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1、第七章 柴油机的特性 第七章 柴油机的特性n第一节 概述n第二节 速度特性n第三节 负荷特性n第四节 推进特性n第五节 调速特性n第六节 柴油机的允许使用范围n第七节 各种航行条件下主机的工况第一节 概述n反映柴油机性能的主要指标反映柴油机性能的主要指标: :n平均有效压力pe、有效扭矩Me、有效功率Pe、有效效率e和有效耗油率ge、平均指示压力pi等。 n柴油机的特性柴油机的特性: :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。n特性曲线特性曲线: :将上述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
2、性曲线。n掌握柴油机特性的目的掌握柴油机特性的目的n可以指导如何提高其可靠性、使用寿命，以及如何节油;n在各种使用条件下,决定其允许的极限使用范围，选择最佳工作点;n检查其工作质量（性能指标、工作参数）是否良好等。 第一节 概述n一、柴油机工况的变化n二、柴油机特性及其分类一、柴油机的工况一、柴油机的工况n柴油机在实际运转中的工作状况由其所带的负荷决定。其工况可分成以下三类：n1 1、发电机工况、发电机工况n为保证发电机发出的电压和频率稳定，要求副机在各种负荷下转速n不变，如图直线2所示。n2 2、螺旋桨工况、螺旋桨工况n桨工作时吸收的功率Pp与转速的三次方成正比。要求主机按Pecn3变化，如
3、图1线。n3 3、其他工况、其他工况n柴油机工作时，功率与转速均在变化。如驱动调距桨，消防泵等。变化的范围在图示阴影部分。 n柴油机的功率PenPeCpen i，在柴油机一定时PeC1pen ，n柴油机特性分为三类：n1.速度特性：n平均有效压力不变，有效功率Pe随转速n的变化规律；n2.负荷特性：n柴油机转速不变，有效功率Pe随平均有效压力pe （负荷）的变化规律；带发电机的副机按此规律工作。n3.推进特性：n柴油机有效功率随pe和n变化的规律；推进特性为其中典型的规律。二、柴油机特性及其分类二、柴油机特性及其分类第二节第二节 柴油机速度特性柴油机速度特性n速度特性的测试，是在柴油机试验台上
4、，根据国家规定的统一试验标准进行的。n将喷油泵拉杆固定在某一位置（喷油量固定不变），测定其他主要性能指标随转速的变化规律。n根据喷油泵拉杆固定的位置不同，分为：n一、全负荷速度特性n二、超负荷速度特性n三、部分负荷速度特性n全负荷速度特性（外特性）反映出柴油机所具有最大工作能力。1.全负荷速度特性n国家规定的试验标准n1）标准试验环境： p235n国标(GB)：n大气压力p0100kpa（750mmHg）相对湿度30，环境温度298k或25C等。n国际船级协会（IACS）标准：n大气压力100kpa，相对湿度60，环境温度318k或45C等。n2）试验功率：n在标定转速下，有15min功率，1
5、h功率，12h功率、持续功率。n规范规定：将持续功率作为柴油机的标定功率。n3）特性曲线n当油量固定在标定供油量不变时， pe不变。因PeCpen，PeC1Men 故：Me=C2pe 特性曲线变化如图3所示。2.超负荷速度特性n国家规定：n超负荷为标定功率的110（对应的转速为103），且在12h运转期内允许超负荷运转1h。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。 n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，所测得的速度特性称为超负荷速度特性。如图7-2中的曲线2。这条曲线显示了柴油机在各转速下正常工作
