微整工作室招聘:柴油机111

课题十三  柴油机的特性

第一节  柴油机的工况与特性

一、柴油机的工况

所谓柴油机工况是指柴油机的工作状况或运行状况，如转速的高低、负荷的大小等。概括起来，可以归纳为以下三类：

（1）要求柴油机的转速n始终不变或变化很小，而负荷可根据需要从零变化到最大。柴油机带动发电机工作时，按这种工况工作。

（2）要求柴油机的负荷和转速都能在一定的范围内变化，而它们之间的变化有一定的规律。柴油机作主机带动螺旋桨工作时按此工况工作。

（3）柴油机的负荷及转速都可以在较大的范围内各自任意变化，它们之间没有相互的依赖关系。如船上用来带动应急空气压缩机或应急消防泵的柴油机以及陆上的车用柴油机都是属于这种工况。

二、柴油机的特性

柴油机的主要性能指标和工作参数随工况而变化的规律叫柴油机的特性。

表征柴油机性能的有效指标主要有：平均有效压力pe、有效功率Pe、有效转矩Me、有效耗油率ge、有效热效率η_e等。

表征柴油机运行状态的工作参数主要有：转速n、进气压力pa、增压压力pk、最高爆发压力pz、排气温度tr、冷却水温度tw、增压器转速nT等。

通常用试验的方法把在不同工况下所测得的上述性能指标和工作参数之间的关系用平面直角坐标系表示出来。这些性能指标及工作参数之间的关系曲线就叫做柴油机的特性曲线。

柴油机的特性是柴油机固有的性能，是合理使用柴油机的重要依据，有以下作用：

（1）评价柴油机性能。

（2）确定柴油机工况。

（3）分析影响特性的状态。

（4）检测柴油机的状态。

第二节  柴油机的负荷特性

一、负荷特性曲线及其制取

负荷特性是指柴油机在转速固定不变时，其主要性能指标及工作参数随负荷而变化的规律。将这些变化规律在平面直角坐标图上表示出来，就叫负荷特性曲线。

负荷特性曲线的测取，通常是在专门的试验台上进行的。在有条件的船厂或实船上，也可以测取。其具体步骤如下：

（1）首先按柴油机开动起来，并逐渐将转速加至标定转速n_b，再通过测功器稍加外负荷，使柴油机达到稳定的热状态。

（2）依此将负荷从零加至标定负荷的25%→50%→75%→100%→110%。每加一次负荷都适当地增加供油量，以维持柴油机的转速不变。记录每次负荷下柴油机的各性能参数。

柴油机的负荷，常用平均有效压力p_e来表示，又因负荷特性试验时，柴油机的转速n固定不变，所以也有用有效功率P_e来表示负荷的大小的。

教材图13-1为国产某四冲程柴油机带动功率为275kW的发电机工作（n_b=500r/min）时，所测得的负荷特性曲线。这种特性曲线，可供管理时作参考。例如当柴油发电机组在75%标定功率下运转时，可用仪表测出其p_z、p_k、t_r和g_e等数值，把它们与图中相应于该功率时的p_z、p_k、t_r和g_e等数值相比较，如数值相差太大，则应查明原因，及时解决。

教材图13-2所示为PC2-5型柴油机在500r/min、每缸功率440kW时的负荷特性曲线。其中R为排气烟度指数，△为喷油泵齿条位移。

图 13-3 柴油机按负荷特性工作时各主要指标和参数的变化

1．有效功率 P_e和指示功率 P_i的变化情况

有效功率P_e是通过坐标原点的一条直线。这是因为P_e与p_e之间存在着公式 的关系。对于既定的柴油机，当按负荷特性工作时，c、n、i都为定值。上面的公式可以写成 。

根据P_i=P_e+P_m，则当转速不变时，机械损失功率 P_m可以看作不变，所以指示功率P_i也是一条直线，与P_e平行，相距为机械损失功率P_m值的大小。

2．机械效率ηm的变化情况

根据公式 ，而 ，当 时， ,当 时，η_m达到最大值。

3．有效热效率ηe和有效耗油率ge的变化情况

    η_i主要取决于过量空气系数α，而α则取决于每循环的供油量与充气量。对于非增压柴油机，当转速n不变时，每循环的充气量几乎不变，α的变化主要取决于循环供油量。随着负荷的增加，供油量加大，α则减小。对于废气涡轮增压柴油机，充气量还受到增压器输出空气压力p_k的影响，α随负荷增加而下降的速度有所不同，但总的趋势仍是α随负荷的增加而减小的。

