PAGE224船舶柴油機PAGE223第七章柴油機特性第七章柴油機特性及選型柴油機的特性反映出柴油機的動力性、經(jīng)濟性和使用性能，它是柴油機固有的特性。柴油機的應(yīng)用場合和工作條件不同，其性能指標和工作參數(shù)有很大的差異。對柴油機特性進行研究是制造和使用柴油機的重要依據(jù)。

第一節(jié)概述一、船舶柴油機的工況圖７-１船用柴油機的各種工況柴油機作為一種動力機械用來驅(qū)動各種工作機械時，其功率和轉(zhuǎn)速是按照工作機械所需的功率和轉(zhuǎn)速而變化的。柴油機在各種不同條件下運轉(zhuǎn)的工作狀況(功率和轉(zhuǎn)速)稱為柴油機運轉(zhuǎn)工況。在船舶上，柴油機主要作為推進主機、發(fā)電原動機和應(yīng)急發(fā)動機(應(yīng)急發(fā)電機、空壓機和消防泵的原動機)。根據(jù)柴油機在船上應(yīng)用時的不同條件，概括起來有三類工況：發(fā)電機工況、螺旋槳工況和其他工況。圖７-１船用柴油機的各種工況1發(fā)電機工況電力傳動的船舶主機和發(fā)電副機按發(fā)電機工況運行。在這種工況下，為了保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定和一定的電流頻率，由調(diào)速器控制柴油機保持恒速運轉(zhuǎn)。它的功率隨著航行條件的變化或船舶用電量的變化，可以從零變化到最大許用值。因此，柴油機的發(fā)電機工況是轉(zhuǎn)速不變而功率隨時發(fā)生變化的工況。如圖7-1中直線2所示。2螺旋槳工況用來直接驅(qū)動螺旋槳的船舶主機是按螺旋槳工況運行的。在此工況下，柴油機按一定的轉(zhuǎn)速將其功率通過軸系傳給螺旋槳，螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力克服船舶航行阻力使船保持航速。螺旋槳的吸收功率就等于主機發(fā)出的功率。在螺旋槳工況下，柴油機發(fā)出的功率和其轉(zhuǎn)速都是改變的。螺旋槳在工作時其吸收功率與轉(zhuǎn)速的m次方成比例(Pp=cnm)。通常在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，螺旋槳吸收功率Pp與轉(zhuǎn)速n的三次方成比例，即Pp∝n３。相應(yīng)柴油機功率Pe與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可寫成Pe=cn３。我們把柴油機按此關(guān)系運轉(zhuǎn)的工況稱為柴油機的螺旋槳工況。如圖7-1中曲線1所示。3其他工況柴油機在此類工況下運行時，它的功率與轉(zhuǎn)速之間沒有一定的關(guān)系。柴油機的轉(zhuǎn)速是由工作機械所需的速度決定的。而功率則由運行中所遇到的阻力決定。比如驅(qū)動調(diào)距槳的主機是根據(jù)不同的調(diào)距槳葉的角度在某一轉(zhuǎn)速下要求不同的功率；驅(qū)動應(yīng)急救火泵或應(yīng)急空壓機的柴油機分別要求符合水泵或空壓機的工況；即使直接驅(qū)動螺旋槳的主機，當航行條件和運行狀態(tài)發(fā)生變化時(海面狀況、氣象條件、航區(qū)、裝載、船舶污底以及船舶轉(zhuǎn)向等)，船舶阻力發(fā)生改變，通過螺旋槳影響主機的功率和轉(zhuǎn)速。如此，柴油機在一定的負荷和一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的任何工況下工作，即柴油機在一定的轉(zhuǎn)速下工作，要求有不同的輸出功率，或在某一功率下工作時可以有不同的轉(zhuǎn)速。如圖7-1陰影線所示區(qū)域。此類工況亦稱面工況。二、柴油機特性及其分類1柴油機特性在上述各種工況下運行的柴油機有其對應(yīng)的性能指標和工作參數(shù)。表征柴油機性能指標的主要有平均有效壓力pe、有效功率Pe、有效轉(zhuǎn)矩Me、有效熱效率ηe和有效油耗率be等。柴油機工作參數(shù)主要有轉(zhuǎn)速n、增壓壓力pk、最高燃燒壓力pz、最高排氣溫度tr、增壓器工作轉(zhuǎn)速nk和渦輪機出口溫度tT等。對于運行中的柴油機，這些性能指標和工作參數(shù)是隨著柴油機的應(yīng)用場合和使用條件不同而變化的。柴油機的主要性能指標和工作參數(shù)隨運轉(zhuǎn)工況變化的規(guī)律稱為柴油機特性。這種變化規(guī)律的曲線形式稱為柴油機的特性曲線。柴油機特性分類柴油機的功率公式為Ｐe=cpeni。