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1、船第二章第二章 柴油机（柴油机（2 2）舶动力系统2021/8/61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等）、可靠性、耐久性等方面来加以衡量l动力性指标动力性指标l经济性指标经济性指标2021/8/62n柴油机性能指标的分类：柴油机性能指标的分类：l指示指标：指示指标：反映气缸内工作完反映气缸内工作完善程度。考虑缸内燃烧程度、善程度。考虑缸内燃烧程度、传热损失传热损失l有效指标：有效指标：输出轴上的指标，输出轴上的指标，在指示指标的基
2、础上考虑了一在指示指标的基础上考虑了一系列机械损失系列机械损失2021/8/63平均指示压力pin假设一个不变的压力作用在柴油机气缸活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塞上，这个假想的压力被称为平均指示压力力pin一个工作循环内，平均指示压力所做的功一个工作循环内，平均指示压力所做的功=实际工作循环的指示功实际工作循环的指示功二冲程示功图示功图的功率计算2021/8/64lPi表征柴油机单位气缸工作容积做功能力的大小表征柴油机单位气缸工作容积做功能力的大小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环完善
3、程度2021/8/65l示功图：柴油机气缸内气体压力随气缸容积变化的图形。横坐标横坐标-气缸容积气缸容积V(m3)纵坐标纵坐标-缸内压力缸内压力p（MPa）a-活塞上止点活塞上止点b-活塞下止点活塞下止点a、b的距离即表示活塞的一个行程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四冲程示功图四冲程示功图.swf二冲程四冲程2021/8/66npi与气缸容积无关，与气缸容积无关，气缸工作容积的利用程气缸工作容积的利用程度度pi单位气缸工作容积的作功能力大单位气缸工作容积的作功能力大工作工作循环完善循环完善,气缸强化程度气缸强化程度2021/8/67n既定的柴油机，既定的
4、柴油机，pi主要由循环供油量（即主要由循环供油量（即负荷大小）决定，还受换气质量、燃油雾负荷大小）决定，还受换气质量、燃油雾化质量影响化质量影响l每循环供油量大，每循环供油量大，pi提高提高l过量空气系数增大，缸内的燃烧质量提高，过量空气系数增大，缸内的燃烧质量提高，pi提高；但当过量空气系数过高时，由于油气浓提高；但当过量空气系数过高时，由于油气浓度过低，使度过低，使pi降低降低l工质混合完善程度高，工质混合完善程度高，pi高。高。l换气质量提高，换气质量提高，pi高高2021/8/68一般情况下，一般情况下，pi n增压柴油机增压柴油机非增压柴油机非增压柴油机n四冲程机四冲程机二冲程机二冲
5、程机n直流扫气式柴油机的直流扫气式柴油机的弯流扫气式柴油机弯流扫气式柴油机2021/8/69n柴油机实际运行中，当柴油机实际运行中，当l进、排气阀定时或喷油定时发生变化进、排气阀定时或喷油定时发生变化l气缸漏泄增加气缸漏泄增加l燃油喷射压力调节不当燃油喷射压力调节不当l燃油雾化质量下降燃油雾化质量下降l增压系统故障增压系统故障lpi降低降低实际运行中，可根据示功图变化判断柴油机工实际运行中，可根据示功图变化判断柴油机工作过程的优劣，并进行必要调整作过程的优劣，并进行必要调整2021/8/610【例】【例】燃烧太早n特征：特征：1.图图形形高高度度即即最最高高爆爆发发压压力力pz增增大大，压压力
6、力上上升升曲曲线线陡陡削削，示功图头部尖瘦；示功图头部尖瘦；2.燃燃烧烧曲曲线线过过早早脱脱离离压压缩缩曲曲线线，着火点提前；着火点提前；3.膨胀曲线降低；膨胀曲线降低；4.排气温度降低排气温度降低n原因：原因：1.喷油正时提前；喷油正时提前；2.喷油器启阀压力降低；喷油器启阀压力降低；3.调压弹簧断裂；调压弹簧断裂；4.改改用用优优质质燃燃油油而而未未减减小小喷喷油油提前角等。提前角等。n危害：危害：增增加加柴柴油油机机的的机机械械负负荷荷，严严重重情情况况下下会会引引起起燃燃烧烧（热热）敲敲缸缸现现象象，影影响响工工作作可可靠靠性性。2021/8/611【例】【例】燃烧太晚n特征：特征：1