    由于α随负荷的增大而降低，因此η_i亦随负荷的提高而降低。当负荷下降到某一较低的数值时，η_i则不再提高。（如图中的η_i曲线所示）。

η_e=η_i·η_m。当负荷从p_e开始降低时，η_i是随p_e的降低而增大的，η_m却随p_e的下降而减小。初期，η_i的变化速率大于η_m，因此η_e也是随p_e的降低而提高的。当负荷继续下降时，η_i的增大速度减缓而η_m的降低速度加快。因此η_e在达到某一最高值后就开始同η_m一起随负荷的降低而降低。在低负荷区，η_m随负荷的降低而急剧降低，使η_e也以很快的速度下降（见图中的η_e曲线）。

g_e与η_e正好相反，从图中可以看到，有效耗油率曲线g_e是一条凹形曲线，而有效热效率η_e是一条拱形曲线。随着负荷的变化，在低于标定负荷p_b的某一值下，有一个η_e的最大值η_emax和g_e的最小值g_emin。值得一提的是，柴油机运行的最佳工况，并非指g_emin哪一点，而是g_e/p_e最小的（输出功率既大而耗油率又小的）那一点，即特性曲线图中，从坐标原点作g_e=f(p_e)曲线的切线，切点对应的p_e即为最佳工况，此时g_e/p_e最小。

在低负荷运行时，η_e降低，耗油率增加，经济性变差，越是低负荷越显著，这个特点也是一切柴油机所共有的。

第三节  柴油机的速度特性

将油量调节机构（油泵齿条或拉杆）固定在某一位置（每循环供油量不变）时，改变柴油机的外负荷，使柴油机转速变化，这样测得的柴油机的主要性能指标和工作参数随转速n而变化的规律，叫柴油机的速度特性。

按油量调节机构固定的位置不同，柴油机的速度特性又可分为全负荷速度特性、超额负荷速度特性和部分负荷速度特性。柴油机的速度特性是在柴油机制造厂试验台上试验时测取的，在实船条件下轮机员无法进行这项试验。

柴油机装配完毕之后，经过试车、磨合和调试，使各缸功率达到平衡并把喷油提前角调整至最佳值，才进行试验。在试验过程中，润滑油和冷却水的温度和压力应始终保持在最佳状态。

一、全负荷速度特性

    把油量调节机构固定在标定供油量（即柴油机在标定转速n_b下发出标定功率P_e时的供油量）位置时，柴油机的主要性能指标和工作参数随转速n而变化的规律，叫全负荷速度特性。又叫标定负荷速度特性。

1．全负荷速度特性曲线的测取

    先开空车，使柴油机达到标定转速n_b，然后通过测功器逐步增加柴油机的外负荷，同时相应地增加供油量，使柴油机稳定在标定工况运行。此时柴油机的转速为标定转速n_b，发出的有效功率为标定功率P_b（轴上的转矩也称为标定转矩M_b）。于是将油量调节机构同专用工具或螺钉锁定，先记下该转速下的各性能参数，然后通过测功器逐次增加柴油机的外负荷，柴油机的转速会相应降低。使柴油机在标定转速和最低稳定转速之间逐次稳定在6～8个不同的转速上，测量并记录各对应转速下柴油机的各个性能参数。

    按照我国“国标”的规定，进行全负荷速度特性试验时，要遵循统一的标准，一是标准环境状态，二是标定试验功率。

标定试验功率是指以何种功率作为试验时的标定功率。各个国家也有不同的标准。按照我国国家标准，内燃机的标定功率分为：15分钟功率、1小时功率、12 小时功率和持续功率四种。我国《钢质船舶入级与建造规范》（1983年）规定，船用柴油机以持续功率为标定试验功率。国外船用柴油机以最大持续功率（MCR）定为标定功率。

2．全负荷速度特性曲线分析（教材图13-4）

图 13-4  6300C型柴油机全负荷速度特性曲线

    在没有任何损失的理想情况下，当每循环的供油量不变时，柴油机的转矩与转速无关，转矩M_e应是一条水平的直线。但实际上，柴油机的转矩M_e随转速n的变化关系呈中间凸起，两头稍低的状态。这是因为低速时，每循环所占有的时间较长，气缸与活塞之间的漏气和散热损失等都较明显。而且低速时，喷油泵柱塞运动速度低，泄漏量也较大，每循环的供油量较高速时小，所以转矩较小；高速时，充气系数η_v会变低，燃烧过程更短，后燃变得严重，而且高速时摩擦损失也大，因此转矩也会稍低。最大转矩M_emax所对应的转速n_emax＜n_b。

