柴油机的特性

柴油机的特性

一．柴油机工况的变化

柴油机由于用途和使用条件不同，它在实际运转中的工作状况的变化可以分成以下三类：1．带动发电机的柴油机：

其工作特点是要求转速恒定，以保持供电电压和频率稳定。在这个恒定的转速下，功率可在零到最大值之间变化，其大小取决于用电情况。

2．带动螺旋桨的柴油机：

柴油机转速与螺旋桨转速一致（或是倍乘关系），稳定运转时，柴油机发出功率与螺旋桨吸收功率相等。因此，柴油机的工况变化规律取决于螺旋桨特性。

3．车用柴油机：

柴油机的转速和扭矩之间没有一定的关系。转速取决于车速，扭矩取决于装载量、路面阻力。

二．柴油机特性的分类

我们已知表征柴油机性能的主要指标有：平均有效压力、有效扭矩、有效功率、有效耗油率、平均指示压力等。运转中的这些柴油机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、最高爆发压力、增压压力等）随运转工况变化的规律称为柴油机的特性。如果把这种变化规律在坐标轴上用曲线的形式表示出来，这种曲线即称为柴油机的特性曲线。

有了特性曲线，掌握了柴油机的特性，就可以合理利用柴油机的一系列特性，知道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。对于特定的柴油机在运转中可能使柴油机有效功率发生变化的参数只有平均有效压力和转速，它们是两个可以互相独立的基本参数。由此，根据平均有效压力和转速的变化情况可将柴油机的特性进行分类。

1．速度特性：

当平均有效压力不变（测定时是将油量调节机构固定，平均有效压力在实际上是略有变化的），柴油机的性能参数随转速变化的关系。

2．负荷特性：

当转速不变，定于某一设定值时，柴油机的性能参数随负荷（平均有效压力）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（平均有效压力、转速不再是相互独立的，而是按螺旋桨特性相互对应的），其性能参数随转速或平均有效压力变化的关系。

4。调速特性：

与上述各种柴油机特性不同，它一般并不表明柴油机内部的工作过程有关参数的变化情况，而只标出有效扭矩、平均有效压力、有效功率与转速的关系，它主要取决于调速器的工作性能。

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、扭矩（或平均有效压力）、有效耗油率和排气温度等。将测得的数据整理在以转速为横坐标的图上，即得到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（习惯上亦称为外特性）。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）。

***我国船舶建造规范规定，柴油机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。在这种情况下，由于喷油泵的调节机构在最大供油位置上，所以汽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。

***实际上油量调节机构在固定时的平均有效压力或有效扭矩并不是定值，这是因为：1．由于节流、泄漏，喷油泵每循环的喷油量随转速的变化略有变化。

2．增压柴油机指示效率（主要取决于过量空气系数）随转速增加会有所增加。

3．增压柴油机的机械效率随转速增加稍有降低。但对低速柴油机（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；其过量空气系数很大，它的变化对热效率影响较小；其转速变化范围很小，机械效率随转速变化可以忽略。因此，可以认为：当柴油机油量调节机构位置一定时，转速变化其平均有效压力（或有效扭矩）不变。有效功率、平均有效压力或有效扭矩与转速呈线性关系。

推进特性

柴油机的推进特性是柴油机按照螺旋桨特性工作的特性。

一．螺旋桨特性简介

由试验可知推力系数和扭矩系数都是随螺旋桨的进程比而变化的。进程比表示螺旋桨每转一转实际产生的位移与直径之比。进程比是研究螺旋桨水动力性能的一个极重要的参数。进程比增加时，推力系数和扭矩系数则减小。当进程比一定时（即螺旋桨前进速度与螺旋桨转速之比的比值一定时），推力系数和扭矩系数四一定的。当进程比减小时，推力系数和扭矩系数都增加，即推力和扭矩都增加。当进程比为零时，推力系数和扭矩系数最大，此时螺旋桨的推力和扭矩也就达到最大值，这相当于系泊试验或船舶刚起航时（螺旋桨速度等于零）的情况。