7、.最高爆发压力最高爆发压力pz明显降低明显降低;2.示示功功图图头头部部圆圆滑滑，着着火火点点明明显显后移，表示燃烧后移；后移，表示燃烧后移；3.膨胀线升高；膨胀线升高；4.排气温度升高。排气温度升高。n原因原因1.喷油正时滞后；喷油正时滞后；2.喷油器启阀压力过高；喷油器启阀压力过高；3.改用劣质燃油而未调大喷油提改用劣质燃油而未调大喷油提前角；前角；4.喷油器或喷油泵漏油；喷油器或喷油泵漏油；5.喷油器的缝隙式滤器堵塞等。喷油器的缝隙式滤器堵塞等。2021/8/612指示功率Pin指示功率：单位时间，柴油机缸内工质推动活塞指示功率：单位时间，柴油机缸内工质推动活塞所做的功（所做的功（KW）
8、2021/8/613n如各缸负荷不均匀，将各缸功率相加得到如各缸负荷不均匀，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在船上，应定期测量示功图并计算柴油机的指示功率。的指示功率。n对既定的柴油机，指示功率为对既定的柴油机，指示功率为2021/8/614指示热效率in指示热效率：指示功的热当量指示热效率：指示功的热当量/消耗燃料热量消耗燃料热量2021/8/615指示燃油消耗率gin指示燃油消耗率指示燃油消耗率：一千瓦指示功率每小时：一千瓦指示功率每小时消耗的燃油消耗的燃油2021/8/616有效功率Pen有效功率有效功率Pe：从发动机曲轴输出的功率
9、：从发动机曲轴输出的功率=指示功率指示功率机械损失功率机械损失功率=PiPmnPe通过测功器测量得到通过测功器测量得到n制动功率（制动功率（BHP，BrakeHorsePower）：柴）：柴油机性能试验台架上由水力（电力、电涡流）测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，计算得到功器测量出扭矩，计算得到n轴功率（轴功率（SHP,ShaftHorsePower）：柴油机）：柴油机装船后，用扭矩仪测量出扭矩，计算得到装船后，用扭矩仪测量出扭矩，计算得到n一般一般BHPSHP2021/8/617FR2021/8/618n机械损失功率机械损失功率1.摩擦损失功率：克服柴油机各相对运动
10、部件表摩擦损失功率：克服柴油机各相对运动部件表面摩擦力所消耗的功率面摩擦力所消耗的功率2.活塞、活塞环与气缸套壁间的摩擦损失（约占活塞、活塞环与气缸套壁间的摩擦损失（约占全部摩擦损失的全部摩擦损失的5565）3.十字头滑快与导板、各轴承处的摩擦损失（约十字头滑快与导板、各轴承处的摩擦损失（约占全部摩擦损失占全部摩擦损失3545）2021/8/6192.拖动损失功率：带动柴油机辅助机械拖动损失功率：带动柴油机辅助机械(喷喷油泵、注油器、气阀传动机构、扫气泵、油泵、注油器、气阀传动机构、扫气泵、空气分配器、自驱动滑油泵等空气分配器、自驱动滑油泵等)所消耗的所消耗的功率功率拖动损失功率随着柴油机转速
11、的提高而增加。拖动损失功率随着柴油机转速的提高而增加。2021/8/6203.泵气损失功率：泵气损失功率：非增压四冲程柴油机非增压四冲程柴油机的进、排的进、排气过程中所消耗的功率气过程中所消耗的功率增压式四冲程柴油机中，由于进气压力高于排气压增压式四冲程柴油机中，由于进气压力高于排气压力，在换气过程中，工质是对外做功的，因而，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。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，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
12、压发动机c)二冲程发动机2021/8/621机械效率n机械效率的影响因素：设计、制造；负荷、转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、安装质量等速、滑油温度、冷却水温度、安装质量等n同一台柴油机，转速同一台柴油机，转速n不变时，负荷增加时，机不变时，负荷增加时，机械效率相应增加。当柴油机空载运行时，械效率相应增加。当柴油机空载运行时，m0，即全部指示功均消耗于摩擦损失，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，转速增加同一柴油机，负荷不变时，转速增加摩擦损摩擦损失增加失增加机械效率下降机械效率下降2021/8/622l不同型式的柴油机，转速、负荷对不同型式