2）有效功率 Pe的变化情况        

柴油机的有效功率与转矩和转速的乘积成正比。从最低稳定转速至标定转速之间的工作转速范围内，转矩变化甚微，所以有效功率P_e近似一条斜直线。但当P_e达P_b时，若再加大转速，因换气质量恶化，使燃烧不良，因摩擦而引起的机械损失也增大，因此使功率P_e又开始随转速升高而下降。所以，全负荷速度特性曲线中P_e =f(n)曲线反映了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有效功率。柴油机装到实船上工作时，因机舱的环境温度较高，排气管路长，阻力大以及各种航行条件等因素的影响，如果仍要按试验台上所测得的标定功率工作，柴油机必然要超负荷。所以船舶主机在长期运转中所使用的功率往往要比标定功率小（约为标定功率的85%～95%）这个功率称为运转功率。

    3）有效耗油率g_e的变化情况

    开始时，g_e随转速n的增加而减小，当转速增大到一定程度后，由于进气阻力增大，进气量减少，而摩擦损失随转速升高而有所增大，所以有效耗油率又随转速的增高而微微有所上升。最低耗油率g_emin所对应的转速n_gemin＜n_b。有效耗油率曲线中，若最低耗油率段比较平坦，说明柴油机在较宽的转速范围内都能获得良好的经济性。

二、超负荷速度特性

    按我国船用柴油机功率标准规定，柴油机的超负荷功率为标定功率的 110%，柴油机必须保证在超负荷功率下至少能连续运转lh而排气不冒黑烟。

    测定超负荷速度特性时，先使柴油机在标定转速n_b下稳定运转，然后通过测功器逐渐增加柴油机的负荷，并同时增加供油量，使柴油机达到超额负荷功率和相应的转速（作发电柴油机时为标定转速n_b；作主机时，此时是在 103%下运转）。此时油量调节机构所处的位置被确定为实际运转中允许达到的极限位置。为了使柴油机运转中，供油量不超过这一极限位置，实船上的柴油机均在这一位置上设置限位块。

在油量调节机构固定在上述极限位置的情况下，逐渐增加柴油机的外负荷，使柴油机在低于超负荷功率转速的若干个不同转速下稳定运转，测量并记录相应转速下的性能参数。根据这些数据则可绘出超负荷速度特性曲线。该曲线显示了柴油机在各种不同转速下工作时所能达到的最大功率。由于此时柴油机是处于超负荷下工作的，气缸内温度、压力都很高，致使机件受到很大的热应力和机械应力。因此，按超负荷速度特性工作、时间不应超过lh，一般只允许在必要时短时间运转。

三、部分负荷速度特性

把喷油泵油量调节机构固定在比标定功率供油量小的各个不同位置上所测试的柴油机的速度特性，称为部分负荷速度特性。因为比标定功率供油量小的位置有很多，根据油量调节机构所固定位置的不同，可以测得很多部分负荷速度特性曲线。

        图13-5  柴油机的各种速度特性                   图13-6  柴油机速度特性曲线

从图13-5可以看出，柴油机的有效功率P_e和有效耗油率g_e随转速n变化的总趋势是一致的，循环供油量大、转速高时，有效功率P_e越大；而有效耗油率g_e的变化规律是：在每种供油量不变的前提下和在柴油机可运转的转速范围内，都存在一个最经济的转速n_gemin，在同一转速和不同供油量时，以标定供油量的g_emin为最小。从P_e曲线的分布来看，自上而下依次是110%、100%、90%、75%、50%标定负荷的速度特性。从g_e曲线的分布来看，自上而下的依次是50%、75%、90%、110%、100%标定负荷的速度特性。由此可以看出，柴油机按部分负荷特性运行时，燃油消耗率g_e的值较大，所以经济性较差。

第四节  柴油机的推进特性

当柴油机作为船舶的主机带动螺旋桨工作时，不管柴油机与螺旋桨是直接连接还是通过减速齿轮箱连接，二者之间总要保持能量上的平衡。因此主机发出的功率和转矩随转速而变化的规律与螺旋桨吸收的功率和转矩随转速而变化的规律必须相同。

一、螺旋桨的特性

根据螺旋桨理论，可以得知：螺旋桨所需的吸收功率与其转速的三次方成正比。

图13－7 螺旋桨推进特性                      图13-8  λ_p不同的螺旋桨特性

式中C、C₁与螺旋桨的结构参数及其运转时的动力情况有关。对于选定的螺旋桨，C、C₁主要取决于进程比 。进程比 表示螺旋桨每转一转产生的位移（ ）与螺旋桨直径D之比。当船舶定速航行时， 为定值，C、C₁为常数。