***螺旋桨效率为螺旋桨输出功率（螺旋桨的推力X螺旋桨的前进速度）与它吸收主机功率（螺旋桨的阻力矩X回转角速度）之比。即：ηp（螺旋桨效率）=FpVp/（Mp2πn）

***式中Fp为螺旋桨的推力，Vp为螺旋桨的前进速度；Mp为扭矩，

商船，特别是货船和油船，正常定速航行时，船速与螺旋桨转速成正比，即螺旋桨的前进速度与螺旋桨的转速的比值比变。对于特定的螺旋桨，直径是一个常数，，所以进程比可视为常数。海水的密度变化很小，也可以认为是常数。

***论证：螺旋桨的推力和扭矩与其转速的平方成正比；螺旋桨所需的功率与其转速的三次

方成正比。

以上是假定船舶在定速航行，进程比为定值的情况下得出的规律。但是在各种变工况下，进程比是变化的。当进程比变小时，扭矩系数增大，同一转速下螺旋桨所需扭矩、功率增加。因此，进程比越小，螺旋桨的特性曲线就越陡。

螺旋桨特性是对几何形状一定的螺旋桨而言，如果几何形状不同，则螺旋桨特性曲线不同。***当进程比不变时（蹿速一定），螺距比（螺距与直径之比）大的螺旋桨的推力系数、扭矩系数较大，推力、扭矩较大，而螺旋桨的转速也就较大。螺旋桨的特性曲线较陡。

二．柴油机的推进特性

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，柴油机功率与转速的关系也是三次方的关系。即已知柴油机的一个工况，就可计算出其它工况下的功率与转速的对应关系。

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，扎为标定值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。其中的最高爆发压力、压缩终点压力、涡轮前后排气温度、涡轮转速、有效耗油率等是在试验台上测得的。

柴油机的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。

***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。

负荷特性

驱动发电机的船舶辅柴油机在负荷变化时，转速基本保持不变。当前，船舶主柴油机均装有全制式（转速在运行范围内可选定任意值）的调速器。在负荷变化时（螺旋桨的进程比变化）时，转速也基本上保持不变。因此，它们均可看成按负荷特性工作。

技术资料提供的负荷特性通常是在标定转速下测取的。如有必要也提供若干个不同转速下的负荷特性。

测取负荷特性时，在改变外负荷的同时改变每循环的供油量，使转速保持不变。通常以平均有效压力为横坐标，纵坐标则是各性能参数，如有效耗油率、排气温度、最高爆发压力、增压器转速、增压压力、涡轮进口处排气温度等。由于转速是常数，这时有效功率与平均有效压力成正比。

因柴油机有效耗油率在低负荷下显著增大。因此，船舶发电柴油机在一台未满负荷的情况下就不要起用第二台（备车和机动操纵时除外）柴油机，否则即使不考虑磨损，只看燃油消

耗这一项也是不经济的。

调速特性

柴油机的调速特性曲线是指调速器的转速设定机构固定在某一位置时在调速器起作用（调速器能依据负荷大小自动地改变供油量）的情况下，柴油机的功率、扭矩与转速之间的关系曲线。调速器的特性与柴油机的其它特性不同，它并不表明柴油机内部的工作过程，它与调速器的工作性能直接有关。

当（全制式）调速器的转速设定机构固定于某一位置，如标定位置时，柴油机在全负荷下具有稳定转速。如果通过测功器使柴油机的负荷逐渐减小，调速器就会自动地把供油量减小，扭矩（平均有效压力）逐渐减小而转速稍有增加。当负荷减到零时，柴油机的稳定转速则增大到最高转速。当调速器转速设定机构固定在另一位置时，上述参数将另有变化。

柴油机的允许使用范围

一．柴油机的功率标定法

柴油机能发出的功率是有极限的，客观上受到许多因素的限制。如最高爆发压力、平均有效压力、曲轴扭矩、燃烧过量空气系数、排气温度、转速等。也就是说，柴油机所发出的功率有个客观极限。但是，一台柴油机的功率究竟标定多大才合适，却是根据柴油机的特性、使用特点以及寿命和可靠性等要求来确定的。