式中c和i兩個均屬于結(jié)構(gòu)參數(shù)，對一臺使用中的柴油機來說，c和i是不變的。因此，只有pe和n是決定柴油機有效功率Pe的運轉(zhuǎn)參數(shù)。按照這兩個參數(shù)我們把船用柴油機特性分為三類。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。稱該特性為速度特性。第二類：柴油機運轉(zhuǎn)的轉(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。這類特性稱為負荷特性。第三類：柴油機運行中平均有效壓力pe和轉(zhuǎn)速n同時改變。這類特性以柴油機推進特性為典型特性。柴油機特性速度特性柴油機的速度特性是用試驗法在柴油機試驗臺上測定的。將噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在某一位置上，然后改變柴油機的負荷，使柴油機轉(zhuǎn)速變化，在這種條件下測得柴油機主要性能指標和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。根據(jù)噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定的位置不同，亦即每循環(huán)供油量不同，柴油機速度特性分為全負荷速度特性、超負荷速度特性和部分負荷速度特性。柴油機的速度特性所反映的性能參數(shù)和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與本身的使用條件無關(guān)。即柴油機性能參數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系與柴油機應(yīng)用時的負荷類型無關(guān)。速度特性本質(zhì)上反映出柴油機所具有的潛在的最大工作能力。1全負荷速度特性(外特性)將柴油機噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在相當于標定轉(zhuǎn)速下發(fā)出標定功率的供油位置上，然后，通過調(diào)節(jié)試驗負荷，逐步改變柴油機的轉(zhuǎn)速。在各個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，測取對應(yīng)的pe、Me、Pe、be、tr、pk、nT等參數(shù)值。由此得到的性能指標及工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律即為全負荷速度特性，亦稱外特性。全負荷速度特性的測量應(yīng)遵循國家確定的統(tǒng)一試驗標準。一個是標準試驗環(huán)境狀況，一個是試驗功率。環(huán)境狀況直接影響著柴油機的工作性能。我國國家標準規(guī)定的標準環(huán)境為：大氣壓力p0＝１００kPa（或750mmHg）,相對濕度φ0＝３０％，環(huán)境溫度T0＝２９８Ｋ或25℃，中冷器進口冷卻介質(zhì)溫度Tc0=298Ｋ或25℃。對于“無限航區(qū)”的船用內(nèi)燃機其標準環(huán)境應(yīng)遵循國際船級協(xié)會(IACS)規(guī)定的環(huán)境狀況：大氣壓力p0＝１００kPa,相對濕度φ0＝6０％，環(huán)境溫度T0＝31８Ｋ或45℃，中冷器冷卻介質(zhì)進口溫度Tex＝305Ｋ或32℃。標定功率指標準環(huán)境狀況下，制造廠根據(jù)內(nèi)燃機的用途和特點規(guī)定的標定轉(zhuǎn)速下的有效功率(kW)。國標中規(guī)定：標定功率按不同用途分為：15min功率；1h功率；12h功率；持續(xù)功率。我國《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》(1996年)規(guī)定持續(xù)功率作為船用柴油機的標定功率。國外船用柴油機的最大持續(xù)運轉(zhuǎn)功率MCR(MaximunContinuousRatings)即為標定功率。速度特性試驗前，柴油機要經(jīng)過試車、磨合、調(diào)整和排除故障，將配氣、供油定時調(diào)至最佳值，各缸功率平衡，使柴油機具有良好的技術(shù)狀態(tài)，然后進行特性試驗。試驗時，要保持柴油機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，冷卻水、潤滑油的壓力、溫度也要調(diào)整在最佳狀態(tài)。