在各种不同航行条件下螺旋桨功率与转速的关系曲线。

在图中可看出随着航行阻力的增加
(λp 减小)，螺旋桨特性线变陡。

图7-5螺旋桨特性曲线图 7-6不同λp 时的螺旋桨特性曲线
因为螺旋桨所需的功率与转速的三次方成正比，主机带动螺旋桨工作就必须满足螺旋桨的功率要求。

如前所述，不计传动损失螺旋桨的吸收功率就等于主机功率。

这样，主机功率
Pe 与转速也是三次方关系，Ｐe= P p ＝Ｃn p 3（kW)
柴油机按照螺旋桨特性工作时，各性能指标和工作参数随转速(或负荷)变化的规律，称为柴油机的推进特性。

柴油机推进特性是根据Pe=Ｃn p 3关系，在试验台上测定的。

测定推进特性时，预先计算
出柴油机在各转速下的功率值，根据这些数据将柴油机调节在推进特性的各相应的转速和功率点下运行，逐点测量柴油机的最高爆发压力、压缩压力、增压压力、涡轮前后排气温度、涡轮转速、平均有效压力、有效油耗率等技术数据。

然后以转速为横坐标，以上述各数据为纵坐标绘制成曲线，即柴油机推进特性曲线。

该曲线对轮机员科学管理柴油机工作有极大的实用价值。

图7-7为Sulzer 6RTA48二冲程低速船用柴油机的推进特性曲线。

图中绘制了柴油机最大燃烧压力p max 、压缩压力p c 、扫气压力p s 、废气涡轮前后排烟温度T bt 和T at 、有效油耗率b e 随转速(负荷)变化的规律。

该机标定转速为154r/min ，功率为6 543kW 。

在图中可方便地查出柴油机按螺旋桨特性工作时对应各种转速下的各项数据。

同时图中还标绘出对应各转速下的油门刻度p os 。

图7-8为 MAN B&W6L50MC 柴油机推进曲线。

其横坐标为功率。

在图中可看出增压器转速n T 、柴油机转速n c 、最大燃烧压力p max 、压缩压力p c 、排气温度
T
exh 、扫气压力
图7-4螺旋桨水动力特性
p s、有效油耗率b e(g e)和油泵供油刻度p os随功率变化的规律。

图7-7 Sulzer 6RTA48柴油机推进特性
四、柴油机的限制特性
在柴油机运转中，如果因某个零件或部件发生故障而停车，必然危及船舶的航行安全，所以，在柴油机设计、制造、操纵和管理中都必须考虑柴油机工作的可靠性和寿命，对柴油机工作时的机械负荷和热负荷都加以必要的限制。

既要防止超功率也要防止超扭矩，既要防止超转速，也要防止超温度。

实现上述限制的理论手段即为柴油机的限制特性。

柴油机的限制特性是指限制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出为保证它可靠工作而规定的允许范围。

它是速度特性的一种。

柴油机按限制特性工作时，不同转速下喷油泵的每循环供油量需要根据限制条件作相应的调整。

现代船舶柴油机随着增压度不断提高，其机械负荷和热负荷已接近可靠工作所允许的极限。

因此，用限制特性来限制柴油机在各种运转条件下的负荷显得尤其重要。

按照柴油机的类型不同，在确定其运转功率范围时，可把最高爆发压力p z、平均有效压力p e、曲轴转矩M e、过量空气系数α、排气温度t r以及涡轮增压器转速nＴ等参数作为限制因素。

其中较为常用的是M e、α和t r。

1 等转矩限制特性
作为船用主机的柴油机常以转矩作为限制参数来建立等转矩限制特性。

建立这种限制的条件是柴油机在各种转速下的转矩值M e都等于或小于标定转速和标定功率下的转矩M b。

要求柴油机在各种转速下长期运转时M e都不大于M b，以免柴油机曲轴因机械负荷过大而损坏。

对一台柴油机，其曲轴在工作时所产生的扭应力主要决定于它所传递的转矩M e，在设计曲轴时是以柴油机标定工况下的转矩作为依据的。

因此，为了使曲轴不会因扭应力超过设计时的许用应力而导致损坏，就必须使柴油机在各种转速下的M e都不超过M b。

在柴油机各种转速下如果M e＝Ｍb，根据M e＝９５５０Ｐe/n和M b=9550P b/n b，有
P e =P b /n b ·n=cn
上式表示在P e －n 坐标系中等转矩限制特性线是一通过坐标原点，斜率c=P b /n b 的直线。