1．我国柴油机功率的标定：

国家标准规定了内燃机标定功率分为15分钟功率、1小时功率、12小时功率、持续功率四级。

极限功率为柴油机可能发出的最大功率，这时的机械负荷、热负荷等限制因素达到极限，促进可能损坏，不能可靠工作。依次，柴油机即使是出厂试验时，有不允许达到此极限

15分钟功率：

柴油机允许连续运行15分钟的最大有效功率。商船不允许使用这么大的功率。可作为军舰和军用车辆的追击功率。

1小时功率：

柴油机允许连续运行1消逝的最大有效功率。可以作为商船的超负荷功率，是最大持续功率的110%。1小时功率还可作为拖拉机、工程机械的最大使用功率。

12小时功率：

柴油机允许连续运行12小时的最大有效功率。可以作为拖拉机、工程机械的正常使用功率。

持续功率：

柴油机允许长期连续运行的最大有效功率。船舶柴油机就用它来标定功率，并同时标定其相应转速。我们通常所说的标定功率就是指这种功率。标定工况就是指这种功率及其相应转速。

2．国外船用柴油机常用的几种功率（工况）的名称：

MCR：

最大持续功率，同时标有相应的转速。原含义相当于国家标准的持续功率标定工况，是设计选配螺旋桨的依据。近年螺旋桨与柴油机惯犯采用“减功率匹配”，其含义有所引伸。OR：超负荷功率工况。其功率为MCR功率的110%。

CSR：

持续使用功率工况，考虑到船舶遇到风浪、污底等情况，为了使柴油机寿命、可靠性、效率等性能较好，运转更经济，CSR负荷定的比MCR小，留有一定的功率储备。CSR是船舶计划船期、油耗的主要依据。

ERP：

按推进特性的经济功率工况。

ERG：

按负荷特性的经济功率工况。

二．柴油机的持续运转范围

为了使主机经济、可靠地工作并具有一定的寿命，应对它工作时可能达到的功率（负荷）和转速做适当的限制。其中应特别注意允许持续工作的范围。

1．功率所受的限制：

最大功率限制：柴油机在各种转速下允许达到的最大功率（负荷），在不同的条件下可分别由超负荷速度特性、全负荷速度特性以及限制特性来限制。

柴油机的限制特性：柴油机的限制特性是用来限制柴油机在各种转速下持续运转的功率的。有效扭矩的大小可以代表柴油机机械负荷的大小。有效扭矩大说明曲轴工作时的扭矩（扭应力）大，说明平均有效压力（有关零件机械应力）大，也说明有关轴承的负荷大。所以，等扭矩限制就是进行机械负荷限制。这样，就可以避免柴油机因机械负荷过大而损坏。

柴油机的全负荷速度特性也有上述对功率的限制。但是，对有些机型仍不够严格，当柴油机按全负荷速度特性工作时不能保证它在各种下都不超负荷。某些柴油机的平均有效压力以及有效扭矩在转速降低时将有所增大，这就可能使柴油机的机械负荷在较低转速运转时超出允许值。

等过量空气系数的限制：这种限制即要求柴油机在各种转速下长期运转时过量空气系数都不小于标定工况下的过量空气系数。对一台技术状态良好的柴油机，工作循环的平均温度以及排气温度主要取决于长期运转时的过量空气系数。而这些温度与柴油机的热负荷又有直接的关系。因此，如果柴油机的过量空气系数在各种转速下都能保持不小于标定工况下的过量空气系数值。那么它的热负荷在各种转速下也就不会超出标定工况下的水平。所以，等过量空气系数限制就是进行热负荷限制。这样，就可以避免柴油机因热负荷过大而发生故障。热负荷限制对增压柴油机很重要，增压程度较高的柴油机都有此限制。这是因为如果仅用全负荷速度特性做限制，当柴油机转速降低时，尽管每循环喷油量不变，但单位时间汽缸排气次数减少，涡轮获得能量减少，增压压力降低，过量空气系数减小，循环平均温度升高，热负荷增大，导致热负荷在低转速运转时超出允许值。