6、时所能达到的最大功率。在这种情况下工作时，由于喷油泵的调节机构在最大供油量位置上，气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。 3.部分负荷速度特性n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）。如图中的曲线4、5、6所示。 第三节 负荷特性n测取负荷特性时，在改变外负荷的同时改变每循环供油量，使n保持不变。从公式Pe=Cpeni可看出这时有效功率Pe与平均有效压力pe成正比（Pe=Bpe）。n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
7、特性。n驱动发电机的副柴油机在负荷变化时，转速基本上保持不变。故可看成按负荷特性工作。第四节 推进特性 一、螺旋桨特性简介 二、柴油机推进特性螺旋桨特性简介n若不计传动损失，柴油机作为主机时，应满足： PePp； Me MP。n根据螺旋桨理论，桨在水中产生的推力和扭矩为： nFP=K1nP2 D4 (7-1)nMP= K2 nP2D5 (7-2)n式中：K1 、 K2分别为推力系数和扭矩系数，并且是螺旋桨进程比p的函数，其变化规律如图所示。np：螺旋桨每转一周实际产生的位移与桨的直径之比。pvp/nPD。n根据图示可知：n当p p0 0时（vp=0,nP0。系泊工况），K1 、K2达到最大值,
8、桨的推推力力、扭矩最大；扭矩最大；当p p增大增大，K K1 1 、K K2 2随之减小随之减小（相当于船舶航行阻力减小）；n在p1.0后， K1 、K2先后分别为0（相当桨零推力和零扭矩情形）。螺旋桨特性曲线在在船船舶舶稳稳定定航航行行时时（装载、气候、海面状况等都稳定）， p基本不变为常数，根据FP=K1nP2 D4 ，MP= K2 nP2D5 ，则推力和扭矩可表达为： FP=C1nP2 ，MP= C2 nP2。此时桨所需的功率，根据p20公式可写成：PP= MP n / 9550，故：PP= CnP3 KWKW。（桨吸收的功率与转速的3次方成正比，扭矩与转速的平方成正比。）船船舶舶不不稳
9、稳定定航航行行时时（实际情况多如此）， p是经常变化的，当p值变化时，在相同转速下，桨的扭矩和吸收的功率是不同的。变化情况如图所示。柴油机推进特性n推进特性：推进特性：柴油机作主机带动螺旋桨工作时，应按螺旋桨的特性工作，此时各性能指标和工作参数随转速（或负荷）的变化规律，称为推进推进特性特性。n主机按推进特性工作时，主机根据船舶运行工况，逐步增减油门。n推进特性曲线：nSulzer7RTA58Sulzer7RTA58二二冲程机推进特性冲程机推进特性第五节 调速特性 n指调速器的转速设定机构固定于某一位置时，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
10、之间的关系曲线。n调速特性与其它特性不同，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。 第六节 柴油机的允许使用范围n曲线11为螺旋桨特性曲线。n使用范围由以下限制围成的区域决定：n1、最大功率限制 n2、最小功率限制n3、最高转速限制n4、最低转速限制1.最大功率限制n在各种转速下允许达到的最大功率（负荷）.n在不同的条件下分别由超负荷速度特性（图中曲线）、全负荷速度特性（曲线）以及限制特性（曲线1和3）来限制。n限制特性限制特性：n线段线段3 3等扭矩限制等扭矩限制: :从Pe=CMen可知，Pe-n座标中,等扭矩线为过原点的直线，限制机械负荷。 n线段线段1 1等过量空
