船舶柴油机教案15.docx

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船舶柴油机教案15

第一章船舶柴油机概述

第一节柴油机的基本工作原理

一、基本概念

（一）热机

1．定义：

热机是指把热能转换成机械能的动力机械。

燃料在一个特定的装置中燃烧，将化学能转变为热能以加热工质，然后把工质的热能转变为机械能，这种具有两次能量转换的机械称为热机。

2．分类：

热机可分为外燃机和内燃机。

1）外燃机：

燃料燃烧发生在汽缸外部，热能转变成机械能发生在汽缸内部。

如蒸汽机、蒸汽轮机同属于外燃机。

特点：

热损失较大，热效率较低，装置笨重。

2）内燃机：

燃料的化学能转变热能、热能转变成机械能均发生在气缸内部。

如汽油机、柴油机、以及燃气轮机同属内燃机。

（二）内燃机

1．特点：

能量损失小，具有较高的热效率，尺寸和重量方面具有优势。

2．共性：

燃料在发动机气缸中燃烧，直接利用燃烧产生的高温高压燃气在气缸中膨胀作功。

3．个性：

如汽油机：

①使用挥发性好的汽油做燃料；

②采用外部混合法形成可燃混合气；

③缸内燃烧为电火花塞点火。

④这种工作特点使汽油机

⑤不能采用高的压缩比，经济性差；

⑥不允许作为船用发动机使用（汽油的火灾危险性大）。

（三）柴油机

1．定义：

柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。

2．特点：

①使用柴油或劣质燃料油做燃料；

②采用内部混合法（燃油与空气的混合发生在气缸内部）形成可燃混合气；③缸内燃烧采用压燃式（靠缸内空气压缩形成的高温自行发火）；

④热效率最高（已达到55％左右）。

采用压缩发火是柴油机不同于其他内燃机的本质特征。

3．区别：

①结构差异：

主要是供油系统不同。

②工作原理差异：

发火方式不同。

4．优缺点：

（1）经济性好。

有效热效率可达50％以上，可使用价廉重油，燃料费用低。

（2）功率范围宽,适用领域广。

（3）尺寸小，重量轻，有利于船舶机舱布置。

（4）机动性好，起动方便，加速性能好。

有宽广的转速和负荷范围，并可直接反转，能适应船舶航行的各种要求。

（5）存在机身振动、轴系扭转振动和噪音。

（6）某些部件的工作条件恶劣，在高温、高压并有冲击性负荷的条件下工作。

二、柴油机的基本结构与结构参数

1．基本结构

如图1-1所示为四冲程柴油机的基本结构。

固定件：

气缸盖、机体、机座、主轴承；

运动件：

活塞、连杆、曲轴；

换气机构：

凸轮轴、顶杆、摇臂、气阀弹簧、气阀；

燃油系统、冷却系统、润滑系统、操纵系统。

2．基本结构参数

1）上止点（TDC）活塞在气缸中运动的最

上端位置,也就是活塞离曲轴中心线最远的位置。

图1-1四冲程柴油机基本结构图

1-曲轴2-主轴承3-曲柄销

4-连杆螺栓5-连杆6-凸轮轴

7-喷油泵8-顶杆9-进气管

10-进气阀11-高压燃油管12-摇臂

13-喷油器14-气阀弹簧15-排气阀

16-排气管17-气缸盖18-活塞

19-活塞销20-气缸套21-机体

22-机座

2）下止点（BDC）活塞在气缸中运动的最

下端位置,也就是活塞离曲轴中心线最近的位置。

3）活塞行程（S）指活塞从上止点运行到

下止点间的直线距离。

它等于曲轴曲柄半径R的两倍（S=2R）。

活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180°曲

轴转角。

4）气缸直径（D）气缸的内径,简称缸径。

5）压缩容积（ＶC）压缩容积也叫燃烧室容

积（或称余隙容积、存气）。

它是指活塞在气

缸内位于上止点时,在活塞顶上方的全部空间

容积。

6）余隙高度（顶隙hC）上止点时活塞最

高顶面与气缸盖底平面之垂直距离。

7）气缸工作容积（Ｖs）活塞在气缸中从

上止点运行到下止点时所扫过的容积。

图1-2柴油机的主要几何术语

Ｖs＝π/4·D2·S