測定時，試驗機先開空車，緩慢加速至標定轉(zhuǎn)速nb，通過測功器逐漸增加外負荷，同時通過調(diào)速器增加循環(huán)供圖7-2柴油機速度特性Pe－n和Me－n的關(guān)系油量，使柴油機在標定轉(zhuǎn)速nb下發(fā)出標定功率Pb。此時測量并記錄相應(yīng)的各參數(shù)值。然后將油量調(diào)節(jié)機構(gòu)與調(diào)速器分離并加以固定，逐漸增大柴油機的外負荷，以降低柴油機轉(zhuǎn)速，使柴油機在標定轉(zhuǎn)速nb和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速nmin之間若干點上穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。同時測取并記錄對應(yīng)各轉(zhuǎn)速下的各個參數(shù)。最后以各性能參數(shù)作為縱坐標、轉(zhuǎn)速為橫坐標，將記錄的參數(shù)(包括計算值)在坐標系中標繪。繪出的曲線即全負荷速度特性曲線，如圖７-２中曲線3所示。全負荷速度特性可表示為柴油機在不超過標定供油量的條件下，各轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出的最大功率。作為船舶推進柴油機(主柴油機),在實際使用時考慮到航行條件和船舶污底情況，為保證主機在各種運轉(zhuǎn)條件下均能長期可靠運轉(zhuǎn)，主機都留有適當?shù)墓β蕛洌粗鳈C長期運轉(zhuǎn)最大功率要低于標定功率一個值。超負荷速度特性和部分負荷速度特性我國船用柴油機標準規(guī)定，船用柴油機的超負荷功率為標定功率的110%(與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為標定轉(zhuǎn)速的103%)，并且在12h運轉(zhuǎn)期內(nèi)允許超負荷運轉(zhuǎn)1h。測定超負荷特性時，首先使柴油機在標定轉(zhuǎn)速nb下穩(wěn)定運行，然后，通過測功器來增加柴油機的外負荷，并同時加大供油量，使之達到超負荷功率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。此時把噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定，逐漸增加柴油機的外負荷，使柴油機在低于超負荷功率對應(yīng)轉(zhuǎn)速的若干個不同的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，并測量、記錄各轉(zhuǎn)速下的各項柴油機性能指標和工作參數(shù)。最后根據(jù)所測數(shù)據(jù)在坐標圖上標繪超負荷速度特性曲線，如圖7-2中曲線2所示。該曲線顯示了柴油機在各種不同的轉(zhuǎn)速下可能達到的最大功率。在這種情況下，柴油機工作時，由于噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在最大供油量位置上，氣缸內(nèi)的溫度和壓力都很高，致使機件受到很大的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，柴油機處于超負荷狀態(tài)下工作。因此，按超負荷特性工作的時間不能太長。如果將噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在比標定功率油量小的各個位置上，然后通過上述方法分別測得柴油機的主要性能指標和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，稱為部分負荷速度特性。由于油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定的位置不同，可測得若干條柴油機部分負荷速度特性曲線，如圖７-２中曲線4、5和6所示。二、負荷特性

