第8章柴油機(jī)特性及選型

§8.1概述§8.2柴油機(jī)特性

§8.3柴油機(jī)的選型和使用范圍主要內(nèi)容：

柴油機(jī)的特性反映出柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和使用性能，它是柴油機(jī)固有的特性。柴油機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合和工作條件不同，其性能指標(biāo)和工作參數(shù)有很大的差異。對(duì)柴油機(jī)特性進(jìn)行研究是制造和使用柴油機(jī)的重要依據(jù)。第8章柴油機(jī)特性及選型§8.1概述主要內(nèi)容：柴1§

8.1概述一、船舶柴油機(jī)的工況

二、柴油機(jī)特性及其分類

主要內(nèi)容：§8.1概述一、船舶柴油機(jī)的工況主要內(nèi)容：2一、船舶柴油機(jī)的工況柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況:

柴油機(jī)在各種不同條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀況(功率與轉(zhuǎn)速)。根據(jù)柴油機(jī)在船上應(yīng)用時(shí)的不同條件，概括起來有三類工況：1.發(fā)電機(jī)工況2.螺旋槳工況3.其他工況

一、船舶柴油機(jī)的工況31.發(fā)電機(jī)工況

轉(zhuǎn)速不變而功率隨時(shí)發(fā)生變化的工況。2.螺旋槳工況

柴油機(jī)發(fā)出的功率和其轉(zhuǎn)速都是改變的。

螺旋槳工作時(shí)其吸收功率與轉(zhuǎn)速的m次方成比例(Pp=cnm)。通常在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槳Pp=cn3，相應(yīng)柴油機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Pe=cn3，柴油機(jī)按此關(guān)系運(yùn)轉(zhuǎn)的工況稱為螺旋槳工況。3.其他工況

柴油機(jī)在此工況運(yùn)行時(shí)，其功率與轉(zhuǎn)速之間沒有一定的關(guān)系。

柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速是由工作機(jī)械所需的速度決定的。而功率則由運(yùn)行中所遇到的阻力決定。驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳的主機(jī),驅(qū)動(dòng)應(yīng)急救火泵或應(yīng)急空壓機(jī)的柴油機(jī),航行條件和運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)。1.發(fā)電機(jī)工況4二、柴油機(jī)特性及其分類1.柴油機(jī)特性主要性能指標(biāo):平均有效壓力pe、有效功率Pe、有效轉(zhuǎn)矩Me、有效熱效率ηe和有效油耗率ge等。工作參數(shù):

轉(zhuǎn)速n、增壓壓力pk、最高燃燒壓力pz、最高排氣溫度tr、增壓器轉(zhuǎn)速nk和渦輪機(jī)出口溫度tT等。柴油機(jī)特性：柴油機(jī)主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨運(yùn)轉(zhuǎn)工況變化的規(guī)律稱為柴油機(jī)特性。

這種變化規(guī)律的曲線形式稱為柴油機(jī)特性曲線。

二、柴油機(jī)特性及其分類52.柴油機(jī)特性分類Pe=Cpeni

式中，C和i為結(jié)構(gòu)參數(shù)。按照運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)pe和n把船用柴油機(jī)特性分為三類：第一類:

平均有效壓力pe不變，有效功率Pe隨轉(zhuǎn)速n改變而變化。-速度特性。第二類:

轉(zhuǎn)速n保持恒定，通過改變平均有效壓力pe來改變有效功率Pe。-負(fù)荷特性。第三類:

平均有效壓力pe和轉(zhuǎn)速n同時(shí)改變。這類特性以推進(jìn)特性為典型特性。2.柴油機(jī)特性分類6§

8.2柴油機(jī)特性一、速度特性二、負(fù)荷特性三、推進(jìn)特性四、柴油機(jī)的限制特性五、柴油機(jī)的工作范圍主要內(nèi)容：§8.2柴油機(jī)特性一、速度特性主要內(nèi)容：7一、速度特性將噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在某一位置，改變柴油機(jī)負(fù)荷，使轉(zhuǎn)速變化，測(cè)得的柴油機(jī)主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。分類：1．全負(fù)荷速度特性（外特性）-曲線32.超負(fù)荷速度特性-曲線23.部分負(fù)荷速度特性-曲線4\5\6Pe——nMe——n一、速度特性Pe——nM81．全負(fù)荷速度特性（外特性）將柴油機(jī)噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在相當(dāng)于標(biāo)定轉(zhuǎn)速下發(fā)出標(biāo)定功率的供油位置上，然后通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)負(fù)荷，逐步改變柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。在各個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，測(cè)取對(duì)應(yīng)的pe、Me、Pe、be、tr、pk、nT等參數(shù)值。