8）气缸总容积（Va）活塞在气缸内位于

下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积，亦称气缸最大容积。

Ｖa=Ｖs+Ｖc

9）压缩比ε气缸总容积与压缩室容积之比值，亦称几何压缩比。

ε＝

压缩比表示缸内工质压缩的程度。

柴油机压缩比约为12～22。

中、高速机压缩比高于低速机。

柴油机压缩比ε的选用范围表1-1

低速机

中速机

高速直喷式

高速分开式

增压机

非增压机

12-13

14-15

14-18

18-22

12-15

15-22

三、柴油机理论循环

1．目的

（1）用比较简单的理论公式说明各基本热力学参数间的关系，从而找出提高理论循环热效率和理论循环平均压力的基本途径。

（2）确定极限的循环热效率，以判断实际工作过程的完善程度。

（3）比较各热力学循环的经济性和动力性。

2．三种理论循环

图1-3理论循环p-V示功图

a）等容加热循环b）等压加热循环c）混合加热循环

1）等容加热循环（奥托循环）：

用于汽油机（部分高速柴油机）。

2）等压加热循环（狄塞尔循环）：

用于早期的空气喷射式柴油机（现代高增压柴油机）

3）混合加热循环（塞巴斯循环）：

用于现代柴油机。

3．热效率

式中：

ε——压缩比，

λ——压力升高比，

ρ——预膨胀比，

k——绝热指数。

注：

等容循环：

ρ=1；等压循环：

λ=1。

当ε↑、λ↑、k↑、ρ↓，ηt↑。

4．比较

图1-4加热量Q1相同时，，三种理想循环η的比较

a）压缩比ε相同b）最高爆发压力pmax相同

分析：

1）当Q1、ε相同时，ηt等容加热＞混合加热＞等压加热；

2）当Q1、pmax相同时，ηt等压加热＞混合加热＞等容加热。

四、柴油机的实际循环

理论循环

实际循环

工质的影响

理想气体

空气、燃烧产物

换气损失

工质无需替换

膨胀损失功、泵气功

传热损失

绝热

压缩多变n：

1.32～1.37

膨胀多变n：

1.15～1.30

燃烧损失

热量全部加入

后燃、不完全燃烧

泄漏损失

无泄漏

气阀、活塞环

其他损失

无

时间损失、工质涡动

第二节柴油机工作原理

1．工作条件

1）需要有足够的空气供柴油燃烧。

2）要有很高的温度才能促使油滴蒸发成油气并迅速与空气形成可燃混合气，保证燃料自行发火燃烧。

3）需将柴油喷散成很细的雾状，以保证燃料与新鲜空气均匀混合，获得充分和完全燃烧。

2．基本工作原理

采用压缩发火方式使燃料在缸内燃烧，以高温高压的燃气工质在气缸中膨胀推动活塞往复运动，并通过活塞一连杆一曲柄机构将往复运动转变为曲轴的回转运动，从而带动工作机械。

3．工作过程

燃气在柴油机中燃烧作功，必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程才能实现，进行了这五个过程就完成了一个工作循环。

不断重复这些过程，使柴油机持续工作。

4．分类

柴油机工作时这五个过程分别在四个活塞行程中完成，就称为四冲程柴油机；如果这五个过程分别在两个活塞行程中完成，则称为二冲程柴油机。

一、四冲程柴油机工作原理

1．工作原理

图1-5中所示的四个简图分别表示四冲程柴油机工作循环进行的情况和活塞、曲轴等部件的有关动作位置。

图1-5四冲程柴油机工作原理

第一行程——进气行程。

空气进入气缸时相对应的活塞行程。

这个行程的作用是使气缸内充满新鲜空气。

活塞从上止点下行，进气阀a打开。

由于活塞下行，气缸容积不断增大，缸内压力下降，依靠气缸内与大气之间的压差，新鲜空气经进气阀被吸入气缸。

由于进气阀流通截面积在开启过程中只能是逐渐地增大，为了减少吸气所消耗的功，并利用气流的惯性效应增加进气量，进气阀一般在活塞到达上止点前提前打开（曲柄位于点1），此时所对应的曲轴转角称为进气提前开启角，进气阀在下止点后延迟关闭（曲柄位于点2），此时所对应的曲轴转角称为进气延迟关闭角，进气阀开启持续角约为220°～250°。