柴油機負荷特性是指在轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，柴油機的各項主要性能指標和工作參數(shù)隨負荷變化的規(guī)律。負荷特性是在試驗臺上或?qū)嵈瑮l件下測取的。試驗時，先將柴油機調(diào)定在標定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)并保持轉(zhuǎn)速不變，然后由小逐漸增大柴油機負荷。在各負荷下分別測取柴油機的主要性能指標和工作參數(shù)(be、tr、ηm、α、pk、pz、Pi、Pe、ηi等)并繪制成曲線，即為負荷特性曲線。對柴油機負荷特性的研究，在實船柴油機管理中有著非常重大的意義。例如，發(fā)電副機和船舶上裝有全制式調(diào)速器的主機，在設(shè)定轉(zhuǎn)速不變的情況下，當負荷發(fā)生變化時其轉(zhuǎn)速保持不變，可認為這些柴油機是按負荷特性工作的。負荷特性一般是在標定轉(zhuǎn)速下測取的。為了更全面地了解柴油機特性，必要時可在低于標定轉(zhuǎn)速的若干不同轉(zhuǎn)速下測取負荷特性。負荷特性是標志柴油機動力性與經(jīng)濟性的基本特性。可用于：比較不同柴油機的性能或評價同一柴油機的結(jié)構(gòu)設(shè)計改變或調(diào)整后的效果；標定柴油機的功率；繪制萬有特性曲線(柴油機各種性能參數(shù)相互關(guān)系的綜合特性曲線)。柴油機按負荷特性工作時，意味著轉(zhuǎn)速不變而只改變噴油泵的循環(huán)供油量，即當外界負荷變化時，柴油機改變循環(huán)供油量使輸出功率改變。因此，表征Pe和pe關(guān)系的公式可簡化成Pe=Bpe，而pe可認為只與循環(huán)供油量有關(guān)。圖7-3是典型的柴油機負荷特性，圖中可看出各個性能參數(shù)隨負荷pe變化的規(guī)律。三、推進特性在船舶推進系統(tǒng)中，船、機、槳三者處在同一推進系統(tǒng)中，組成一個統(tǒng)一的整體。當要求船舶在某一工況下航行時，同時也決定了機、槳的運轉(zhuǎn)點。當柴油機作為船舶主機帶動螺旋槳工作時，無論柴油機與螺旋槳直接連接還是通過減速齒輪箱連接，二者總是要保持能量平衡。在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)條件下，若不計傳動損失，主機發(fā)出的功率Ｐe和轉(zhuǎn)矩Ｍe等于螺旋槳的吸收功率Pp和轉(zhuǎn)矩Mp。根據(jù)螺旋槳理論，槳的推力FP和轉(zhuǎn)矩MP符合下列公式ＦP=KFρnP２Ｄ４

MP=KmρnP２Ｄ5式中：ρ——水的密度，kg/m３；D——螺旋槳直徑，m；np——螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min；ＫＦ——推力系數(shù)；Km——轉(zhuǎn)矩系數(shù)。ＫＦ、Km均為螺旋槳進程比λp的函數(shù)。它們之間的變化關(guān)系由實驗測得，如圖7-4所示。進程比λp是指螺旋槳每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)實際產(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)的進程；vp——船速。圖中ηp為螺旋槳效率曲線。ηp為螺旋槳輸出功率(Fp·vp)與其吸收主機功率(槳的阻力矩Mp與回轉(zhuǎn)角速度2πnp之積)之比。λp是螺旋槳水動力性能的一個重要參數(shù)。對一定的螺旋槳，λp取決于船舶的航行狀態(tài)，即取決于船舶的航行工況。當船舶在某一工況下穩(wěn)定航行時，螺旋槳就有一個固定的λp值，KF和Km相應(yīng)有一對應(yīng)值。從圖7-4中可看到，λp減小時，KF和Km增大，可視為Fp、Ｍp都增加。當λp=0時，KF和Km達最大值。此時當np一定時Ｆp和Mp達到最大值，這相當于系泊試驗或船舶起航的情況(即vp＝０)。隨著λp的增大，KF、Km遞減，F(xiàn)p、Ｍp隨之減小，這相當于船舶阻力降低的情況。在λp＞1.0后，Kp、Ｋm先后為零，這相當于槳推力和零轉(zhuǎn)矩情況。圖7-3柴油機負荷特性參數(shù)變化規(guī)律

圖7-4螺旋槳水動力特性對一定的螺旋槳，直徑是常數(shù)，海水的密度變化很小，也可以認為是常數(shù)。在特定的某一航行條件下(裝載、氣候、海面狀況等條件不變)的各種轉(zhuǎn)速下航行時，vp/np基本不變，λp、KF、Km皆可視為常數(shù)。這樣，推力和轉(zhuǎn)矩公式可寫成圖7-4螺旋槳水動力特性Ｆp=Ｃ1np2Ｍp=C2np2即螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速的平方成正比。螺旋槳所需功率Pp可由Pp=Mpn/9550來確定。可得出螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式Pp＝Ｃnp3(kW)上式反映出螺旋槳運轉(zhuǎn)特性，即槳的吸收功率Pp與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。