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1、课题十三 柴油机的特性目的要求：1熟悉柴油机的各种工况、特性及作用。 2掌握负荷特性曲线、测量方法和分析。 3掌握速度特性曲线、测量方法和分析。4熟悉螺旋桨的推进特性曲线、测量方法。 5掌握柴油机与螺旋桨正确匹配。 6熟悉调速特性及特点。 7掌握柴油机的限制特性及允许工作范围。重点难点：1分析负荷特性、速度特性。2船用柴油机的允许工作范围。教学时数：10学时教学方法：讲授课外思考题：1负荷特性含义有什么作用？负荷特性试验方法。2从负荷特性曲线看Pi、Pe、Pm、m、e、ge有什么特点？3试分析速度特性的作用。4速度特性的试验方法及特性曲线分析。5如何理解配桨“过轻”“过重”，如何正确配桨。6调
2、速特性含义有什么特点？7柴油机限制特性及其限制曲线。8确定船用柴油机机允许工作范围。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
3、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
4、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nb，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
5、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pe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Pe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（nb=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pz、pk、tr和ge等数值，把它们与图中相应于该功率时的pz、pk、tr和ge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、
6、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二、负荷特性曲线分析（教材图13-3）1有效功率 Pe和指示功率 Pi的变化情况有效功率Pe是通过坐标原点的一条直线。这是因为Pe与pe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Pi=Pe+Pm，则当转速不变时，机械损失功率 Pm可以看作不变，所以指示功率Pi也是一条直线，与Pe平行，相距为机械损失功率Pm值的大小。2机械效率m的变化情况根据公式，而，当时，,当时，m达到最大值。3有效热效率e和有效耗
7、油率ge的变化情况 i主要取决于过量空气系数，而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，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，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pk的影响，随负荷增加而下降的速度有所不同，但总的趋势仍是随负荷的增加而减小的。 由于随负荷的增大而降低，因此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，i则不再提高。（如图中的i曲线所示）。e=im。当负荷从pe开始降低时，i是随pe的降低而增大的，m却随pe的下降而减小。初期，i的变化速率大于m，因此e也是随pe的降低而提高的。
8、当负荷继续下降时，i的增大速度减缓而m的降低速度加快。因此e在达到某一最高值后就开始同m一起随负荷的降低而降低。在低负荷区，m随负荷的降低而急剧降低，使e也以很快的速度下降（见图中的e曲线）。ge与e正好相反，从图中可以看到，有效耗油率曲线ge是一条凹形曲线，而有效热效率e是一条拱形曲线。随着负荷的变化，在低于标定负荷pb的某一值下，有一个e的最大值emax和ge的最小值gemin。值得一提的是，柴油机运行的最佳工况，并非指gemin哪一点，而是ge/pe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ge=f(pe)曲线的切线，切点对应的pe即为最佳工况，此时ge/p
9、e最小。在低负荷运行时，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
10、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nb下发出标定功率Pe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nb，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nb，发出的有效功率为标定功率Pb（轴上的转矩也称为标定转矩Mb）。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
11、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68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
12、（教材图13-4）图 13-4 6300C型柴油机全负荷速度特性曲线 1）转矩Me的变化情况 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Me应是一条水平的直线。但实际上，柴油机的转矩Me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Memax所对应的转速nemaxnb。2）有效功率 Pe
13、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Pe近似一条斜直线。但当Pe达Pb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Pe又开始随转速升高而下降。所以，全负荷速度特性曲线中Pe =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
14、（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ge的变化情况 开始时，ge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gemin所对应的转速ngeminnb。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nb下稳定运
15、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nb；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