第二行程——压缩行程。

工质在气缸内被压缩时相对应的活塞行程。

这个行程的作用是通过活塞的压缩，使气缸内的空气达到一定压力和温度。

活塞从下止点向上运动，自进气阀关闭后（点2）才开始压缩，一直到上止点（点3）为止。

在进气行程中吸入的新气经压缩后，压力增高到3MPa～6MPa，温度升高到600℃～700℃（燃油的自燃温度为210℃～270℃）。

压缩终点的压力和温度分别用符号Pc和Tc表示，代表气缸的热状态。

在压缩过程的后期由喷油器（c）喷人气缸的燃油，与高温空气混合、加热，并自行发火燃烧。

压缩过程所占的曲轴转角约为140°～160°。

压缩过程的作用主要有以下几个方面：

（1）提高柴油机的经济性。

压缩能扩大工作循环的温度范围，使燃烧过程终点温度提高，提高循环热效率。

（2）压缩过程使工质获得尽可能大的膨胀比，能推动活塞做更多的功。

（3）压缩过程为冷车起动及发火燃烧创造了条件。

第三行程——燃烧和膨胀行程。

工质在气缸内燃烧膨胀时相对应的活塞行程。

这个行程的作用是将燃油燃烧产生的热能转变成机械功向外输出。

在这一行程中活塞从上止点到下止点，主要完成燃烧膨胀过程，燃气推动活塞作功。

活塞在上止点附近，由于燃油强烈燃烧，使气缸内的压力和温度急剧升高，压力约达5Mpa～8MPa，甚至高达15MPa以上。

温度约为1400℃～1800℃，或更高些。

燃烧的最高压力和最高温度分别用Pz和Tz表示。

高温高压的燃气（作功的工质）膨胀推动活塞下行而作功。

由于气缸容积逐渐增大，压力下降，在上止点后某一时刻（点4）燃烧基本完成。

气缸中的压力和温度随着燃气的膨胀而逐渐下降，膨胀一直到排气阀6开启时结束，膨胀终了时的气缸内气体压力约为250kPa～450kPa，气体温度约为600℃～700℃。

与进气阀相同，由于排气阀流通截面积在开启过程中只能是逐渐地增大，因此排气阀总是提早在下止点前开启（点5），使活塞进入排气行程时排气阀已具有足够大的流通截面积，实现充分排气，而且还可减少排气所消耗的功。

第四行程——排气行程。

废气从气缸内排出时相对应的活塞行程。

这个行程的作用是将作功后的废气排出气缸。

在上一行程末，排气阀b开启时活塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差经排气阀排出。

当活塞由下止点上行时，废气被上行的活塞强行推挤出气缸，此时的排气过程是在略高于大气压力（约1.05～1.1大气压）且在压力基本不变的情况下进行的。

为了使气缸内的废气排除得更干净，并减少排气过程消耗的功，排气阀一直延迟到上止点后（点6）才关闭。

排气行程的持续角约为220°～260°。

在上止点之前，排气阀还没有关闭，进气阀再次打开，又重复另一个循环，以维持柴油机持续稳定的运转。

四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲轴要回转两转（720°曲轴转角）。

在每个工作循环中只有第三行程（燃烧膨胀行程）是对外作功的，其它三个行程都是为膨胀行程服务的，都需要外界供给能量，因此柴油机常做成多缸式的，这样，进气、压缩、排气行程的能量可由其它正在作功的气缸供给。

如果是单缸柴油机，则需要用较大的飞轮来储存和供给能量。

2．气阀定时、气阀重叠角

1）气阀定时圆图

定义：

进、排气阀在上、下止点前后启闭的时刻称

为气阀定时，用曲轴转角表示气阀定时的圆图称气

阀定时圆图，如图1-6所示。

进气阀在上止点前点１开启，下止点后点2关

闭。

进气阀提前角为φ１，延迟关闭角为φ２，进气

持续角φi＝φ１＋180°＋φ２。

排气阀在下止点前

点5开启，上止点后点6关闭，排气阀提前角为φ3，

延迟关闭角为φ4，排气持续角φe=φ３＋180°＋φ4。

图1-6气阀正时圆图

2）气阀提前开启和延迟关闭的原因：

气阀的开启总是有一个由小到大的过程，刚开启时，它的流通截面很小，气体流过时的阻力就大，如果进、排气阀正好在上、下止点时才打开，那么进气和排气必然要在活塞下行或上行一段时间后才能开始，这样就影响了气流的通畅，使进气不充分，排气不干净。

