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1、船 第二章 柴油机（2） 舶动力系统 柴油机的性能指标 n柴油机的性能可从动力性、经济性、运转 性（冷车起动、排放性、加速性、加载性 等）、可靠性、耐久性等方面来加以衡量 l动力性指标 l经济性指标 n柴油机性能指标的分类： l指示指标：反映气缸内工 作完善程度。考虑缸内燃烧程 度、传热损失 l有效指标：输出轴上的指 标，在指示指标的基础上考虑 了一系列机械损失 平均指示压力pi n假设一个不变的压力作用在柴油机气缸活 塞上，这个假想的压力被称为平均指示压 力pi n一个工作循环内，平均指示压力所做的功 =实际工作循环的指示功 二冲程示功图 示功图的功率计算 lPi表征柴油机单位气缸工作容积做
2、功能力的大小 l可用来评定不同类型柴油机的做功能力和工作循 环完善程度 l示功图：柴油机气缸内气体压力随气缸容积变化的图 形。 横坐标-气缸容积V (m3) 纵坐标-缸内压力p （MPa） a-活塞上止点 b-活塞下止点a、b的距离即表示活塞的一个行程 l示功图包围面积=一个工作循环所作指示功Wi 四冲程示功图.swf 二冲程四冲程 npi与气缸容积无关，气缸工作容积的利用 程度 pi单位气缸工作容积的作功能力大工 作循环完善,气缸强化程度 n既定的柴油机， pi 主要由循环供油量（即 负荷大小）决定，还受换气质量、燃油雾 化质量影响 l每循环供油量大， pi 提高 l过量空气系数增大，缸内的
3、燃烧质量提高 ， pi 提高；但当过量空气系数过高时，由于 油气浓度过低，使pi 降低 l工质混合完善程度高， pi高。 l换气质量提高， pi高 一般情况下，pi n增压柴油机 非增压柴油机 n四冲程机 二冲程机 n直流扫气式柴油机的 弯流扫气式柴油机 n柴油机实际运行中，当 l进、排气阀定时或喷油定时发生变化 l气缸漏泄增加 l燃油喷射压力调节不当 l燃油雾化质量下降 l增压系统故障 l pi 降低 实际运行中，可根据示功图变化判断柴 油机工作过程的优劣，并进行必要调整 【例】燃烧太早 n特征： n图形高度即最高爆发 压力pz增大，压力上升曲 线陡削，示功图头部尖瘦 ； n燃烧曲线过早脱离
4、压 缩曲线，着火点提前； n膨胀曲线降低； n排气温度降低 n原因： l喷油正时提前； l喷油器启阀压力降低 ； l调压弹簧断裂； l改用优质燃油而未减 小喷油提前角等。 n危害： 增加柴油机的机械负荷，严 重情况下会引起燃烧（热 ）敲缸现象，影响工作可 靠性。 【例】燃烧太晚 n特征： 1.最高爆发压力pz明显降低; 2.示功图头部圆滑，着火点明显 后移，表示燃烧后移； 3.膨胀线升高； 4.排气温度升高。 n原因 1.喷油正时滞后； 2.喷油器启阀压力过高； 3.改用劣质燃油而未调大喷油提 前角； 4.喷油器或喷油泵漏油； 5.喷油器的缝隙式滤器堵塞等。 指示功率Pi n指示功率：单位时间
5、，柴油机缸内工质推动活塞 所做的功（KW） n如各缸负荷不均匀，将各缸功率相加得到 整台柴油机指示功 n在船上，应定期测量示功图并计算柴油机 的指示功率。 n对既定的柴油机，指示功率为 指示热效率i n指示热效率：指示功的热当量/消耗燃料热量 指示燃油消耗率gi n指示燃油消耗率 ：一千瓦指示功率每小时 消耗的燃油 有效功率Pe n有效功率Pe：从发动机曲轴输出的功率 =指示功率 机械损失功率=Pi Pm nPe通过测功器测量得到 n制动功率（BHP，Brake Horse Power）：柴油 机性能试验台架上由水力（电力、电涡流）测功 器测量出扭矩，计算得到 n轴功率（SHP, Shaft
6、Horse Power）：柴油机 装船后，用扭矩仪测量出扭矩，计算得到 n一般BHPSHP F R n机械损失功率 摩擦损失功率：克服柴油机各相对运动部件 表面摩擦力所消耗的功率 活塞、活塞环与气缸套壁间的摩擦损失（约 占全部摩擦损失的 55 65 ） 十字头滑快与导板、各轴承处的摩擦损失（ 约占全部摩擦损失 35 45 ） n拖动损失功率：带动柴油机辅助机械 ( 喷 油泵、注油器、气阀传动机构、扫气泵、 空气分配器、自驱动滑油泵等 ) 所消耗的 功率 拖动损失功率随着柴油机转速的提高而增加 。 n泵气损失功率：非增压四冲程柴油机的进、排 气过程中所消耗的功率 增压式四冲程柴油机中，由于进气压
7、力高于排气 压力，在换气过程中，工质是对外做功的，因 而，不但没有损失，反而可以获得有用功。 在二冲程柴油机中，没有单独的进气与排气行程 ，所以泵气损失功率为零 a)四冲程非增压发动机 b)四冲程增压发动机 c)二冲程发动机 机械效率 n机械效率的影响因素：设计、制造；负荷、转 速、滑油温度、冷却水温度、安装质量等 n同一台柴油机，转速n不变时，负荷增加时， 机械效率相应增加。当柴油机空载运行时， m 0，即全部指示功均消耗于摩擦损失 n同一柴油机，负荷不变时，转速增加摩擦损 失增加机械效率下降 l不同型式的柴油机，转速、负荷对 m的影 响随使用方式不同而不同 l柴油机出厂时给出 m - n曲