將Ｍp=C2np2和Pp＝Ｃnp3繪成Mp－np和Pp-np的關(guān)系曲線即為螺旋槳特性曲線，如圖7-5所示。實際上，船舶的工況常常是變化的，在各個不同的航行條件下對應(yīng)不同λp值。當λp值不同時，同一轉(zhuǎn)速下螺旋槳的轉(zhuǎn)矩和吸收功率也相應(yīng)有不同的值。圖7-6示出在各種不同航行條件下螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。在圖中可看出隨著航行阻力的增加(λp減小)，螺旋槳特性線變陡。圖7-5螺旋槳特性曲線圖7-6不同λp時的螺旋槳特性曲線

因為螺旋槳所需的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，主機帶動螺旋槳工作就必須滿足螺旋槳的功率要求。如前所述，不計傳動損失螺旋槳的吸收功率就等于主機功率。這樣，主機功率Pe與轉(zhuǎn)速也是三次方關(guān)系，Ｐe=Pp＝Ｃnp3（kW)柴油機按照螺旋槳特性工作時，各性能指標和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速(或負荷)變化的規(guī)律，稱為柴油機的推進特性。柴油機推進特性是根據(jù)Pe=Ｃnp3關(guān)系，在試驗臺上測定的。測定推進特性時，預(yù)先計算出柴油機在各轉(zhuǎn)速下的功率值，根據(jù)這些數(shù)據(jù)將柴油機調(diào)節(jié)在推進特性的各相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和功率點下運行，逐點測量柴油機的最高爆發(fā)壓力、壓縮壓力、增壓壓力、渦輪前后排氣溫度、渦輪轉(zhuǎn)速、平均有效壓力、有效油耗率等技術(shù)數(shù)據(jù)。然后以轉(zhuǎn)速為橫坐標，以上述各數(shù)據(jù)為縱坐標繪制成曲線，即柴油機推進特性曲線。該曲線對輪機員科學(xué)管理柴油機工作有極大的實用價值。圖7-7為Sulzer6RTA48二沖程低速船用柴油機的推進特性曲線。圖中繪制了柴油機最大燃燒壓力pmax、壓縮壓力pc、掃氣壓力ps、廢氣渦輪前后排煙溫度Tbt和Tat、有效油耗率be隨轉(zhuǎn)速(負荷)變化的規(guī)律。該機標定轉(zhuǎn)速為154r/min，功率為6543kW。在圖中可方便地查出柴油機按螺旋槳特性工作時對應(yīng)各種轉(zhuǎn)速下的各項數(shù)據(jù)。同時圖中還標繪出對應(yīng)各轉(zhuǎn)速下的油門刻度pos。圖7-8為MANB&W6L50MC柴油機推進曲線。其橫坐標為功率。在圖中可看出增壓器轉(zhuǎn)速nT、柴油機轉(zhuǎn)速nc、最大燃燒壓力pmax、壓縮壓力pc、排氣溫度Texh、掃氣壓力ps、有效油耗率be(ge)和油泵供油刻度pos隨功率變化的規(guī)律。圖7-7Sulzer6RTA48柴油機推進特性

四、柴油機的限制特性在柴油機運轉(zhuǎn)中，如果因某個零件或部件發(fā)生故障而停車，必然危及船舶的航行安全，所以，在柴油機設(shè)計、制造、操縱和管理中都必須考慮柴油機工作的可靠性和壽命，對柴油機工作時的機械負荷和熱負荷都加以必要的限制。既要防止超功率也要防止超扭矩，既要防止超轉(zhuǎn)速，也要防止超溫度。實現(xiàn)上述限制的理論手段即為柴油機的限制特性。柴油機的限制特性是指限制柴油機在各種轉(zhuǎn)速下的最大有效功率，使柴油機的機械負荷和熱負荷不超出為保證它可靠工作而規(guī)定的允許范圍。它是速度特性的一種。柴油機按限制特性工作時，不同轉(zhuǎn)速下噴油泵的每循環(huán)供油量需要根據(jù)限制條件作相應(yīng)的調(diào)整?，F(xiàn)代船舶柴油機隨著增壓度不斷提高，其機械負荷和熱負荷已接近可靠工作所允許的極限。因此，用限制特性來限制柴油機在各種運轉(zhuǎn)條件下的負荷顯得尤其重要。按照柴油機的類型不同，在確定其運轉(zhuǎn)功率范圍時，可把最高爆發(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)作為限制因素。其中較為常用的是Me、α和tr。1等轉(zhuǎn)矩限制特性作為船用主機的柴油機常以轉(zhuǎn)矩作為限制參數(shù)來建立等轉(zhuǎn)矩限制特性。