如果进、排气阀早于上、下止点之前开启，就可减少进、排气的阻力，使进、排气过程真正在上、下止点附近就开始，从而有利于废气的排除和新气的充入。

此外，新气和废气进入或排出气缸时，都有一定的流速，气体在流动时有一定的惯性，所以合理利用气流的惯性可以吸入更多的空气，排除更多的废气。

3）气阀过早开启或过晚关闭的后果

进气阀过早开启：

造成废气倒灌入进气管。

过晚关闭：

压缩始点推迟、压缩终点压力与温度下降。

排气阀过早开启：

膨胀功减少、排温升高。

过晚关闭：

造成排气管废气倒吸。

4）气阀重叠角

定义：

同一气缸进、排气阀在上止点前后同时开启着的曲轴转角称气阀重叠角。

作用：

在气阀重叠开启期间，进气管、气缸、排气管是连通的。

（1）利用废气的流动惯性，有利于废气排出气缸；

（2）可抽吸新鲜空气进入气缸；

（3）增压柴油机还可实现所谓燃烧室扫气，可提高换气质量，还可利用新气冷却燃烧室有关部件。

因此，四冲程柴油机均有一定的气阀重叠角，而且增压柴油机的气阀重叠角均大于非增压机。

如表1-2所示。

四冲程柴油机气阀重叠角度表1-2

名称

非增压

增压

开启

关闭

开启

关闭

进气阀

上止点前15-30°

下止点后10-30°

上止点前40-80°

下止点后20-40°

排气阀

下止点前35-45°

上止点后10-20°

下止点前40-55°

上止点后40-50°

重叠角

25°－50°

80°－130°

5）影响因素

气阀正时不仅取决于柴油机的类型、转速、进排气凸轮的形状，在实际运转中也会由于磨损、间隙以及其它一些原因而发生改变，所以必须定期地进行测量和调整。

二、二冲程柴油机工作原理

二冲程柴油机的特点是没有专门的进气行程和排气行程，它的排气与进气是在膨胀行程未及压缩行程之初的一段时间内进行。

废气的排除除了一部分是自由排出外，其余的部分需要靠充入气缸的新鲜空气把废气扫出的。

所以，必须设专用的扫气泵，将新鲜空气的压力增加。

这个进气和扫气过程称为“换气过程”。

图1-7二冲程柴油机工作原理图

1．工作原理

1）换气一压缩行程

活塞由下止点向上运动。

在活塞遮住进气口之前，新鲜空气通过进气口继续充入气缸并将气缸内的废气经排气口驱除出去。

当活塞上行到将进气口全部遮闭时，新鲜空气就停止进入气缸。

当排气口被活塞遮闭后，气缸内的空气就被上行的活塞压缩，压力和温度亦随之升高。

在活塞到达上止点前的某一时刻，柴油经喷油器喷入气缸，并与高温高压空气混合后着火燃烧。

2）膨胀一换气行程

活塞由上止点向下运动。

在此行程的

初期，燃烧仍在继续猛烈地进行，到上止

点后某一时刻才基本结束。

高温高压的燃

气膨胀推动活塞下行作功。

当活塞下行将

排气口打开时，此时缸内燃气的压力和温

度仍较高，分别为0．25～0．6MPa和

600°～800°C，气缸内燃气利用内外的

压差经排气口排出，缸内的压力也随之下

图1-8ESDZ43/82B型柴油机的定时圆图

降。

当缸内压力下降到接近扫气压力时，

下行的活塞将进气口打开，新鲜空气便通

过进气口充入气缸，并对气缸内进行扫气，将气缸内的废气经排气口驱除出去。

直到活塞上行再次将进气口关闭。

由此可见，与四冲程柴油机相比，二冲程柴油机是将进气和排气过程合并到压缩与膨胀行程中进行，从而省略两个行程。

因此，二冲程柴油机在曲轴回转一转中就可以完成一个工作循环。

2．二冲程机的换气形式

1）换气形式

简单横流

横流

扫气口装有单向阀

回流

弯流

简单半回流

半回流（新型横流）扫气口有阀控制

排气口有阀控制

排气阀—扫气口式

直流

排气口—扫气口式

