柴油机的特性Word下载.docx
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我们已知表征柴油机性能的主要指标有平均有效压力pe、有效扭矩Me、有效功率Ne、有效效率ηe和有效耗油率ge、平均指示压力pi等。
运转中的柴油机这些性能指标是随着柴油机运转工况的不同而变化的。
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。
把这种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性曲线。
有了特性曲线，掌握了柴油机特性，就可以合理使用柴油机的一系列特性，指导我们在使用柴油机时如何提高其可靠性、使用寿命，以及如何节油。
如在各种使用条件下决定其极限允许使用范围，选择其最佳工作点，检查其工作质量（性能指标、工作参数）是否良好等。
由公式Ne=Cpeni可以看出，对于特定的柴油机在运转中可能使Ne发生变化的参数只有平均有效压力pe和转速n，它们是两个可以互相独立的基本参数，即Ne=f（pe,n）。
由此，根据pe和n的变化情况可将柴油机特性进行分类。
1）速度特性当pe不变（测定时是将油量调节机构固定，pe实际上会略有变化），柴油机性能参数随n变化的关系。
2）负荷特性当n不变，定于某一设定值时，柴油机性能参数随负荷（pe）变化的关系。
（柴油机的负荷通常是指柴油机阻力矩大小，由于平均有效压力正比于阻力矩，常用平均有效压力来表示负荷）。
3）推进特性柴油机带动螺旋桨，按照螺旋桨特性工作时（pe、n不再是相互独立的而是按螺旋桨特性相互对应的），其性能参数随n或pe变化的关系。
4）调速特性与上述各种柴油机特性不同，它一般并不表明与柴油机内部的工作过程有关参数的变化情况，而只标出Me（pe）、Ne与n的关系，它主要取决于调速器的工作性能。
第二节速度特性
测定速度特性时，将喷油泵油量调节杆固定，然后改变柴油机外负荷以改变其转速，使柴油机在最高允许转速和最低稳定转速之间各不同的转速下稳定运转，并测量各转速下的功率Ne、扭矩Me（或平均有效压力pe）、有效耗油率ge和排气温度Tr等。
把测得的数据整理在以转速为横座标的图上，即得柴油机的速度特性曲线。
由于喷油泵油量调节机构固定的位置不同，即喷油泵的有效行程不同，每循环的供油量不同，所测得的特性曲线也不同。
如果把油量调节机构固定在标定位置（相当于柴油机在标定转速下发出标定功率的供油量）时，所测得的柴油机特性称为全负荷速度特性（习惯上亦称外特性）。
图9-2即为6ESDZ75/160B型柴油机的全负荷速度特性。
图9-3的a图和b图分别为Ne和Me（pe）的速度特性曲线，其中曲线3为全负荷速度特性曲线。
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9-3中的曲线4、5、6所示。
图9-26ESDZ75/160B型柴油机的全负荷速度特性
图9-3柴油机的速度特性
我国船舶建造规范规定，柴油机的超负荷功率为标定功率的110％（作为船舶主机此时的转速是103％标定转速）。
柴油机必须允许在超负荷功率下至少连续运转１小时。
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。
在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9-3中的曲线2。
这条曲线显示了柴油机在各转速下正常工作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。
由于Ne与pe、Ne与Me存在着以下关系：
Ne=Cpeni
Ne=C1Men
可知：
Me=C2pe
可见，Me与pe成比例，可以在不同的纵座标比例尺下用同一曲线来表示。
如图9-3的b图。
当pe（Me）为定值时，曲线Ne=f（n）应是过原点的直线，曲线Me=（n）应是平行于横坐标的直线。
但实际上它们并不是直线，例如图9-3中它们略有上拱。
实际上油量调节机构固定时pe（Me）并不是定值，这是因为：
（1）由于节流、泄漏，喷油泵每循环喷油量随转速的变化略有变化。
（2）增压柴油机指示效率ηi（主要取决于过量空气系数α）随转速增加会有所增加。
（3）增压柴油机机械效率ηm随转速增加稍有降低。
但对低速主机来说，因其转速低，变化范围小，喷油泵每循环喷油量随转速的变化很小；
其过量空气系数α很大，它的变化对ηi影响较小；
其转速变化范围很小，机械效率ηm随转速的变化可以忽略。
因此可以认为：
当柴油机油量调节机构位置一定时，转速变化其pe（Me）不变。
Ne、pe（Me）与n呈线性关系，如图9-3的线7所示。
【没有必要过多讨论各参数的微小变化。
】往后我们将采用这样的线性关系分析问题。
第三节推进特性
柴油机推进特性是柴油机按照螺旋桨特性工作的特性。
因此我们应先了解螺旋桨的特性。
一、螺旋桨特性简介
根据螺旋桨理论，螺旋桨的推力FP和扭矩MP的公式为：
FP=K1ρnP2D4（9-1）
MP=K2ρnP2D5（9-2）
式中：
ρ——流体的密度，千克/米3；
nP——螺旋桨转速，转/秒;
D——螺旋桨直径，米；
K1——推力系数；
K2——扭矩系数。
由试验可知，推力系数K1和扭矩系数K2都是随螺旋桨的进程比λP而变化的。