螺旋桨特性曲线如图13-7所示。不同的船舶， 值会不相同，同一条船舶，因航行条件不同， 值亦不一样。 越小，螺旋桨的特性曲线越陡。 =0时，船速为0，相当于系泊试验或启航情况，此时螺旋桨特性曲线最陡。图13-8所示为不同 值时螺旋桨特性曲线的变化。

二、柴油机的推进特性

    柴油机作主机带动螺旋桨工作时，根据主机功率与螺旋桨所需功率相等的原则，主机所发出的有效功率P_e与转速n的关系也应遵循三次方的规律，即P_e=P_p=Cn³。柴油机依螺旋桨特性工作时，各主要性能参数随转速而变化的规律称为柴油机的推进特性。

柴油机的推进特性是在专门的试验台上进行测试的。根据柴油机的标定功率和标定转速的值，首先按公式P_e=Cn³计算出柴油机按推进特性工作时各转速下对应的功率值，将其对应的百分数列于表13-1中。

表13-1

转速n_b%

103

100

90

80

70

60

50

40

功率P_b%

110

100

72.9

51.8

34.3

21.6

12.5

6.4

    根据表13-1所列数据，将柴油机调整到在推进特性的各对应点上稳定运行，测取各对应点下柴油机的各主要性能参数，然后以转速为横坐标，以所测参数为纵坐标绘成曲线，即为柴油机的推进特性曲线。

图13-9  6300C型柴油机推进特性曲线          图13-10  6L350PN型柴油机推进特性曲线

    从教材图 13-9上某一工作转速（例如 n_b=400r/min）处，作一垂线与各曲线相交，就可以得出该转速下各性能参数的值。将这些参数值与实际运行中所测得的参数值相比较，如果稍有差异，则属正常的，可能是由于测试条件不同而引起。如若发现相差太大，则属不正常情况了，应尽快查明原因，及时处理。差值过大的主要原因可能有：①主机或轴系故障；②螺旋桨变形或损坏；③船舶超载或船体污底。

    图13-10为6L350PN型柴油机推进特性曲线。

三、柴油机与螺旋桨匹配

在进行船舶设计时，是根据主机来选配螺旋桨的。既要使柴油机的功率得到充分发挥，又要使柴油机在全部的工作转速范围内都不超负荷。因此，设计时，通常是以柴油机标定功率(P_b)的85%~95%（一般取90%）作为配桨功率的。目的是使柴油机留有一定的功率储备，如图13-12所示。

图13-12  柴油机与螺旋桨配合特性

第五节  柴油机的调速特性

柴油机的调速特性是指当调速器的转速调节机构固定于某一位置时，在外负荷从零到最大值或相反过程的全部变化范围内，柴油机的功率、扭矩或平均有效压力与转速之间的关系。

特点：调速特性与柴油机的其它特性不同，它并不涉及柴油机内部的工作过程，只与调速器的工作性能直接有关──主要指稳定调速率δ₂。

    试验方法：先在标定转速n_b和标定负荷P_b下满足标准试验条件稳定运转时，先卸去全部负荷，使其转速达到最高空载转速，然后逐步增加负荷至标定负荷，记录各测试点的柴油机转速、扭矩和油耗等参数并绘成曲线，便得到柴油机的调速特性曲线。

一、双制（限速）式调速器的调速特性

在最低和最高控制转速时起作用，低速加油高速断油。图13-13图中“1”“2”“3”“4”为全负荷及部分负荷的速度特性，该中部调整不起作用。

 图13-13 双制式调速器的调速特性                 图13-14  全制式调速器调速特性

二、全制式调速器的调速特性

全制式调速器不仅在低速和高速范围内有调速作用，而且在整个运行转速范围内都有调速作用。图13-14中曲线2、3、4、5、6分别为当调速器的转速调节机构固定于各个不同位置时的调速特性线。

由全负荷变化至空负荷，经调速器调节，转速由n_a变化到n_b。如果n_b＞n_a，说明柴油机在负荷变化时，存在转速差，调速器的转速调节称为有差调节；如果n_a=n_b，转速差为零，（即稳定调速率δ₂=0），调速器的调节为无差调节。

第六节  柴油机的限制特性及运转范围

一、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运转功率，以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。