由此得到的性能指標(biāo)及工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律為全負(fù)荷速度特性。

全負(fù)荷速度特性可表示為柴油機(jī)在不超過標(biāo)定供油量的條件下，各轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出的最大功率。Pe——nMe——n全負(fù)荷速度特性曲線-曲線31．全負(fù)荷速度特性（外特性）Pe——n91）測(cè)量應(yīng)遵循統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):

標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境狀況和試驗(yàn)功率。（1）我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境-大氣壓力：p0=100kPa或750mmHg-相對(duì)濕度：φ0=30%-環(huán)境溫度：T0=298K或25℃-中冷器進(jìn)口冷卻介質(zhì)溫度：Tc0=298K或25℃。（2）“無限航區(qū)”的船用內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境遵循IACS規(guī)定的環(huán)境-大氣壓力：p0=100kPa或750mmHg-相對(duì)濕度：φ0=60%-環(huán)境溫度：T0=318K或45℃-中冷器進(jìn)口冷卻介質(zhì)溫度：Tc0=305K或32℃。1）測(cè)量應(yīng)遵循統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):（2）“無限航區(qū)”的船用內(nèi)燃機(jī)102）標(biāo)定功率指標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下,制造廠根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的用途和特點(diǎn)規(guī)定的在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的有效功率(kW)。按不同用途分為:

15min功率;1h功率;12h功率;持續(xù)功率。我國(guó)：持續(xù)功率作為船用柴油機(jī)的標(biāo)定功率；國(guó)外：船用柴油機(jī)的最大持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率MCR為標(biāo)定功率。(MCR-MaximunContinuousRatings）2）標(biāo)定功率112．超負(fù)荷速度特性船用柴油機(jī)的超負(fù)荷功率：我國(guó)船用柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，超負(fù)荷功率為標(biāo)定功率的110%（與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為標(biāo)定轉(zhuǎn)速的103%），并且在12h運(yùn)轉(zhuǎn)期內(nèi)允許超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)1h。Pe——nMe——n超負(fù)荷速度特性曲線-曲線22．超負(fù)荷速度特性Pe——n123.部分負(fù)荷速度特性

如果將噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在小于標(biāo)定功率油量的各個(gè)位置上，分別測(cè)得的柴油機(jī)的主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系?？蓽y(cè)得若干條柴油機(jī)部分負(fù)荷速度特性曲線Pe——nMe——n部分負(fù)荷速度特性曲線-曲線4、5、63.部分負(fù)荷速度特性Pe——n13柴油機(jī)負(fù)荷特性二、負(fù)荷特性

在轉(zhuǎn)速保持不變情況下,柴油機(jī)主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨負(fù)荷變化的規(guī)律。

試驗(yàn)時(shí),先將柴油機(jī)調(diào)定在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)并保持轉(zhuǎn)速不變,由小逐漸增大柴油機(jī)負(fù)荷,在各負(fù)荷下分別測(cè)取柴油機(jī)主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)并繪制成曲線,為負(fù)荷特性曲線。

負(fù)荷特性一般在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下測(cè)取的,為更全面了解柴油機(jī)特性,可在低于標(biāo)定轉(zhuǎn)速的若干轉(zhuǎn)速下測(cè)取負(fù)荷特性。作用：比較不同柴油機(jī)的性能或評(píng)價(jià)同一柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變或調(diào)整后的效果；標(biāo)定柴油機(jī)的功率；繪制萬有特性曲線(柴油機(jī)各種性能參數(shù)相互關(guān)系的綜合特性曲線）柴油機(jī)負(fù)荷特性二、負(fù)荷特性14

三、推進(jìn)特性

機(jī)、槳總應(yīng)能量平衡Pe＝Pp；Me＝Mp根據(jù)螺旋槳理論,螺旋槳推力FP和扭矩MP與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：Fp=KFρnp２D4Mp=KMρnp２D5式中:ρ水的密度；D螺旋槳直徑；np螺旋槳轉(zhuǎn)速;KF推力系數(shù)；

KM扭矩系數(shù)。

KF、KM均為進(jìn)程比λp的函數(shù)，與λp的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)得（KF,KM隨λp增大而減小;隨λp減小而增大）。

