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1、柴油机的特性一, 柴油机工况的变化柴油机由于用途和使用条件不同，它在实际运转中的工作状况的变化可以分成以下三类：1. 带动发电机的柴油机：其工作特点是要求转速恒定，以保持供电电压和频率稳定。在这个恒定的转速下，功率可 在零到最大值之间变化，其大小取决于用电情况。2. 带动螺旋桨的柴油机：柴油机转速与螺旋桨转速一致（或是倍乘关系），稳定运转时，柴油机发出功率与螺旋桨 吸收功率相等。因此，柴油机的工况变化规律取决于螺旋桨特性。3. 车用柴油机：柴油机的转速和扭矩之间没有一定的关系。转速取决于车速，扭矩取决于装载量、路面阻 力。二, 柴油机特性的分类我们已知表征柴油机性能的主要指标有：平均有效压力、
2、有效扭矩、有效功率、有效耗油 率、平均指示压力等。运转中的这些柴油机性能指标是随着柴油机运转工况的不同而变化的。 柴油机的主要性能指标和工作参数（如排气温度、最高爆发压力、增压压力等）随运转工况 变化的规律称为柴油机的特性。如果把这种变化规律在坐标轴上用曲线的形式表示出来，这 种曲线即称为柴油机的特性曲线。有了特性曲线，掌握了柴油机的特性，就可以合理利用柴油机的一系列特性，知道我们在 使用柴油机时如何提高其可靠性、使用寿命，以及如何节油。如在各种使用条件下决定其极 限允许使用范围，选择其最佳工作点，检查其工作质量（性能指标、工作参数）是否良好等。对于特定的柴油机在运转中可能使柴油机有效功率发生
3、变化的参数只有平均有效压力和 转速，它们是两个可以互相独立的基本参数。由此，根据平均有效压力和转速的变化情况可 将柴油机的特性进行分类。1. 速度特性：当平均有效压力不变（测定时是将油量调节机构固定，平均有效压力在实际上是略有变化 的），柴油机的性能参数随转速变化的关系。2. 负荷特性：当转速不变，定于某一设定值时，柴油机的性能参数随负荷（平均有效压力）变化的关系。 柴油机的负荷通常是指柴油机阻力矩大小，由于平均有效压力正比于阻力矩，常用平均有效 压力来表示负荷。3. 推进特性：柴油机带动螺旋桨，按照螺旋桨特性工作时（平均有效压力、转速不再是相互独立的，而 是按螺旋桨特性相互对应的），其性能参
4、数随转速或平均有效压力变化的关系。4. 调速特性:与上述各种柴油机特性不同，它一般并不表明柴油机内部的工作过程有关参数的变化情 况，而只标出有效扭矩、平均有效压力、有效功率与转速的关系，它主要取决于调速器的工 作性能。速度特性测定速度特性时，将喷油泵油量调节杆固定，然后改变柴油机外负荷以改变其转速，使柴 油机在最高允许转速和最低稳定转速之间各不同的转速下稳定运转，并测量各转速下的功 率、扭矩（或平均有效压力）、有效耗油率和排气温度等。将测得的数据整理在以转速为横 坐标的图上，即得到柴油机的速度特性曲线。*由于喷油泵油量调节机构固定的位置不同，即泵的有效行程不同，每循环的供油量不同， 所测得的特
5、性曲线也不同。如果把油量调节机构固定在标定位置（相当于柴油机在标定转速 下发出标定功率的供油量）时，所测得的柴油机特性称为全负荷速度特性（习惯上亦称为外 特性）。当油量调节机构固定在比标定位置小的位置时所测得的柴油机特性称为部分负荷速 度特性（亦称部分特性）。*我国船舶建造规范规定，柴油机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）。柴油机必须允许在超负荷功率下至少连续运转1小时。此时，油量调 节机构所处的位置即为实际运转中允许达到的极限位置。在柴油机油量调节机构中装设有限 制块，以防止油量调节机构在运转中超过这个极限位置。当油量调节机构固定在这一极限位 置时
