模块九柴油机特性

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。

2．目的（1）评价柴油机的性能（2）确定柴油机工况 （3）分析影响特性的因素（4）检测柴油机的状态三、柴油机特性的分类 Ne=Cpeni 1)速度特性 pe不变，n改变 2)负荷特性 n不变，pe改 3)推进特性 n和pe均改变化

单元二速度特性 1．概念：将喷油泵油量调节杆固定在某一位置，改变柴油机外负荷以改变其转速，测量各转速下的功率Ne、扭矩Me（或平均有效压力pe）、有效耗油率ge和排气温度Tr等随转速的变化规律。根据喷油泵油量调节机构固定的位置不同，有全负荷速度特性（亦称外特性）。部分负荷速度特性和超负荷速度特性。

2．全负荷速度特性（1）概念：将喷油泵油量调节杆固定在标定供油量位置，改变柴油机外负荷以改变其转速，测量各转速下的功率Ne、扭矩Me（或平均有效压力pe）、有效耗油率ge和排气温度Tr等随转速的变化规律。（2）标准环境状况：（3）柴油机功率的标定：我国国家标准规定了内燃机标定功率分为15分钟功率、1小时功率、12小时功率、持续功率四级。15分钟功率：柴油机允许连续运行15分钟的最大有效功率。商船不允许使用这么大的功率。可作为军用车辆和舰艇的追击功率。2．全负荷速度特性（1）概念：将喷油泵油量调节杆固定在标定供油量位置，改变柴油机外负荷以改变其转速，测量各转速下的功率Ne、扭矩Me（或平均有效压力pe）、有效耗油率ge和排气温度Tr等随转速的变化规律。（2）标准环境状况：（3）柴油机功率的标定：我国国家标准规定了内燃机标定功率分为15分钟功率、1小时功率、12小时功率、持续功率四级。15分钟功率：柴油机允许连续运行15分钟的最大有效功率。商船不允许使用这么大的功率。可作为军用车辆和舰艇的追击功率。

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。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。

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。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。

（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。（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。

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：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：

（1）n增加,充量系数φC降低；（2）n增加,非增压机过量系数 α降低（φC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ηi降低（与α成正比），而增压机ηi增加。（4）n增加,非增压机平均指示压力Pi降低（与ηi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ηm降低（ηm=1-Pm/Pi，n增加，Pm增大，而Pi降低），而高增压机ηm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ηe降低，而高增压机ηe增加。通常最大ηe（be）发生在低于nb的某一转速。

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。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。单元三柴油机的负荷特性

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，ηm增大，空车时ηm=0（3）Ne增加，ηi和α均降低。（4）Ne增加，ηe先期增加，后期降低。所以必在运转范围内出现最大ηe（be）。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，ηm增大，空车时ηm=0（3）Ne增加，ηi和α均降低。（4）Ne增加，ηe先期增加，后期降低。所以必在运转范围内出现最大ηe（be）。

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=K1ρnP2D4（9-1） MP=K2ρnP2D5（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。单元四节推进特性

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λP有关。λP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λP=VP/（nPD）。在船舶稳定航行时，λP=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），λP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λP=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。

2．不同λP时的螺旋桨特性3．不同H/D时的螺旋桨特性2．不同λP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

（2）试验方法和步骤 ①起动柴油机，使之在接近n1的转速下运转。 ②调节柴油机的调速手柄和测功器负荷（水力测功器的进水量），使转速为n1、负荷为Ne1，待稳定运转后，测量并记录有关性能参数和运转参数。 ③同理调节柴油机的另一个工况（n2、Ne2）稳定工作，测量并记录有关参数。④⑤⑥⑦因 ④以此类推可得其它选定工况点（n3、Ne3）．．．．．．（n7、Ne7）的有关参数值。 ⑤以转速n为横横坐标，以记录的性能参数和运转参数作为纵坐标，绘制成曲线。

三、各性能参数随转速变化的规律1．n增加，充量系数φC降低。2．n增加，过量空气系数α降低。3．n增加，指示热效率ηi降低（与α成正比）。4．n增加，机械效率ηm增大（ηm=1-Pm/Pi，n增加，Pi的增大量超过Pm）。5．n增加，初期ηe增加，be降低（ηm的增大量大于ηi的降低量）；后期ηe降低，be增加。通常增压机在80-90%nb时ηe最大。三、各性能参数随转速变化的规律1．n增加，充量系数φC降低。2．n增加，过量空气系数α降低。3．n增加，指示热效率ηi降低（与α成正比）。4．n增加，机械效率ηm增大（ηm=1-Pm/Pi，n增加，Pi的增大量超过Pm）。5．n增加，初期ηe增加，be降低（ηm的增大量大于ηi的降低量）；后期ηe降低，be增加。通常增压机在80-90%nb时ηe最大。

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。

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。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。

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。

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αb。若柴油机在各种转速下都保持不小于αb，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。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。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。