建立這種限制的條件是柴油機在各種轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩值Me都等于或小于標定轉(zhuǎn)速和標定功率下的轉(zhuǎn)矩Mb。要求柴油機在各種轉(zhuǎn)速下長期運轉(zhuǎn)時Me都不大于Mb，以免柴油機曲軸因機械負荷過大而損壞。對一臺柴油機，其曲軸在工作時所產(chǎn)生的扭應(yīng)力主要決定于它所傳遞的轉(zhuǎn)矩Me，在設(shè)計曲軸時是以柴油機標定工況下的轉(zhuǎn)矩作為依據(jù)的。因此，為了使曲軸不會因扭應(yīng)力超過設(shè)計時的許用應(yīng)力而導(dǎo)致?lián)p壞，就必須使柴油機在各種轉(zhuǎn)速下的Me都不超過Mb。在柴油機各種轉(zhuǎn)速下如果Me＝Ｍb，根據(jù)Me＝９５５０Ｐe/n和Mb=9550Pb/nb，有Pe=Pb/nb·n=cn上式表示在Pe－n坐標系中等轉(zhuǎn)矩限制特性線是一通過坐標原點，斜率c=Pb/nb的直線。圖7-9直線2即為等轉(zhuǎn)矩限制特性曲線。如果主機在其全部使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，保持在等轉(zhuǎn)矩限制特性曲線以下工作，則保證柴油機曲軸的機械負荷都不超過允許值。圖7-8MANB&W6L50MC柴油機推進特性2等排氣溫度限制特性圖7-9柴油機的限制特性1-等排氣溫度限制特性；２-等轉(zhuǎn)矩限制特性；３-限制特性現(xiàn)代船用主柴油機增壓度都比較高，在其限制特性中都考慮了對熱負荷的限制。柴油機的熱負荷與其工作時的過量空氣系數(shù)α有直接關(guān)系，為了限制熱負荷，一些柴油機以α作為限制參數(shù)，即所謂的等α限制特性。建立此種限制特性的條件是柴油機在各種轉(zhuǎn)速下的α都等于標定工況下的αb。圖7-9柴油機的限制特性1-等排氣溫度限制特性；２-等轉(zhuǎn)矩限制特性；３-限制特性然而，柴油機在實際運轉(zhuǎn)中的α值不僅難以測定，而且在整個運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍里保持不變也是相當困難的。柴油機的熱負荷還可以工作循環(huán)平均溫度tm來表示，但工作循環(huán)平均溫度tm也無法直接測取。所以，實際是采用平均排氣溫度tr代替α和tm來表示柴油機的熱負荷。tr可方便地用普通的儀表測出。它雖不能直接確定柴油機熱負荷的數(shù)值，但在一定條件下反映出柴油機熱負荷的大小，因此可作為限制柴油機熱負荷的一個參數(shù)來建立相應(yīng)的限制特性。圖7-9曲線1即為等排氣溫度限制特性曲線。柴油機的限制特性是對機械負荷和熱負荷兩個方面的限制。等轉(zhuǎn)矩限制特性與等排氣溫度限制特性是不一致的。在n從nb開始下降初期，按等轉(zhuǎn)矩變化的功率小于按等排氣溫度變化的功率，而到n下降的后期則恰好相反。因此，柴油機是在標定轉(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)。圖7-9折線3即為限制特性曲線。柴油機的選型區(qū)域和使用范圍一、柴油主機的選型區(qū)域主推進裝置是船舶的核心，而主推進裝置中最重要的設(shè)備就是主機。目前絕大多數(shù)主機為柴油機，主機工作的好壞不僅取決于主機本身的性能，同時也與船舶設(shè)計部門及船東如何選擇和使用有密切關(guān)系。如果選擇和使用不當，即使是一臺性能良好的主機，也會造成壽命縮短、事故頻繁、經(jīng)常停航修理等一系列問題，所以在主機選型時，除了使主機滿足船舶在試航時船速的要求外，還要考慮在使用一段時間后機器性能下降、船體變臟、螺旋槳結(jié)垢的情況下主機和螺旋槳的配合情況，同時也要考慮船舶遇到惡劣氣象、復(fù)雜海況及不同水域時的適應(yīng)特性?？偟膩碚f，主機選型應(yīng)考慮柴油機性能方面的優(yōu)化及船舶在整個使用期內(nèi)的主要運行工況。每種型號的船用柴油主機都有其選型區(qū)域(layoutdiagram)，區(qū)域內(nèi)任何一工況點都可被選為約定最大持續(xù)功率（CMCR或SMCR）。所謂約定最大持續(xù)功率，是指由船東和廠方商定的在船上實際使用的最大功率。約定最大持續(xù)功率確定后，便可確定柴油機的允許運行范圍。約定最大持續(xù)功率的確定需要考慮各種因素，如推進功率、螺旋槳效率、航行的機動性、功率和轉(zhuǎn)速儲備、是否有軸帶發(fā)電機以及船舶的營運方式等。