6、所测得的速度特性称为超负荷速度特性。在这种情况下，由于喷油泵的调节机构在最大 供油位置上，所以汽缸内的温度和压力都很高，致使机件受到很大的热负荷和机械负荷，工 作条件恶劣。因此，按此特性工作的时间是有限制的。*实际上油量调节机构在固定时的平均有效压力或有效扭矩并不是定值，这是因为：1. 由于节流、泄漏，喷油泵每循环的喷油量随转速的变化略有变化。2. 增压柴油机指示效率（主要取决于过量空气系数）随转速增加会有所增加。3. 增压柴油机的机械效率随转速增加稍有降低。但对低速柴油机（主机）来说，因其转速 低，变化范围小，喷油泵每循环喷油量随转速的变化很小；其过量空气系数很大，它的变化 对热效率影响较小
7、；其转速变化范围很小，机械效率随转速变化可以忽略。因此，可以认为： 当柴油机油量调节机构位置一定时，转速变化其平均有效压力（或有效扭矩）不变。有效功 率、平均有效压力或有效扭矩与转速呈线性关系。推进特性柴油机的推进特性是柴油机按照螺旋桨特性工作的特性。一.螺旋桨特性简介由试验可知推力系数和扭矩系数都是随螺旋桨的进程比而变化的。进程比表示螺旋桨每转 一转实际产生的位移与直径之比。进程比是研究螺旋桨水动力性能的一个极重要的参数。进 程比增加时，推力系数和扭矩系数则减小。当进程比一定时（即螺旋桨前进速度与螺旋桨转 速之比的比值一定时），推力系数和扭矩系数四一定的。当进程比减小时，推力系数和扭矩 系数
8、都增加，即推力和扭矩都增加。当进程比为零时，推力系数和扭矩系数最大，此时螺旋 桨的推力和扭矩也就达到最大值，这相当于系泊试验或船舶刚起航时（螺旋桨速度等于零） 的情况。*螺旋桨效率为螺旋桨输出功率（螺旋桨的推力X螺旋桨的前进速度）与它吸收主机功率 （螺旋桨的阻力矩X回转角速度）之比。即：np （螺旋桨效率）=FpVp/ （Mp2nn）*式中Fp为螺旋桨的推力，Vp为螺旋桨的前进速度；Mp为扭矩，商船，特别是货船和油船，正常定速航行时，船速与螺旋桨转速成正比，即螺旋桨的前进 速度与螺旋桨的转速的比值比变。对于特定的螺旋桨，直径是一个常数，所以进程比可视 为常数。海水的密度变化很小，也可以认为是常
9、数。*论证：螺旋桨的推力和扭矩与其转速的平方成正比；螺旋桨所需的功率与其转速的三次方成正比。以上是假定船舶在定速航行，进程比为定值的情况下得出的规律。但是在各种变工况下， 进程比是变化的。当进程比变小时，扭矩系数增大，同一转速下螺旋桨所需扭矩、功率增加。 因此，进程比越小，螺旋桨的特性曲线就越陡。螺旋桨特性是对几何形状一定的螺旋桨而言，如果几何形状不同，则螺旋桨特性曲线不同。 *当进程比不变时（蹿速一定），螺距比（螺距与直径之比）大的螺旋桨的推力系数、扭矩 系数较大，推力、扭矩较大，而螺旋桨的转速也就较大。螺旋桨的特性曲线较陡。二,柴油机的推进特性因为螺旋桨所需的功率与转速的三次方成正比，所以
10、柴油机带动螺旋桨工作时，根据柴油 机功率与螺旋桨所需功率相等的原则，柴油机功率与转速的关系也是三次方的关系。即已知 柴油机的一个工况，就可计算出其它工况下的功率与转速的对应关系。主机在各种转速下对应的功率百分数表转速6379. 59196. 5100103功率25507590100110由于柴油机的功率与转速的三次方成正比，转速超过柴油机标定值的3%时，功率就达到标 定值的110%，达到了柴油机的超负荷功率。继续提高转速是不允许的。超速运行会带来严 重超负荷的后果。另一方面，扎为标定值63%时，功率就已降至标定值的25%。转速较低时， 柴油机发出的功率即大为减少，每循环喷油量很小，使得喷油压力