11、气系数限制特性曲线等过量空气系数限制特性曲线，过量空气系数限制限制热负荷。n转速，若每循环喷油量不变。则单位时间气缸排气次数，涡轮获得能量，增压压力，过量空气系数，循环平均温度，热负荷热负荷在低转速时超出允许值。 2.最小功率限制n柴油机在过小的负荷下工作时，每循环供油量太少，各缸供油量在此情况下将变得很不均匀，结果导致各缸功率显著不均，有的气缸甚至不喷油或不发火，因而使柴油机的运转不稳定。n柴油机在各种转速下的最小功率（负荷）由最小负荷速度特性（图中曲线8）来限制。 3.最高转速限制n具体限制值各机型不一定相同，有的以标定转速为限，有的以103标定转速为限。n在装有调速器的情况下，由限制转速
12、相应的调速特性来限制。如曲线曲线5 5。n如果在标定功率下，调速器使柴油机在标定转速nH下稳定运转，则当负荷变轻（如P ）时，柴油机将在调速特性所确定的转速（比nH只有小量增加）下稳定运转。 4.最低转速限制n柴油机转速过燃油雾化和混合质量各种正时不合适工作不正常，不稳定。n最低稳定转速限制线如曲线9所示。 n当柴油机按推进特性（曲线11）工作时，Pecn3，转速负荷迅速，在转速降低到某一数值以后负荷将减小到最小负荷速度特性所限制的数值以下，柴油机运转不稳定。n柴油机在各种负荷下持续运转允许的最低转速为曲线10所限制。 第七节 各种航行条件下主机的工况n一、航行阻力不同的各种航行条件n二、系泊
13、工况及航行中的过渡工况 一、航行阻力不同的各种航行条件n1.影响阻力的各种航行条件n1)装载量、拖曳量的变化n2)污底程度的变化n3)风浪的变化n4)浅水或狭窄航道n2.航行阻力不同的主机工况及其操纵1)装载量、拖曳量的变化n 船舶装载量吃水航行时阻力。假定螺旋桨转速nP不变船速VP 螺旋桨进程比P=VP/(nPD)桨特性曲线变陡。如图中曲线所示。n船舶拖曳量航行阻力，也同样导致P变小，螺旋桨特性曲线变陡。2)污底程度的变化n水线以下的船壳表面，随营运时间增长，油漆被侵蚀、船壳锈蚀、特别是船壳表面生长了贝类海草等海生物，使其粗糙度日渐增加。n海生物的生长速度因条件不同而有很大差异，海区温度越高
14、、盐度越大生长越快，船如停泊不动就更容易生长。n船壳日渐粗糙航行阻力螺旋桨P，特性曲线变陡。 3)风浪的变化n逆风航行船舶空气阻力，顺风航行则相反。n逆风航行，桨特性曲线变陡如图曲线；顺风航行时曲线变缓如图曲线。空气阻力的大小取决于风力、风向、航速以及船体水上部分和上层建筑的受风面积。n在暴风大浪中航行时（为抗风浪必须逆风航行），空气阻力增加更多。且风使船舶产生摇摆，升沉、拍击等复杂运动，船舶前进需要多消耗能量，阻力增大。为了保持船舶按指定航向航行，舵经常要偏转一个角度，使阻力增加。桨的特性曲线明显变陡，如图曲线。4)浅水或狭窄航道n船由深水进入浅水，水流受海底的限制与船体的相对速度增加，摩擦
15、阻力、兴波阻力、涡流阻力均增大。n航行阻力随航速变化的情况如图中曲线所示。n1 1）船速的影响：）船速的影响：n当VP 时，如图中b点，浅水阻力4（ h水深； T船舶吃水）浅水影响不大明显。航道越浅，h/T越小，阻力增加越显著。3 3）窄水道：）窄水道：船舶周围水流的状态受到航道宽度的限制。当VP20（b为航道宽度，B为船宽），无影响。在窄水道中，阻力随船速变化的曲线与在浅水中相类似。如果同时存在浅水和窄水道影响（如在运河中航行），阻力增加的程度就会更大。 12.航行阻力不同的主机工况及其操纵n1）航行阻力，桨特性曲线变陡。若主机油门格数不变（即每循环供油量不变），速度特性线1与曲线的交点b。