    柴油机按全负荷速度特性工作，在标定工况点（n=n_b，P_e=P_b），柴油机的热负荷和机械负荷不会超出允许范围。当转速降低时，对非增压柴油机来说，会因转矩增大而导致机械负荷超出允许范围；而对废气涡轮增压柴油机，当转速降低时，还会因废气能量迅速减少，增压器输出空气压力降低，进入气缸的空气量变少而使α降低，会引起气缸内燃烧不良、燃气温度升高，从而可能导致柴油机的热负荷在低负荷时也超出允许范围。

按照柴油机类型的不同，在确定其限制范围时，通常把最高爆发压力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和增压器转速n_T等参数作为限制因素。其中较常用的是M_e和T_r。

1．等转矩限制特性──限制机械负荷

    对于一台既定的柴油机，若不考虑扭转振动所引起的附加应力，轴系的机械负荷取决于曲轴扭矩M_e的大小。而在设计时，是以在标定工况下的转矩M_b为依据的。所以，只要限制柴油机的转矩M_e，使之在任何情况下都不超过标定工况下的转矩M_b，轴系就不致因超机械负荷而损坏。

由此可见，转矩限制特性在P_e-n坐标图上是一条通过坐标原点和标定工况点的直线，图13-6中的线7所示。在等转矩特性线以下的全部工作转速范围内，柴油机不会超机械负荷。

2．等排温限制线──限制热负荷

    柴油机的热负荷与过量空气系数α有直接的关系。过量空气系数α会随转速的降低而减小引起燃烧不良，排气温度升高而导致柴油机在低速运行时热负荷超过允许范围。但是，柴油机在运转过程中，过量空气系数α的值很难测定。而且在整个运转转速范围内，要使α保持不变也相当困难。所以实际上常以排气温度T_r作为限制柴油机热负荷的参数来建立相应的限制特性──等排温限制特性。

    从实验可知，柴油机在标定工况下运行时，机械负荷和热负荷都不会超出规定值。当转速降低时，在转速开始下降的初期，按等转矩线变化的功率小于按等排气温度线变化的功率；而到转速下降的后期，按等转矩线变化的功率却大于按等排气温度线变化的功率。因此，柴油机的限制特性中，在转速下降的初期，以转矩作为主要限制参数；而在转速下降的后期（低转速范围），则以排气温度作为主要限制参数。

二、船用柴油机的允许工作范围（图13-15）

1．最大功率

柴油机在各种转速下允许达到的最大功率，在不同的工作条件下分别由超负荷速度特性

图13-15  船用柴油机的允许运转范围

2．最小功率

    柴油机在各种转速下的最小功率由最小的部分负荷速度特性（曲线8）来限制。柴油机负荷减少时，循环供油量也要相应减小。若减至太小，会使各缸的供油量变得很不均匀，甚至可能导致个别气缸不喷油或不发火，使柴油机运转不稳定；并且还会产生因燃烧不良，燃烧室表面严重积炭或有未经燃烧的柴油沿气缸壁流入曲轴箱污染并稀释润滑油、低温腐蚀加剧等不良后果。最小功率一般规定为长期使用功率的10%～25%。

3．最高转速

    柴油机转速过高，会产生过大的惯性力和惯性力矩，导致机件的振动和磨损加剧，使柴油机不能安全工作。柴油机在各种负荷下可能达到的最高转速，在装有调速器的情况下，由调速特性（曲线5和曲线6）来限制。如果在标定功率下调速器使柴油机在标定转速下稳定运转，则在负荷减小时，它将使柴油机在调速特性线5所确定的各个转速下稳定运转。同理，如果在超负荷功率下调速器使柴油机在相应的最高转速下稳定运转，则在负荷减小时，它将限制柴油机在曲线6所确定的转速范围内工作。

4．最低转速

    柴油机在各种负荷下的最低转速也是有限制的，柴油机在过低的转速下运转时，油泵柱塞的速度下降，泵油压力降低得过多，致使燃油雾化不良，混合气形成的质量变差，加上各喷油泵的柱塞套筒在加工方面存在的缺陷，可能使个别缸不能连续发火，柴油机工作不稳定甚至导致燃油不能自燃而停车。决定这条限制线的是按全负荷速度特性工作（即在油门不变情况下）的最低稳定工作转速（曲线9）和按推进特性工作（即在柴油机低转速、低负荷）时的最低稳定运转转速（曲线10）。作为船用主机的最低稳定转速应以曲线10为准。一般低速柴油机的最低稳定工作转速不高于标定转速的30%，中速柴油机不高于40%，高速柴油机不高于45%。

    综上所述，对于作为船用主机的柴油机来说，其允许的工作范围如图上l-3-5-8-10曲线所围成的（即绘有阴影线的那部分）面积。