单元七柴油机与螺旋桨的配合 1．机桨匹配的基本原则既使柴油机的功率得到充分利用，又使柴油机的功率在全部运转速范围内都不超出允许的范围。（1）以主机标定功率配桨原则上是在柴油机标定转速下使设计选配的螺旋桨吸收的功率恰好等于柴油机的标定功率NeH(螺旋桨曲线过MCR点)如图9-19所示。螺旋桨与柴油机的匹配点在柴油机的标定工况(MCR)点a。曲线1即为柴油机的全负荷速度特性线。当要柴油机在低于标定转速nH的某一转速n2下运转时，就减小油门，减少每循环供油量。曲线2即为相应的部分负荷速度特性线。交点b就是这时柴油机、螺旋桨的工况点。从图上看出，这时柴油机的功率不仅小于标定功率NeH，而且小于这个转速下由全负荷速度特性曲线所限定的功率（对应于d点的的功率。这里为了分析简便，以全负荷速度特性作为限制特性。）可见，在转速nH到nmin的全部变化范围内，柴油机的功率都不会超出允许的范围。在运转中还允许柴油机在高于nH的最大转速nmax下工作。这时需要增加供油量，相应于这个供油量的超负荷速度特性曲线3 与螺旋桨特性曲线相交于C点。这时柴油机处于超负荷状态，因此只允许柴油机短时间在这个转速下工作。

（2）螺旋桨结构参数对机桨配合的影响图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、是三个螺旋桨的特性曲线。螺旋桨Ⅱ配得过重、螺旋桨Ⅲ配得过轻。螺旋桨Ⅰ则匹配正确，其特性曲线正好过标定工况点a。曲线1为柴油机全负荷速度特性曲线，旋桨吸收的功率恰好等于柴油机的标定功率。

当螺旋桨配得过重时，这时螺旋桨特性曲线Ⅱ与柴油机全负荷速度特性曲线相交于b点，此时尽管油门加大到标定位置，但柴油机的功率和转速均达不到标定值，而负荷(pe) 却已达到持续运转的限制值（全负荷速度特性作为限制特性）。如要让柴油机发出标定功率NeH，就需要进一步增大供油量，如f点所示。这时负荷(pe)已超过标定值了。如要使柴油机在标定转速nH下工作，如e点所示，就更是超负荷了。可见，当螺旋桨配得过重时，要么造成柴油机超负荷（这是不允许的），要么柴油机功率发不足。柴油机的能力无法得到充分利用。

当螺旋桨配得过轻时，这时螺旋桨的特性曲线Ⅲ与柴油机全负荷速度特性曲线相交于d点，即柴油机油门推到标定位置时就超速了。为了使柴油机在标定的转速nH下工作，只得减少油门，让它在部分负荷速度特性曲线4上工作。这时工作点为C点，柴油机的功率小于标定功率NeH，也不能发足。可见，当螺旋桨配得过轻时，要么造成柴油机超转速（这是不允许的），要么柴油机功率发不足。柴油机的能力也无法得到充分利用。二、外界状况（船舶阻力）对对机桨配合的影响三、选配螺旋桨时的功率储备当螺旋桨配得过轻时，这时螺旋桨的特性曲线Ⅲ与柴油机全负荷速度特性曲线相交于d点，即柴油机油门推到标定位置时就超速了。为了使柴油机在标定的转速nH下工作，只得减少油门，让它在部分负荷速度特性曲线4上工作。这时工作点为C点，柴油机的功率小于标定功率NeH，也不能发足。可见，当螺旋桨配得过轻时，要么造成柴油机超转速（这是不允许的），要么柴油机功率发不足。柴油机的能力也无法得到充分利用。二、外界状况（船舶阻力）对对机桨配合的影响三、选配螺旋桨时的功率储备

四、系泊工况及航行中的过渡工况 1．系泊工况船舶在建成或修理后，为了检验主机的运转情况和操纵性能，需要在码头上进行系泊试验。在船舶系泊不动的情况下主机带着螺旋桨运转的工况称为系泊工况。这时船速为零，进程比λP为零，图9-4中的扭矩系数K2达到最大值，螺旋桨特性曲线明显比正常稳定航行时陡，如补图9-3所示。图中曲线1和2分别为正常稳定航行和系泊试验时的螺旋桨特性曲线。线3为主机的全负荷速度特性曲线。船舶正常稳定航行时，主机与螺旋桨配合工作于a点，即在标定转速nH下发出标定功率NeH。系泊试验时，主机与螺旋桨配合工作于b点，其相应的转速nb和功率Neb均比nH和NeH明显减小。如系泊试验时主机转速大于nb，由补图9-3中可以看出，主机就会超负荷。因此为了保证主机不致超负荷，应使系泊试验时的转速不大于nb，若由于缺乏技术资料而无法确定nb值，则可取0.80～0.85nH作为试验时的最高转速。系泊试验时还应特别注意排气温度。当排气温度达到船舶在全速航行时的正常排气温度时，就应进一步降低试验转速。

2．起航工况3．加速工况4．转弯工况5．倒车工况2．起航工况3．加速工况4．转弯工况5．倒车工况

思考题1．什么叫推进特性？试以某柴油机标定功率为Pb=200 kw，标定转速nb=1000r/min说明推进特性曲线的测取过程。2．某船主机为MAN/B＆W6SMC型柴油机，标定功率为Pb=8800 kw，标定转速nb=115r/min，按90%标定功率配浆。在修船后满载航行时转速为n=94.5r/min，燃油耗量Gf=1113kg/h。求该机的运转有效功率Pe(kw)，有效油耗率be(g/kw.h)及有效热效率ηe。（计算至小数点后两位，燃油低热值为Hu=42700kJ/kg）3. 什么叫负荷特性？试以某柴油机标定功率为Pb=100 kw，标定转速nb=1000r/min说明负荷特性曲线的测取过程。

模块九 柴油机特性