13、的柴油机，转速、负荷对m的影响随的影响随使用方式不同而不同使用方式不同而不同l柴油机出厂时给出柴油机出厂时给出m-n曲线，可根据使用转速曲线，可根据使用转速查处查处m2021/8/623n柴油机有效热效率：柴油机有效热效率：2021/8/6242021/8/625n燃油消耗率：轴功率每小时的燃油消耗量燃油消耗率：轴功率每小时的燃油消耗量高速柴油机：高速柴油机：=212251；中速柴油机：中速柴油机：=197281；低速柴油机：低速柴油机：=160190；2021/8/626n滑油消耗率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，在标定工况时，每千瓦小时所消耗滑油量的克数，单位为单位为
14、g/kWh滑油在机内不断循环使用的，其消耗的主要方式滑油在机内不断循环使用的，其消耗的主要方式有：有：.滑油经活塞环窜入燃烧室或由气阀导管流入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。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。曲轴箱通风口排出。一般为一般为0.54g/kwh2021/8/627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四冲程非增压机0.651.052242520.340.38四冲程增压机0.93.019122
15、80.380.45二冲程非增压机0.620.92182720.320.395二冲程增压机0.92.01582180.3950.552021/8/628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、排放性能的参数程度、排放性能的参数l最高爆发压力最高爆发压力l排气温度排气温度l活塞平均速度活塞平均速度l行程缸径比行程缸径比l强化系数强化系数l压缩比压缩比l重量指标重量指标l外形尺寸外形尺寸2021/8/6291.最高爆发压力最高爆发压力pZ燃烧过程中气缸内工质的最高压力燃烧过程中气缸内工质的最高压力最高燃烧压力最高燃烧压力pz是柴油
16、机周期性变化的机械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、磨损和振动力和变形，造成疲劳破坏、磨损和振动2021/8/630pz值的大小对柴油机的结构与性能有很大的影响：值的大小对柴油机的结构与性能有很大的影响：1.pz增大，柴油机结构尺寸增大，柴油机笨重增大，柴油机结构尺寸增大，柴油机笨重2.pz增大，螺栓预力增大，接合面比压增大增大，螺栓预力增大，接合面比压增大3.pz增大，磨损、振动、噪音等相应增大。为了避免工增大，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作粗暴，一般限制其平均压力
17、增长率4.pz增大，会破坏润滑油膜，加剧零部件的磨损，降低增大，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柴油机的使用寿命5.适当提高适当提高pz、压缩比、压缩比、压力升高比、压力升高比(=最高爆发压最高爆发压力力/压缩压力压缩压力)，可以提高柴油机的热效率，降低燃油，可以提高柴油机的热效率，降低燃油消耗率消耗率2021/8/631l目前柴油机目前柴油机pz值的数据范围是：值的数据范围是：非增压柴油机，非增压柴油机，68MPa增压增压低速二冲程柴油机，低速二冲程柴油机，718MPa增压中、高速柴油机增压中、高速柴油机，720MPa2021/8/6322.排气温度trn表征柴油机热负
18、荷的主要参数之一表征柴油机热负荷的主要参数之一n用来衡量缸内热负荷大小和燃烧质量，用来衡量缸内热负荷大小和燃烧质量，一般不大于一般不大于550n非增压柴油机的排气温度：排气管内废气非增压柴油机的排气温度：排气管内废气的平均温度的平均温度n增压柴油机的排气温度：气缸盖排气道出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口处废气的平均温度2021/8/633n船舶上通常用排气温度来衡量船舶上通常用排气温度来衡量热负荷的大热负荷的大小小n柴油机排气温度过高，标志热负荷过高，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、排放性能下降经济性下降、可靠性下降、排放性能下降等等排气温