图
7-9直线2即为等转矩限制特性曲线。

如果主机在其全部使用转速范围内，保持在等转矩限制特性曲线以下工作，则保证柴油机曲轴的机械负荷都不超过允许值。

图7-8 MAN B&W 6L50MC 柴油机推进特性
2 等排气温度限制特性
现代船用主柴油机增压度都比较高，在其限制特性中都考虑了对热负荷的限制。

柴油机的热负荷与其工作时的过量空气系数α有直接关
系，为了限制热负荷，一些柴油机以α作为限制参
数，即所谓的等α限制特性。

建立此种限制特性的
条件是柴油机在各种转速下的α都等于标定工况下
的αb 。

如果柴油机在各种转速下都能保持不小于
αb ，其热负荷则不会超出标定工况水平。

然而，柴油机在实际运转中的α值不仅难以测
定，而且在整个运转转速范围里保持不变也是相当
困难的。

柴油机的热负荷还可以工作循环平均温度
t m 来表示，但工作循环平均温度t m 也无法直接测取。

所以，实际是采用平均排气温度t r 代替α和t
m 来表
示柴油机的热负荷。

t r 可方便地用普通的仪表测出。

它虽不能直接确定柴油机热负荷的数值，但在一定
图7-9 柴油机的限制特性 1-等排气温度限制特性；２-等转矩限制特性； ３-限制特性
条件下反映出柴油机热负荷的大小，因此可作为限制柴油机热负荷的一个参数来建立相应的限制特性。

图7-9曲线1即为等排气温度限制特性曲线。

柴油机的限制特性是对机械负荷和热负荷两个方面的限制。

等转矩限制特性与等排气温度限制特性是不一致的。

在n从n b开始下降初期，按等转矩变化的功率小于按等排气温度变化的功率，而到n下降的后期则恰好相反。

因此，柴油机是在标定转速n b下降初期以转矩作为主要限制参数，后期则以排气温度作为主要限制参数。

图7-9折线3即为限制特性曲线。

第三节柴油机的选型区域和使用范围
一、柴油主机的选型区域
主推进装置是船舶的核心，而主推进装置中最重要的设备就是主机。

目前绝大多数主机为柴油机，主机工作的好坏不仅取决于主机本身的性能，同时也与船舶设计部门及船东如何选择和使用有密切关系。

如果选择和使用不当，即使是一台性能良好的主机，也会造成寿命缩短、事故频繁、经常停航修理等一系列问题，所以在主机选型时，除了使主机满足船舶在试航时船速的要求外，还要考虑在使用一段时间后机器性能下降、船体变脏、螺旋桨结垢的情况下主机和螺旋桨的配合情况，同时也要考虑船舶遇到恶劣气象、复杂海况及不同水域时的适应特性。

总的来说，主机选型应考虑柴油机性能方面的优化及船舶在整个使用期内的主要运行工况。

每种型号的船用柴油主机都有其选型区域(layout diagram)，区域内任何一工况点都可被选为约定最大持续功率（CMCR或SMCR）。

所谓约定最大持续功率，是指由船东和厂方商定的在船上实际使用的最大功率。

约定最大持续功率确定后，便可确定柴油机的允许运行范围。

约定最大持续功率的确定需要考虑各种因素，如推进功率、螺旋桨效率、航行的机动性、功率和转速储备、是否有轴带发电机以及船舶的营运方式等。

近年来，MAN Ｂ&W和Wärtsilä公司两个主要的船用柴油机公司都提供了柴油机的选型区域，两家公司的内容基本相同。

Wärtsilä公司推出的Sulzer RTA系列柴油机的选型区域是由R１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４四个点的连线所围成的，如图7-10(a)所示，其中R１为柴油机的最大持续功率（MCR，即标定功率）点，R２为100%标定转速与55%标定功率的交点，R３为72%标定转速与100%标定平均有效压力线的交点，R４为72%标定转速与55%标定功率线的交点。

ＭＡＮＢ&W公司的ＭＣ系列柴油机的选型区域是由两条等平均有效压力线L１—L３
（１００％p b）和L２－L４(80%p b)和两条等转速线L１—Ｌ2(100%n b)和L３—Ｌ４（７５％n b）组成的。

如图7-10(b)所示，在整个工作区内，柴油机的最高燃烧压力是相同的。

柴油机在上述区域内，可以由船东和厂方商定在船上实际使用的最大持续功率。

由于所选定工作点的功率和转速往往低于柴油机的标定功率和转速，也称为柴油机的减额输出，所选定工作点的功率称为约定最大持续功率(SMCR或CMCR)。

采用约定最大持续功率，实际上是在寻求船—机—桨三方面经济效益最佳的匹配。

这是一个牵扯面很广的问题，需要考虑到柴油机的燃油消耗率，给定船速所需的最小推进动力，船体形状和螺旋桨效率等问题。

一般来说，选取的工作点越靠下，柴油机平均有效压力越下降。

会使p z/p e提高，柴油机的燃油消耗量下降；工作点越往左，柴油机转速下降，螺旋桨效率提高，而这些是以柴油机动力性为代价的。

对于同样的功率的装置所需发动机缸数要增加，桨的直径和船舶吃水也要增加。

约定最大持续功率的确定是由螺旋桨设计点(PD)和功率储备两方面来确定的，见图７-10(b)。

螺旋桨设计点是根据船舶所需的螺旋桨转速和功率通过理论计算和水池试验得到的。

功率储备主要包括船体工作储备和发动机工作储备。

船体工作储备是考虑到污底、海面风浪的影响需要发动机提供更大的功率，这样螺旋桨特性曲线由轻负荷线⑥左移至重负荷线②，相对设计点PD点有约15%的船体工作储备和2.5%～５％转速储备。

此时对应的工作点为持续。