近年來，MANＢ&W和W?rtsil?公司兩個主要的船用柴油機公司都提供了柴油機的選型區(qū)域，兩家公司的內(nèi)容基本相同。W?rtsil?公司推出的SulzerRTA系列柴油機的選型區(qū)域是由R１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４四個點的連線所圍成的，如圖7-10(a)所示，其中R１為柴油機的最大持續(xù)功率（MCR，即標定功率）點，R２為100%標定轉(zhuǎn)速與55%標定功率的交點，R３為72%標定轉(zhuǎn)速與100%標定平均有效壓力線的交點，R４為72%標定轉(zhuǎn)速與55%標定功率線的交點。ＭＡＮＢ&W公司的ＭＣ系列柴油機的選型區(qū)域是由兩條等平均有效壓力線L１—L３（１００％pb）和L２－L４(80%pb)和兩條等轉(zhuǎn)速線L１—Ｌ2(100%nb)和L３—Ｌ４（７５％nb）組成的。如圖7-10(b)所示，在整個工作區(qū)內(nèi)，柴油機的最高燃燒壓力是相同的。柴油機在上述區(qū)域內(nèi)，可以由船東和廠方商定在船上實際使用的最大持續(xù)功率。由于所選定工作點的功率和轉(zhuǎn)速往往低于柴油機的標定功率和轉(zhuǎn)速，也稱為柴油機的減額輸出，所選定工作點的功率稱為約定最大持續(xù)功率(SMCR或CMCR)。采用約定最大持續(xù)功率，實際上是在尋求船—機—槳三方面經(jīng)濟效益最佳的匹配。這是一個牽扯面很廣的問題，需要考慮到柴油機的燃油消耗率，給定船速所需的最小推進動力，船體形狀和螺旋槳效率等問題。一般來說，選取的工作點越靠下，柴油機平均有效壓力越下降。會使pz/pe提高，柴油機的燃油消耗量下降；工作點越往左，柴油機轉(zhuǎn)速下降，螺旋槳效率提高，而這些是以柴油機動力性為代價的。對于同樣的功率的裝置所需發(fā)動機缸數(shù)要增加，槳的直徑和船舶吃水也要增加。約定最大持續(xù)功率的確定是由螺旋槳設(shè)計點(PD)和功率儲備兩方面來確定的，見圖７-10(b)。螺旋槳設(shè)計點是根據(jù)船舶所需的螺旋槳轉(zhuǎn)速和功率通過理論計算和水池試驗得到的。功率儲備主要包括船體工作儲備和發(fā)動機工作儲備。船體工作儲備是考慮到污底、海面風(fēng)浪的影響需要發(fā)動機提供更大的功率，這樣螺旋槳特性曲線由輕負荷線⑥左移至重負荷線②，相對設(shè)計點PD點有約15%的船體工作儲備和2.5%～５％轉(zhuǎn)速儲備。此時對應(yīng)的工作點為持續(xù)圖7-10柴油機的選型區(qū)域圖7-11功率儲備營運功率SP，再加上約10%的發(fā)動機工作儲備，其工作點(MP)即為約定最大持續(xù)運轉(zhuǎn)功率。圖中HR——重負荷運轉(zhuǎn)，圖7-11功率儲備為了滿足IMO-2000排放規(guī)范，某些型號柴油機（如Sulzer-RTA系列的某些機型）的選型區(qū)域的下半部已經(jīng)減小。由于柴油機的約定最大持續(xù)功率點一般都選定在R1-R3連線附近，因此這一變動不會有什么負面影響。約定最大持續(xù)功率確定后，選型區(qū)域圖將用于確定柴油機的運行區(qū)域、燃油消耗率、排氣流量和排氣溫度、燃油噴射參數(shù)、廢氣渦輪增壓器及增壓空氣冷卻器的規(guī)格等。二、功率儲備柴油機的標定功率是在標定條件下在試驗中得到的最大持續(xù)運轉(zhuǎn)功率。但柴油機在實際運轉(zhuǎn)時與試驗時環(huán)境條件不同。另外，在實際運轉(zhuǎn)中還需要考慮可能引起柴油機超負荷的各種因素(如船舶污底、海面風(fēng)浪、航區(qū)變化等)。而且，柴油機由于長期使用逐漸變舊造成可發(fā)出的最大功率降低。所以，往往都是在低于柴油機標定功率以下某個功率來確定柴油機的約定最大持續(xù)功率，也就是說，在主機選型時要留有一定的功率儲備，使柴油機在各種條件下運轉(zhuǎn)時不會超負荷。對于現(xiàn)代船用柴油機，由于增壓程度高，超負荷能力較低，這種考慮尤為重要功率儲備的大小與采用的機型、船型、船的用途、船舶航區(qū)等因素有關(guān)，一般由船廠和船東具體商定(造機廠對柴油機的選型做出推薦)。圖7-10示出一種功率儲備確定方案。根據(jù)此方案，功率儲備可分為兩部分。1發(fā)動機工作儲備主要考慮到柴油機在海上工作環(huán)境與確定柴油機標定功率時的工作環(huán)境不同，為了確保柴油機安全可靠地工作，延長維修間隔和使用壽命，發(fā)動機在船上使用的持續(xù)服務(wù)功率比標定功率(MCR)要低。