19、度是柴油机运转管理中重要的排气温度是柴油机运转管理中重要的监测监测参数参数2021/8/6343.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、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寿命的重要参数之一n提高提高vm可以提高柴油机的功率，但零件的机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，因而靠提高增加，因而靠提高vm来提高功率是有限度的来提高功率是有限度的2021/8/635n近代船用大型二冲程柴油机多采用长或超近代船用大型二冲程柴油机多采用长
20、或超长行程。为了维持较长的寿命和适当的长行程。为了维持较长的寿命和适当的vm值，均选用较低转速值，均选用较低转速如标定转速低于如标定转速低于100r/min，甚至仅为，甚至仅为60-70r/min2021/8/6364.行程缸径比行程缸径比S/Dn是柴油机的主要结构参数之一是柴油机的主要结构参数之一n当活塞平均速度当活塞平均速度vm及缸径及缸径D为定值时为定值时（1）行程缸径比影响柴油机的尺寸和重）行程缸径比影响柴油机的尺寸和重量。量。S/D增大增大柴油机的宽度、高度及重柴油机的宽度、高度及重量均增加量均增加2021/8/637（2）影响机械负荷）影响机械负荷缸内气体压力不直接受缸内气体压力不
21、直接受S/D的影响，但最大往的影响，但最大往复惯性力复惯性力Fjmax随随S/D的增加而减小，即的增加而减小，即S/D增加，机械负荷减小增加，机械负荷减小（3）影响热负荷）影响热负荷S/D增大增大气缸散热面增大，热负荷减小，同气缸散热面增大，热负荷减小，同时影响燃烧室各部件的传热量分配比例时影响燃烧室各部件的传热量分配比例2021/8/638（4）影响混合气形成）影响混合气形成S/D增大，燃烧室余隙高度增大，有利于混合气的增大，燃烧室余隙高度增大，有利于混合气的形成形成（5）影响扫气效果）影响扫气效果S/D增大增大气流在缸内流动路线长气流在缸内流动路线长降低扫气效果降低扫气效果此影响随扫气形式
22、不同而不同。如对直流扫气的影此影响随扫气形式不同而不同。如对直流扫气的影响较小，允许使用较大的响较小，允许使用较大的S/D值，而对弯流扫气的值，而对弯流扫气的影响比较大，不允许使用较大的影响比较大，不允许使用较大的S/D值值(通常不高通常不高于于2.2)2021/8/639（6）影响曲轴刚度）影响曲轴刚度S/D增大增大曲柄半径变大，曲轴轴颈的重叠度曲柄半径变大，曲轴轴颈的重叠度降低，曲轴刚度下降降低，曲轴刚度下降（7）影响轴系的振动性能）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，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容易产生不允许的纵振和扭振2021/
23、8/640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/D0.91.251.01.81.712.051.882.262.424.202021/8/6415.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表征柴油机受热负荷和机械负荷两方面的综合强烈程度强烈程度2021/8/6426.压缩比 影响柴油机的经济性、动力性、燃烧起动性影响柴油机的经济性、动力性、燃烧起动性l对经济性的影响对经济性的影响在一定范围内提高在一定范围内提高可明显提高经济性，可明显提高经济性，but当当12后对经济性的影响程度减弱；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
24、化与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混合气形成而使经济性降低2021/8/643l对机械负荷的影响：机械负荷的影响：增加增加压缩压力压缩压力pc最高燃烧压力最高燃烧压力pz增加增加柴油机柴油机的机械负荷增加，磨损加剧。的机械负荷增加，磨损加剧。机械负荷限制了机械负荷限制了的上限的上限l对燃烧和起动的影响：为了保证柴油机冷车起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，动时能正常燃烧，不能太低。因此，保证柴油不能太低。因此，保证柴油机具有良好的冷车起动性成为限制机具有良好的冷车起动性成为限制的下限的下限l在运转中的柴油机，压缩比在运转中的柴油机，压缩比会发生变化会发生变化如：活塞头部的烧蚀、主轴承的磨损等都会造成如：活塞头部的烧蚀、主轴承的磨损等都会造成降低降低2021/8/644n质量质量n体积体积2021/8/645