8、线，可根据使 用转速查处m n柴油机有效热效率： n燃油消耗率：轴功率每小时的燃油消耗量 高速柴油机：=212251； 中速柴油机：=197281； 低速柴油机：=160190； n滑油消耗率 在标定工况时，每千瓦小时所消耗滑油量的克 数，单位为g/kWh 滑油在机内不断循环使用的，其消耗的主要方 式有： .滑油经活塞环窜入燃烧室或由气阀导管流入 缸内烧掉，未烧掉的则随废气排出。 .有一部分燃油在曲轴箱内雾化或蒸发，而由 曲轴箱通风口排出。 一般为0.54g/kwh 船用柴油机的常见经济指标范围 机 器 类 型 平均指示压力 pi(Mpa) 燃油消耗率 ge(g/kWh) 有效效率e 四冲程非
9、增压机0.651.052242520.340.38 四冲程增压机0.93.01912280.380.45 二冲程非增压机0.620.92182720.320.395 二冲程增压机0.92.01582180.3950.55 柴油机其他常用参数 n表征柴油机机械负荷、热负荷、基本结构、强 化程度、排放性能的参数 l最高爆发压力 l排气温度 l活塞平均速度 l行程缸径比 l强化系数 l压缩比 l重量指标 l外形尺寸 最高爆发压力pZ 燃烧过程中气缸内工质的最高压力 最高燃烧压力pz 是柴油机周期性变化的机 械负荷的主要外力，它引起各受力部件的 应力和变形，造成疲劳破坏、磨损和振动 p z 值的大小对
10、柴油机的结构与性能有很大的影响 ： lp z 增大，柴油机结构尺寸增大，柴油机笨重 lp z 增大，螺栓预力增大，接合面比压增大 lp z 增大，磨损、振动、噪音等相应增大。为了避 免工作粗暴，一般限制其平均压力增长率 lp z 增大，会破坏润滑油膜，加剧零部件的磨损， 降低柴油机的使用寿命 l适当提高 p z 、压缩比、压力升高比(=最高爆 发压力/压缩压力)，可以提高柴油机的热效率，降低 燃油消耗率 l目前柴油机p z 值的数据范围是： 非增压柴油机，68MPa 增压 低速二冲程柴油机，7 18MPa 增压中、高速柴油机 ，7 20MPa 2.排气温度tr n 表征柴油机热负荷的主要参数之
11、一 n 用来衡量缸内热负荷大小和燃烧质量， 一般不大于550 n非增压柴油机的排气温度：排气管内废气 的平均温度 n增压柴油机的排气温度：气缸盖排气道出 口处废气的平均温度 n船舶上通常用排气温度来衡量 热负荷的大 小 n柴油机排气温度过高，标志热负荷过高， 经济性下降、可靠性下降、排放性能下降 等 排气温度是柴油机运转管理中重要的 监 测参数 3.活塞的平均速度vm 曲轴一转两个行程中活塞运动速度的平均值 n活塞平均速度是影响柴油机机械负荷、热负荷 、寿命的重要参数之一 n提高 vm 可以提高柴油机的功率，但零件的机 械负荷、热负荷同时增加，机件的磨损也相应 增加，因而靠提高 vm 来提高功
12、率是有限度的 n近代船用大型二冲程柴油机多采用长或超 长行程。为了维持较长的寿命和适当的 vm 值，均选用较低转速 如标定转速低于 100r/min，甚至仅为60-70 r/min 4.行程缸径比S/D n 是柴油机的主要结构参数之一 n当活塞平均速度vm 及缸径D为定值时 （1）行程缸径比影响柴油机的尺寸和重 量。S/D增大柴油机的宽度、高度及重 量均增加 （2）影响机械负荷 缸内气体压力不直接受S/D的影响，但最大 往复惯性力F jmax 随S/D的增加而减小，即 S/D增加，机械负荷减小 （ 3）影响热负荷 S/D增大气缸散热面增大，热负荷减小， 同时影响燃烧室各部件的传热量分配比例 （
13、 4）影响混合气形成 S/D增大，燃烧室余隙高度增大，有利于混合气的 形成 （ 5）影响扫气效果 S/D增大气流在缸内流动路线长降低扫气效果 此影响随扫气形式不同而不同。如对直流扫气的 影响较小，允许使用较大的S/D值，而对弯流扫 气的影响比较大，不允许使用较大的S/D值(通 常不高于2.2) （ 6）影响曲轴刚度 S/D增大曲柄半径变大，曲轴轴颈的重叠 度降低，曲轴刚度下降 （ 7）影响轴系的振动性能 S/D增大，轴系的纵振及扭振固有频率降低 ，容易产生不允许的纵振和扭振 船用柴油机的 S/D值范围 机型高速机 中速机 低 速 机 弯流直流 长（超长 行程） S/D 0.91.251.01.
14、81.712.051.882.262.424.20 5.强化系数Pevm 表征柴油机受热负荷和机械负荷两方面的综合 强烈程度 6.压缩比 影响柴油机的经济性、动力性、燃烧起动性 l对经济性的影响 在一定范围内提高可明显提高经济 性，but当12后对经济性的影响程度 减弱； 过高时将由于余隙高度过小不利于 雾化与混合气形成而使经济性降低 l对机械负荷的影响： 增加压缩压力p c 最高燃烧压力p z 增加柴油 机的机械负荷增加，磨损加剧。 机械负荷限制了的上限 l对燃烧和起动的影响：为了保证柴油机冷 车起动时能正常燃烧，不能太低。因此，保 证柴油机具有良好的冷车起动性成为限制 的 下限 l在运转中的柴油机，压缩比 会发生变化 如：活塞头部的烧蚀、主轴承的磨损等都 会造成降低 n质量 n体积