兩者的差值稱為發(fā)動機工作功率儲備。圖7-10中示出該值約為10%MCR。船體工作儲備船體表面由于附著海生物和受到腐蝕及海面風(fēng)浪、航道變窄變淺等因素引起船體阻力增加。為了使船舶在各種航行條件下發(fā)動機不超負荷，發(fā)動機在船上使用的持續(xù)服務(wù)功率比標定功率進一步降低。由于考慮船體工作中阻力增加而留有的功率儲備稱船體工作儲備。在圖7-11中船體工作儲備約為18%MCR。滿載新船在試航時螺旋槳特性線為曲線1，在營運過程中螺旋槳特性曲線將在1和2線之間變化。三、航行工況(船舶阻力)對機槳配合點的影響船舶阻力變化引起螺旋槳的工作狀況變化以螺旋槳的進程比λp來表示。在船舶航行時，當船舶阻力增大(重載、污底、逆風(fēng)、頂流、淺水窄航道航行等)或運動狀態(tài)改變(系泊、起圖7-12航行工況(船舶阻力)對機槳配合點的影響航、轉(zhuǎn)彎、倒航等)時，會使λp減小，螺旋槳的特性變陡，如圖7-12所示。圖中λpⅠ＜λpⅡ＜λpⅢ。當機槳配合時，槳特性線Ⅱ與柴油機速度特性線1相交于a點。若阻力增大時λp減小，槳特性線由Ⅱ變?yōu)棰?，與速度特性線交于b點，柴油機轉(zhuǎn)速、功率下降。當船舶阻力減小時λp變大，螺旋槳特性線變得平坦(曲線Ⅲ)。此時如果柴油機仍按原速度特性工作時，則工作點變到d點，柴油機的功率、轉(zhuǎn)速均大于原功率和轉(zhuǎn)速。如果a點是正確的機槳配合工作點，則b點時柴油機的功率未得到充分發(fā)揮。假如Ⅰ線太陡(外界阻力太大)，還會使柴油機工作在大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速工況下，其熱負荷較高，對柴油機的可靠性影響很大；d點時柴油機的轉(zhuǎn)速太高，會使得柴油機的機械效率下降和機械負荷過大圖7-12航行工況(船舶阻力)對機槳配合點的影響四、船舶柴油機的運行區(qū)域為了使船用柴油機經(jīng)濟、穩(wěn)定和可靠地工作并具有較長的壽命，必須對運行時可能達到的功率Pe(或平均有效壓力pe和轉(zhuǎn)矩)和轉(zhuǎn)速作適當?shù)南拗疲创_定一個允許的運轉(zhuǎn)范圍。如圖7-13所示。1柴油機在各種轉(zhuǎn)速下允許達到的最大功率在圖7-13中，不同條件下柴油機的最大功率分別由超負荷速度特性(曲線4)、全負荷速度特性(曲線2)以及限制特性(等轉(zhuǎn)矩限制線3和等排煙溫度限制線1)來限制。曲線4和曲線2只有在柴油機臺架試驗時使用。一臺運行中的柴油機在各種轉(zhuǎn)速下所允許達到的最大功率一般限制在限制特性線以下，柴油機在各種轉(zhuǎn)速下的功率如果超過這些特性所規(guī)定的上限時，其經(jīng)濟性和可靠性將顯著下降。2柴油機在各種轉(zhuǎn)速下的最小功率柴油機最小功率由最低負荷速度特性曲線8來限制。這是因為柴油機在過小負荷下工作時每循環(huán)供油量太小，而且各缸的供油量在此情況下將變得很不均勻，導(dǎo)致各缸功率顯著不均，其至個別氣缸不噴油或不發(fā)火，致使柴油機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。同時低負荷時還會導(dǎo)致低溫腐蝕加劇。3柴油機在各種負荷下可達到的最高轉(zhuǎn)速在裝有調(diào)速器的情況下，由調(diào)速特性來限制柴油機的最高轉(zhuǎn)速。如果在標定功率下調(diào)速器使柴油機在標定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，則在負荷減小時它將使柴油機在調(diào)速特性線5確定的各個轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。同樣，如果在超負荷功率下調(diào)速器使柴油機在相應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，則在負荷減小時它將使柴油機在調(diào)速特性6所確定的各種轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。柴油機在各種負荷下的轉(zhuǎn)速如果超過這種特性規(guī)定的范圍，就不能安全工作，其經(jīng)濟性也將下降。4柴油機在各種負荷下可能達到的最低轉(zhuǎn)速圖7-13船用柴油機的允許運行區(qū)域柴油機在過小的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時，油泵柱塞的速度很低，泵油壓力