图1-10回流扫气示意图

图1-9简单横流扫气示意图

图1-12排气阀—扫气口直流

扫气形式示意图

图1-11半回流扫气示意图

（1）简单横流扫气：

扫、排气口位于气缸两侧，扫、排气口沿水平和垂直方向均有倾斜角以控制气流方向，防止进气直接流向排气口。

（2）回流扫气：

扫、排气口在气缸下部同一侧且排气口在扫气口上方。

气流在缸内作“回线”流动。

（3）半回流扫气：

扫气口布置在排气口的下方及两侧，气流在缸内的流动特征兼有横流与回流的特点。

在排气管中可装回转控制阀，可在活塞上行活塞裙开启排气口前关闭排气管，防止新鲜空气经排气口流失。

（4）排气阀—扫气口直流扫气

气缸下部均布一圈扫气口，在气缸盖上有排气阀（1～6个）。

特点：

①气流在缸内的流动方向是自下而上的直线流动。

②气流螺旋上升，扫气效果好。

扫气口在纵向和横向两个方向有倾斜角，使扫气空气进入气缸后有向上和绕气缸轴线旋转的运动。

形成“气垫”，新鲜空气与废气不易掺混，。

③排气规律易控制。

2）换气形式比较

弯流扫气新气与废气易掺混，换气质量差，但结构简单，维修方便。

直流扫气换气质量好，但结构复杂，维修困难。

适用于现代超长行程柴油机。

直流扫气＞横流扫气＞回流扫气。

3．特点

1）有效压缩比

进、排气阀（口）全部关闭瞬时的气缸容积与压缩容积之比值。

φs——行程失效系数，φs=气口高度/行程。

2）二冲程机与四冲程机的比较

（1）在气缸直径、活塞行程与转速相同的条件下，二冲程柴油机的功率约为四冲程柴油机的1.6～1.8倍。

原因：

①二冲程柴油机的气口使其有效行程减少；

　　　②换气质量差；

　　　③带动扫气泵消耗曲轴有效功等。

（2）回转均匀，飞轮可较小。

（3）换气机构简单。

（4）换气质量差。

（5）工作频率高，热负荷高。

三、增压柴油机的基本工作原理

1．定义：

用提高进气压力来提高柴油机功率的

方法称为“增压”。

2．目的：

提高柴油机功率。

3．方法

1）机械增压：

压气机直接由柴油机带动。

采用机械增压方法后，在保持柴油机原结构尺

寸的情况下，功率可提高20％－70％，但由于增压

器要消耗曲轴的有效输出功，则经济性下降，效率

较低，故目前已不采用。

2）废气涡轮增压：

用柴油机气缸排出的废气的

能量在涡轮机中膨胀作功，由涡轮机来驱动压气机。

废气涡轮增压既能提高柴油机的功率，又可降低油

图1-13废气涡轮增压柴油机

工作原理简图

1、3-进气管2-压气机

4-进气阀5-排气阀

6、9-排气管7、8-涡轮机

耗，提高柴油机的经济性，所以说它是一种最好的

柴油机增压方式。

图1-13是废气涡轮增压四冲程柴油机的工作简图。

废气涡轮增压器由废气涡轮机和与其同轴的离

心式压气机等组成。

柴油机气缸排出的废气经排气

管进入涡轮机，在其中膨胀作功推动涡轮机转动并带

动压气机工作。

被压缩后的新鲜空气经进气管送往柴

油机的各个气缸。

目前，船舶柴油机几乎全部都采用了废气涡轮增压。

第三节柴油机的性能指标

为了从总体上去评估一台柴油机，常常利用柴油机的一些主要技术指标来判断和衡量。

这些指标包括动力性指标、经济性指标和其它的一些重要参数。

一、指示指标

以气缸内燃气对活塞所做的指示功为基础，只考虑气缸内燃烧不完全及传热等方面的热损失，而没有考虑柴油机本身的一系列机械损失（如各运动副间所存在的摩擦损失）。

它反映气缸中工作过程的完善程度，即燃油燃烧后放出的热能在气缸内被利用的程度。

指标指标有：

平均指示压力pi、指示功率Pi、指示热效率ηi和指示耗油率gi

1．平均指示压力pi