16、主机转速nn2，功率NeNe2。此时若加大油门提高转速，会造成柴油机超负荷。n2）当船舶航行阻力，螺旋桨特性曲线变缓。若主机油门格数不变，速度特性1与曲线的交点d。nn3，标定转速nH。使柴油机活塞速度过高，零件磨损，甚至很快损坏。在此情况下，主机必须减油，工作于部分负荷速度特性曲线2与曲线的交点c。n结论：结论：航行条件变化时，操纵主机应注意选择油门格数。当航行阻力增大时，主机转速的下降是必然的，不能要求保持原转速，盲目加大油门，应注意防止油门格数超过标定值。当航行阻力减小时，应减小油门，防止柴油机超转速。 二、系泊工况及航行中的过渡工况 1.系泊工况 2.起航工况 3.加速工况 4.转弯工
17、况 5.倒车工况1.系泊工况n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。n定义：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。n特点：船速为零，P为零，扭矩系数K2最大。桨特性陡。 n正常航行主机与桨配合工作于a点，即在标定转速nH下发出标定功率NeH。系泊时，工作于b点，相应的转速nb和功率Neb明显减小。为保证主机不致超负荷，系泊试验时最高转速一般为：0.800.85nH。n系泊试验时，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n起航时，初始速度0，瞬时P0，后逐渐增加到正
18、常航行时的值a。n若开始将加油手柄加到速度特性曲线的油门格数，主机转速na，则工作点a位于等转矩限制线01之上，主机负荷会超过限制特性。 n正确操作正确操作：加油使主机的起动转速nb，待船速增加，桨特性曲线逐渐变缓，曲线P=a靠近时，才逐渐加大油门格数，使转速达到所要求的值。n加油过快的危害加油过快的危害：1）造成机械负荷超过限制；2）受热零部件温度突然升高，热应力过大而引起裂纹等；3）循环供油量加过快，桨特性线仍较陡，主机转速低，涡轮在单位时间内获能次数少。在加速时出现油多气少（过量空气系数小），使燃烧不良，热负荷高，排气冒黑烟。 3.加速工况n船舶起航，需逐渐加速达全速航行。如操纵不当会使
19、主机超负荷。n正确操作正确操作：n缓慢加大油门，使主机的转速差不多与船速成比例地增大（P=VP/(nPD)，使P尽可能少变化），使船舶加速过程中工作点接近于沿曲线12变化，便可避免柴油机超负荷。4.转弯工况n1）船舶转弯需转舵，船体在斜水流中前进，阻力船速P桨变重，n。转弯结束时，n又恢复原来数值。转弯时，若发现主机转速降低，不应去加大油门。n2）双螺旋桨推进船舶，转弯时，两桨间负荷分配不均，靠近转弯中心的内桨负荷增加要比外桨大，内桨的转速因而下降很多。而外桨在转变开始时负荷变轻，之后又逐渐增加，故外桨转速开始升高，而后下降。n结论：结论：双桨推进船舶转弯时，带动内桨主机易超负荷。n正确操作：
20、正确操作：转弯时应把主机的转速适当降低，即应在低航速和较小舵角条件下进行转弯操纵。 5.倒车工况n船在港内航行、靠离码头或遇到避碰等紧急情况时，常需改变主机的回转方向，使船迅速停止下来，或改为倒航。n1）倒车工况na-ba-b段：段：接到倒车命令，停止主机供油，转速迅速，桨的进程比P迅速桨转矩迅速。当转速b点（6070nH）时，桨的转矩为零。 nb-c-db-c-d段段：桨倒转的第二阶段，即水涡轮阶段。b点后，船仍以全速前进，桨被水冲击产生负转矩，象水涡轮一样带动主机仍按正车方向回转。负转矩被主机运动部件和轴系磨擦损失所消耗，转速继续。当转速降为3040nH时，负转矩达到最大值（c点）。c点后