λP表示螺旋桨每转一转实际产生的位移VP/nP与直径D之比，即λP=VP/（nPD）（VP为螺旋桨前进速度）。
λP是研究螺旋桨水动力性能的一个极重要的参数。
λP增加时，K1、K2则减小，其关系如图9-4所示。
当λP一定时（即比值VP/nP一定时），K1、K2是一定的。
当λP减小时，K1、K2都增加，即推力和扭矩都增加。
当λP=0时，K1、K2最大，此时FP和MP也就达到最大值，这相当于系泊试验或船舶刚起航（VP=0）时的情况。
图9-4定距桨工作性能曲线图
图中ηP为螺旋桨效率曲线。
螺旋桨效率为螺旋桨输出功率（桨的推力×
桨的进速）与它吸收主机功率（桨的阻力矩×
回转角速度）之比，即
ηP＝FPVP/（MP2πnP）（9-3）
商船特别是货轮和油轮，正常定速航行时，船速与螺旋桨转速成正比，即比值VP/nP不变。
对于特定的螺旋桨，直径D是个常数。
所以λP可视为常数。
K1、K2也就可视为常数。
海水的密度ρ变化很小，也可以认为是常数。
这样，可把推力和扭矩公式写为：
FP=C1nP2（9-4）
MP=C2nP2（9-5）
上式说明，螺旋桨的推力和扭矩与其转速的平方成正比。
因此螺旋桨所需的功率为
NP=MP×
2πnP
即NP=C2nP2×
2πnP=CnP3（9-6）
也就是说，螺旋桨所需的功率与其转速的三次方成正比。
将公式（9-5）和（9-6）绘成曲线，即为螺旋桨特性曲线，如图9-5所示。
它表示出螺旋桨所需扭矩和功率随转速变化的规律。
图9-5螺旋桨特性曲线
以上是假定船舶在定速航行，λP为定值的情况下得出的规律。
但是在各种变工况下，λP是变化的。
当λP变小时，根据图9-4的曲线可知扭矩系数K2增大，公式（9-5）中的C2也就增大。
在同一转速下螺旋桨所需扭矩、功率增加。
因此，λP越小，螺旋桨特性曲线就越陡。
如图9-6所示。
其中曲线c的λP最大，曲线o的λP最小（为零）。
图9-6不同λP时的螺旋桨特性
前面所述螺旋桨特性是对几何形状一定的螺旋桨而言、如几何形状不同，则图9-4的螺旋桨性能曲线不同，公式（9-4）、（9-5）、（9-6）中的C1、C2、C的值也就不同。
例如螺旋桨的螺距不同（其它几何尺寸不变），则可得到图9-7所示的一组性能曲线。
从图上可见，当λP不变时（船速一定），螺距比（螺距H与直径D之比）大的螺旋桨，K1、K2较大，推力FP、扭矩MP较大，NP也就较大。
螺旋桨特性曲线较陡。
如图9-8所示。
图9-7螺旋桨系列图谱
图9-8不同H/D时的螺旋桨特性
二、柴油机推进特性
因为螺旋桨所需的功率与转速的三次方成正比，所以柴油机带动螺旋桨工作时，根据柴油机功率与螺旋桨所需功率相等的原则，柴油机功率Ne与转速n的关系也是三次方的关系。
即
Ne=NP=Cn3（9-7）
根据上式，已知柴油机的一个工况，就可算出其它工况下功率Ne与转速的对应关系。
主机在各种转速下对应的功率百分数列于表9-1中。
表9-1
转速％
63
79.5
91
96.5
100
103
功率％
25
50
75
90
110
从表中可看到，由于柴油机的功率与转速的三次方成正比，转速超过柴油机标定值的3％时，功率就达到标定值的110％，达到了柴油机的超负荷功率。
继续提高转速是不允许的，超速运行会带来严重超负荷的后果。
另一方面，转速为标定值的63％时，功率就已降至标定值的25％。
转速较低时，柴油机发出的功率即大为减少，每循环喷油量很小，使得喷油压力降低，雾化变差，燃烧不良，各缸喷油量不均匀。
柴油机技术资料中提供有柴油机在试验台上按标准的外界条件（如规定的大气压力、温度、湿度、燃油的低热值等）工作时测得的推进特性。
如图9-9与图9-10所示。
其中功率Ne、扭矩Me（平均有效压力pe）随转速n变化的关系可根据公式Ne=Cn3和Me=C2n2计算得到（标定转速时发出标定扭矩、标定功率）因此其关系曲线可以略去，也可同时以n和对应的Ne、Me、（pe）值为横座标来标绘推进特性曲线。
其它性能参数（最高爆发压力、压缩终点压力、增压压力、涡轮前后排气温度、涡轮转速、有效耗油率等）则是在试验台上测得。
图9-95L60MC型柴油机性能曲线
（10400Ps×
111r/min，按ISO标准）
nE-转速；
pme-平均有效压力；
pmax-最高爆发压力；
pcomp-压缩终点压力；
pscav-扫气空气压力；
TbT-涡轮前排气温度；
TaT-涡轮后排气温度；
be-燃油消耗率
图9-107RTA58型柴油机性能曲线（R1功率时）
柴油机推进特性可用来评定柴油机的性能。
在实船试航时测得的推进特性曲线可供运行管理时参考。
例如某轮7RTA58型柴油机工作于120转/分。
在图9-10上转速120转/分处作一垂直线与各曲线相交，就可读出该转速下各参数值。
若实际测得的数值与图上读数出入太大，就应分析原因，及时处理。
从图上可看到柴油机的有效耗油率在低负荷、低转速工况时明显增大。
由此可知，主机功率太大（超过所需航速的功率太多）的船舶，采用减速航行节油措施，由于主机工作在部分负荷工况，耗油率较功率不大的船舶高。
推进特性Ne=f（n）的曲线图往往用Ne和n的对数作座标，如图9-11所示。
由于推进特性的表达式Ne=Cn3用对数表示时将成为lgNe=lgC+3lgn，因此在对数座
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