1）定义假定一个数值不变的平均压力，作用在活塞上，推动活塞在一

个膨胀行程内所作的功与一个工作循环的指示功相等，这个假定不变的压力就称为平均指示压力，如图1-14所示。

（N／m2或Pa）

式中：

pi——平均指示压力，Pa

Li――指示功，N.m

F——活塞面积，m2

S——活塞行程，m

图1-14平均指示压力示意图

VS——气缸工作容积，m3

平均指示压力pi是一个工作循环中每单位气缸工作容积所做的指示功。

它的数值大小与气缸工作容积无关，因此可以用pi来比较不同类型和不同气缸尺寸的柴油机气缸工作容积的利用程度。

pi值大，说明其单位气缸工作容积的作功能力大，其工作循环比较完善。

所以pi是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。

平均指示压力pi可以反应柴油机的强化程度。

2）pi的影响因素

（1）增压度。

提高增压度即提高进气量，相应地可提高每循环的喷油量，平均指示压力将随着增压压力的提高成比例地提高，但要受到最大热应力的限制。

（2）过量空气系数α值。

在α≤2之前随着α的增大，缸内燃烧质量提高，pi提高。

但当α>2时，因油气浓度过低会使pi值下降。

（3）工质混合完善程度提高，pi值相应提高。

（4）换气质量提高，pi提高。

（5）燃烧质量提高，pi提高。

（6）负荷增大，喷油量增加，pi值提高。

增压机的pi＞非增压机，四冲程机的pi＞二冲程机，直流扫气的pi＞弯流扫气。

以增压四冲程柴油机为最高。

2．指示功率Ni

1）定义指柴油机气缸内的工质在单位时间内所作的指示功。

2）计算公式

单缸的指示功率

（KW）

整机的指示功率

（KW）

式中：

pi一－平均指示压力，Pa或N／m2

VS——气缸工作容积，m3

n——柴油机的转速，r／min

m——冲程系数，四冲程机m＝1／2，二冲程机m＝1

i——气缸数

C――气缸常数C=VSm/6000

3．指示热效率ηi

1）定义指示热效率是柴油机实际循环指示功与得到此指示功所消耗的燃料热量之比值。

2）计算ηi＝Wi/Q吸入

式中：

Wi——指示功，J

Q吸入——为得到指示功Wi而加入气缸内的总热量，Ｊ

对于一台柴油机，当测得其指示功率Pi和每小时燃油消耗量GT时，根据ηi的定义，可用下式进行计算

式中：

3600——一千瓦小时相当的热量，kJ／（kW·h）

GT——柴油机每小时油耗量，kg／h

Hu——所用燃料低热值，通常取Hu=42700kJ／kg

Ni——指示功率，kW

4．指示耗油率gi

1）定义指示耗油率gi表示单位指示功率每小时的耗油量。

2）计算gi＝GT/Ni（kg/kw·h）

式中：

GT――柴油机每小时耗油量，kg/h

Ni一－指示功率，kW

二、有效指标

以曲轴输出端所测得的有效功为基础，既考虑热损失也考虑机械损失，是真正标志柴油机作功能力和经济性的。

指示指标减去柴油机本身的机械损失即为有效指标。

有效指标包括平均有效压力pe、有效功率Ne、有效热效率ηe和有效油耗率ge。

1．有效功率Ne

1）定义有效功率Ne是柴油机单位时间内所做的有效功，是柴油机曲轴飞轮端输出的实际可供利用的功率。

2）计算

（KW）

式中：

C――气缸常数C＝VSm/60000

Nm――机械损失功率，KW

pe——平均有效压力，Pa

i——气缸数

n——柴油机转速，r/min

柴油机的有效功率Ne，在试验台上可用水力测功器（或电力测功器）测出，在船舶上可用扭力计测出，此时

（KW）

式中：

Me——柴油机输出的有效扭矩，N·m；

n——柴油机转速，r／min。

2．