11、降低，雾化变差，燃烧不 良，各缸喷油量不均匀。柴油机技术资料中提供有柴油机在试验台上按标准的外界条件（如规定的大气压力、温度、 湿度、燃油的低热值等）工作时测得的推进特性。其中的最高爆发压力、压缩终点压力、涡 轮前后排气温度、涡轮转速、有效耗油率等是在试验台上测得的。柴油机的推进特性可用来评定柴油机的性能。在实船试航时测得的推进特性曲线可供运行 管理时参考。*柴油机的有效耗油率在低负荷、低转速工况时明显增大。由此可知，主机功率太大（超 过所需航速的功率太多）的船舶，采用减速航行节油措施，由于主机工作在部分负荷工况， 耗油率较功率不大的船舶高。负荷特性驱动发电机的船舶辅柴油机在负荷变化时，转速基
12、本保持不变。当前，船舶主柴油机均装 有全制式（转速在运行范围内可选定任意值）的调速器。在负荷变化时（螺旋桨的进程比变 化）时，转速也基本上保持不变。因此，它们均可看成按负荷特性工作。技术资料提供的负荷特性通常是在标定转速下测取的。如有必要也提供若干个不同转速下 的负荷特性。测取负荷特性时，在改变外负荷的同时改变每循环的供油量，使转速保持不变。通常以平 均有效压力为横坐标，纵坐标则是各性能参数，如有效耗油率、排气温度、最高爆发压力、 增压器转速、增压压力、涡轮进口处排气温度等。由于转速是常数，这时有效功率与平均有 效压力成正比。因柴油机有效耗油率在低负荷下显著增大。因此，船舶发电柴油机在一台未满
13、负荷的情况 下就不要起用第二台（备车和机动操纵时除外）柴油机，否则即使不考虑磨损，只看燃油消耗这一项也是不经济的。调速特性柴油机的调速特性曲线是指调速器的转速设定机构固定在某一位置时在调速器起作用（调 速器能依据负荷大小自动地改变供油量）的情况下，柴油机的功率、扭矩与转速之间的关系 曲线。调速器的特性与柴油机的其它特性不同，它并不表明柴油机内部的工作过程，它与调 速器的工作性能直接有关。当（全制式）调速器的转速设定机构固定于某一位置，如标定位置时，柴油机在全负荷下 具有稳定转速。如果通过测功器使柴油机的负荷逐渐减小，调速器就会自动地把供油量减小， 扭矩（平均有效压力）逐渐减小而转速稍有增加。当
14、负荷减到零时，柴油机的稳定转速则增 大到最高转速。当调速器转速设定机构固定在另一位置时，上述参数将另有变化。柴油机的允许使用范围一柴油机的功率标定法柴油机能发出的功率是有极限的，客观上受到许多因素的限制。如最高爆发压力、平均有 效压力、曲轴扭矩、燃烧过量空气系数、排气温度、转速等。也就是说，柴油机所发出的功 率有个客观极限。但是，一台柴油机的功率究竟标定多大才合适，却是根据柴油机的特性、 使用特点以及寿命和可靠性等要求来确定的。1. 我国柴油机功率的标定：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。极限功率为柴油机可能发出的最大功率，这时的机械负荷、
15、热负荷等限制因素达到极限， 促进可能损坏，不能可靠工作。依次，柴油机即使是出厂试验时，有不允许达到此极限 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 舰和军用车辆的追击功率。1小时功率：柴油机允许连续运行1消逝的最大有效功率。可以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：柴油机允许长期连续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。2. 国外船用柴油机常用的几种功率（工况）的名称：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。近年螺旋桨与柴油机惯犯采用“减功率匹配”，其含义有所引伸。 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，考虑到船舶遇到风浪、污底等情况，为了使柴油机寿命、可靠性、效 率等性能较好，运转更经济，CSR负荷定的比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。