21、，n再时，作用在桨上的水流偏离了产生最大负转矩的最佳方向，负转矩开始逐渐。负转矩主机运动部件和轴系的磨擦阻力矩时，桨停止转动（点d）。 曲线A、B和C分别为船在全速、半速和系泊情况下根据船模试验画出的螺旋桨倒转工况变化曲线。在主机的全部换向过程中，假定船速没有变化。 5.倒车工况nd de e段：段：倒车工况nd点之后，倒车起动主机开始倒转（起动力矩必须大于此时螺旋桨的负转矩）。此后主机带动螺旋桨倒车转动，产生负的推力，对船舶起着制动作用。此时船舶仍在全速前进，当倒车转速达4060nH时，轴系承受的转矩已达极限值MeH。n说明：说明：当船半速前进而主机开倒车时，桨转矩与转速的变化关系（曲线B）
22、与全速时相似，只是负转矩值要小。当船舶在系泊情况下主机开倒车时，桨没有水涡轮工作阶段，不出现负转矩（曲线C）。图中D线为船全速前进时实际的螺旋桨倒转工况变化曲线，它考虑了主机在制动和换向过程中船速逐渐降低的情况。 5.倒车工况n2）紧急制动n在主机由正转到倒车起动（换向），必经n0时刻。但只依靠主机运动部件和轴系的磨擦阻力矩来消耗螺旋桨的负转矩，则必须等船速下降很多之后，桨的负转矩与磨擦阻力矩平衡时，轴系才能停转）。此时曲线D上c-d段所需的过渡时间很长，船舶在此期间由于惯性而滑行的距离可能为船长的56倍，对紧急情况的避碰不利。n制动方法：制动方法：在转速降至3040nH（即出现较大的负转矩）
23、时，将压缩空气送入主机气缸进行强迫制动，使主机停转、倒转进而实现倒车起动。n操作方法：在点a停止主机供油，当转速降至3040nH时，提前进行倒车起动，即强迫制动。在空气制动过程中，由于点c的转矩（绝对值）小于主机的标定转矩MeH，轴系不会超负荷。在船速太高，利用空气瓶中现存的压力不能一次制动成功，为了节约压缩空气，应耐心稍等几秒钟，待转速进一步下降再做第二次制动。紧急制动时，船舶仍在前进、主机开出倒车后，转速为4060nH时，转矩已达标定值，若倒转速过高，主机和轴系就会发生超负荷。船体也可能产生强烈振动。故在开出倒车后，应使柴油机转速逐步提高，且不能过高。 练习题n1 1、柴油机转速不变而功率
24、随时发生变化的工况、柴油机转速不变而功率随时发生变化的工况, ,称为：称为： A.A. 发电机工况 B.B. 螺旋桨工况 C.C. 面工况 D.D. 应急柴油机工况n2 2、柴油机的功率随转速按三次方关系而变化的工况、柴油机的功率随转速按三次方关系而变化的工况, ,称为：称为： A. 发电机工况 B. 螺旋桨工况 C. 面工况 D. 应急柴油机工况n3 3、柴油机在同一转速下可有不同输出功率、柴油机在同一转速下可有不同输出功率, ,在同一功率下可有不同转速在同一功率下可有不同转速, ,这种工况称为：这种工况称为： A. 发电机工况 B. 螺旋桨工况 C. 面工况 D. 应急发电机工况n4 4、
25、固定喷油泵油量调节机构、固定喷油泵油量调节机构, ,用改变负荷的方法来改变柴油机转速用改变负荷的方法来改变柴油机转速, ,这这样样, ,测得主要性能指标和工作参数随转速的变化规律称为：测得主要性能指标和工作参数随转速的变化规律称为： A. 调速特性 B. 速度特性 C. 推进特性 D. 负荷特性n5 5、在转速保持不变的情况下、在转速保持不变的情况下, ,柴油机的各项主要性能指标和工作参数随柴油机的各项主要性能指标和工作参数随负荷而变化的规律负荷而变化的规律, ,称为：称为： A. 速度特性 B. 推进特性 C. 负荷特性 D. 限制特性 n参考答案：参考答案： 1-A, 2B, 3C, 4B