螺旋槳水動(dòng)力特性三、推進(jìn)特性螺旋槳水動(dòng)力特性15

進(jìn)程比λp：指螺旋槳每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)實(shí)際產(chǎn)生的位移與螺旋槳直徑D之比。λp＝vp／npＤ＝hp／Ｄ式中：hp-螺旋槳每一轉(zhuǎn)的進(jìn)程；vp-船速。

λp隨航行阻力條件變化，阻力條件一定,λp不變，則KF、KM不變，推力FP和扭矩MP為:

Fp=C1np２Mp=C2np２

螺旋槳所需功率：

Pp=Mpnp/9550可得出螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式:

Pp=Cnp3(kW)螺旋槳特性曲線:

Pp-np，Mp-np的關(guān)系曲線。進(jìn)程比λp：螺旋槳特性曲線:16航行阻力條件變化時(shí)螺旋槳特性的變化:

船舶工況是變化的，不同的航行條件下對(duì)應(yīng)不同λp值，λp不同時(shí)，同一轉(zhuǎn)速下螺旋槳的扭矩和吸收功率相應(yīng)有不同的值。

不同λp值時(shí)螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線：

航行阻力條件變化時(shí)螺旋槳特性的變化:17

螺旋槳吸收功率等于主機(jī)功率:Ｐe=Pp＝Ｃnp3（kW）柴油機(jī)的推進(jìn)特性：柴油機(jī)按照螺旋槳特性工作時(shí),各性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速(或負(fù)荷)變化的規(guī)律。

螺旋槳吸收功率等于主機(jī)功率:18四、柴油機(jī)的限制特性柴油機(jī)的限制特性：限制柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的最大有效功率，使柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷不超出為保證它可靠工作而規(guī)定的允許范圍。

限制因素:最高爆發(fā)壓力pz、平均有效壓力pe、曲軸轉(zhuǎn)矩Me、過量空氣系數(shù)α、排氣溫度tr以及渦輪增壓器轉(zhuǎn)速nＴ等參數(shù)。

常用限制因素:

Me、α和tr。四、柴油機(jī)的限制特性191.等扭矩限制特性柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的扭矩值Me都等于或小于標(biāo)定轉(zhuǎn)速和標(biāo)定功率下的扭矩Mb。Me=9550Pe/n，Mb=9550Pb/nb;如Me=Mb，

則Pe=Pb/nb·n=cn在Pe-n坐標(biāo)系中的等扭矩限制特性線是通過坐標(biāo)原點(diǎn)，斜率為c的直線（如圖直線2）。如果主機(jī)在全部使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都在等扭矩限制特性曲線以下工作，則保證曲軸的機(jī)械負(fù)荷不超過允許值。1.等扭矩限制特性202.等排氣溫度限制特性對(duì)熱負(fù)荷的限制:

過量空氣系數(shù)α,工作循環(huán)平均溫度tm,

實(shí)際應(yīng)用中α和tm難以直接測(cè)取，以平均排氣溫度tr代替來表示熱負(fù)荷。等排氣溫度限制特性：柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的排氣溫度值tr都等于或小于標(biāo)定轉(zhuǎn)速和標(biāo)定功率下的排氣溫度tr。2.等排氣溫度限制特性21柴油機(jī)的限制特性是對(duì)機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷兩個(gè)方面的限制。

柴油機(jī)限制特性：在標(biāo)定轉(zhuǎn)速nb下降初期以轉(zhuǎn)矩作為主要限制參數(shù)，后期則以排氣溫度作為主要限制參數(shù)。限制特性曲線：柴油機(jī)的限制特性是對(duì)機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷兩個(gè)方面的限制。22五、柴油機(jī)的工作范圍

為了使船用柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定和可靠地工作并具有較長(zhǎng)的壽命，必須對(duì)運(yùn)行時(shí)可能達(dá)到的功率Pe(或平均有效壓力pe和轉(zhuǎn)矩)和轉(zhuǎn)速n作適當(dāng)?shù)南拗?，即確定一個(gè)允許的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍。1.柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下允許達(dá)到的最大功率2.柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的最小功率3.柴油機(jī)在各種負(fù)荷下可達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速4.柴油機(jī)在各種負(fù)荷下可能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速五、柴油機(jī)的工作范圍231-等排煙溫度限制線2-全負(fù)荷速度特性3-等