26、, 5-C n6 6、柴油机按照螺旋桨特性工作时、柴油机按照螺旋桨特性工作时, ,各主要性能指标和工作参数随转各主要性能指标和工作参数随转速而变化的规律速而变化的规律, , 称为：称为： A.A. 速度特性 B.B. 推进特性 C.C. 负荷特性 D.D. 限制特性n7 7、直接带动螺旋桨的柴油机、直接带动螺旋桨的柴油机, , 其运转特性为：其运转特性为： A. 推进特性 B. 负荷特性 C. 速度特性 D. 调速特性n8 8、柴油机的负荷特性是在下述条件下测试的：、柴油机的负荷特性是在下述条件下测试的： A. 转速不变,改变柴油机的负荷 B. 功率不变,改变柴油机的转速 C. 油门不变,改变
27、外负荷 D. 扭矩不变,改变油门n9 9、柴油机的速度特性是在下述条件下测试的：、柴油机的速度特性是在下述条件下测试的： A. 转速不变,改变柴油机的负荷 B. 功率不变,改变柴油机的转速 C. 油门不变,改变外负荷 D. 扭矩不变,改变油门n1010在船舶上按面工况工作的柴油机有：在船舶上按面工况工作的柴油机有： 主机 发电柴油机 驱动应急空压机的柴油机 应急发电机 救生艇柴油机 A. + B.+ C.+ D.+参考答案：参考答案： 6-B, 7A, 8A, 9C, 10B n1111、在测定速度特性过程中、在测定速度特性过程中, ,下列哪一个参数是不可改变的：下列哪一个参数是不可改变的：
28、A.A. 转速 B.B. 负荷 C.C. 循环供油量 D.D. 转矩n1212、在测定速度特性过程中、在测定速度特性过程中, ,是通过改变哪一项参数来使柴油机转速发生是通过改变哪一项参数来使柴油机转速发生变化变化, ,而得到其它参数的变化规律：而得到其它参数的变化规律： A. 供油量 B. 转速 C. 外负荷 D. 压缩比n1313、按照规定、按照规定, ,在柴油机超负荷运行的一小时内在柴油机超负荷运行的一小时内, ,功率达到功率达到110%P b 110%P b 不允不允许下列哪种现象：许下列哪种现象： A. 超转速 B. 产生振动 C. 转速波动 D. 冒黑烟n1414、通常多数柴油机在下
29、述某转速区、通常多数柴油机在下述某转速区, ,有效油耗率达到最低点：有效油耗率达到最低点： A. 标定转速 B. 略低于标定转速 C.略高于标定转速 D.无规律n1515、柴油机按速度特性工作时、柴油机按速度特性工作时, ,其转速与功率之间的关系为：其转速与功率之间的关系为： A. Pn B. Pn2 C. P n3 D. 无规律 n参考答案：参考答案： 11-C, 12C, 13D, 14B, 15A n1616、在转速不变情况下、在转速不变情况下, ,有效油耗率最高的负荷是：有效油耗率最高的负荷是： A. 110%Pb 的超负荷 B. 100%Pb 的全负荷 C. 95%Pb 的部分负荷
30、D. 50%Pb 的部分负荷n1717、在喷油量不变情况下、在喷油量不变情况下, ,非增压柴油机从标定工况下转速下降非增压柴油机从标定工况下转速下降, ,则曲轴则曲轴的转矩将会：的转矩将会： A. 增加 B.减小 C.不变 D. 视机型而定n1818、在喷油量不变情况下、在喷油量不变情况下, , 废气涡轮增压柴油机从标定工况下转速下降废气涡轮增压柴油机从标定工况下转速下降, ,则过量空气系数将会：则过量空气系数将会： A. 增加 B.减小 C.不变 D.视机型而定n1919、通常、通常, , 无法在船舶使用条件下测取的柴油机特性是：无法在船舶使用条件下测取的柴油机特性是： A. 调速特性 B.推进特性 C.速度特性 D. 负荷特性n2020、对船用柴油机来说、对船用柴油机来说, ,哪一类柴油机必须测试其负荷特性：哪一类柴油机必须测试其负荷特性： A.船用主机 B.驱动应急消防泵柴油机 C.救生艇柴油机 D.驱动发电机的柴油机 n参考答案：参考答案： 16-D, 17A, 18B, 19C, 20D