最小功率限制：

柴油机在各种转速下持续运转时的最小功率也有限制。因为柴油机在过小的负荷下工作时每循环供油量过少，各缸供油量在此情况下将变得很不均匀，结果导致各缸功率显著不均，有的汽缸甚至不喷油或不发火，因而使柴油机的运转不稳定。柴油机在各种转速下的最小功率（负荷）由最小负荷速度特性来限制。

2．转速所受的限制：

最高转速限制：

柴油机在各种负荷下持续运转允许达到的最高转速是有限制的。如柴油机的转速超过限制值就不能可靠地工作。具体限制值各机型不一定相同，有的以标定转速为限，有的以103%标定转速为限。在装有调速器的情况下，由限制转速相应的调速特性来限制。如果在标定功

率下，调速器上柴油机在标定转速下稳定运转，则当负荷变小时，柴油机将在调速特性所确定的转速（比标定转速只有小量增加）下稳定运转。

最低转速限制：

柴油机在各种负荷下持续运转允许的最低转速也有限制。因为柴油机在过低的转速下运转时，燃油的雾化和混合质量将显著恶化，各种正时也变得不合适，因此导致柴油机工作不正常。这时柴油机的工作也将变得不稳定。

三．船舶主柴油机现行功率标定法及优化调整

1．柴油机与定螺距螺旋桨的匹配：

（1）匹配的基本原则

为了使柴油机能充分发挥作用，同时得到高的经济性、可靠性和较长的寿命，对一台指定的柴油机必须选配一个合适的螺旋桨，使柴油机的功率得到充分的利用。而且使柴油机的功率在全部运转转速范围内都不超出允许的范围。

选配螺旋桨时，原则上是柴油机在标定转速下使设计选配的螺旋桨吸收的功率恰好等于柴油机的标定功率。螺旋桨与柴油机采取这样的配合能作到：在标定工况下使柴油机的功率得到充分的利用，而且使柴油机的功率在全部运转转速范围内都不超出允许的范围。

如果螺旋桨配的过重，要么造成柴油机超负荷（这是不允许的），要么柴油机的功率不足，柴油机的能力无法得到充分利用。

如果螺旋桨配的过轻，要么造成柴油机超转速（这是不允许的），要么柴油机功率发不足，柴油机的能力也无法得到充分的利用。

以上只是柴油机与螺旋桨匹配的基本原则，实际上在柴油机与螺旋桨配合时要留有一定的转速或功率储备。这是因为在实际运转时，有些因素如船体污底、海面风浪会变化等，会导致螺旋桨过重。对于现代船用柴油机，由于增压度提高，超负荷能力下降，这种考虑尤为重要。

2．柴油机与螺旋桨的减功率匹配及船用柴油机新的功率标定法：

为了扩大使用范围及满足用户对节油的要求，给配置螺旋桨提供较大灵活性，近年来船用柴油机功率的标定方法多次更新。这是因为现代柴油机普遍使用的是减功率法。

（1）柴油机与螺旋桨的减功率匹配：

船东与船厂根据船舶特性及螺旋桨特性选定柴油机型号及其与螺旋桨的选配工况点（又称合同最大持续工况点、CMCR点，选配工况点的功率和转速往往低于柴油机最大标定功率和转速）。然后调整柴油机和增压器，使选配点的最大爆发压力保持在100%的设计值，并使选配点的工作参数优化，就可获得更好的经济指标。这就是减功率法（Derating）。为了避免混淆不清，我们将某种机型可能输出的最大持续功率及其相应的转速工况点称为额定工况点MCR点。

减功率法大致可分为四种类型：

1）按推进特性减功率。由于平均有效压力降低，最高爆发压力与平均有效压力的比值变大，使燃烧最佳，就使有效耗油率降低，经济性提高。必要时（如油价较低时）可不必更换螺旋桨重新调整柴油机、增压器，使柴油机能发出的功率提高到额定MCR的值，最充分地发挥柴油机的动力性。

2）降低转速减功率。适用于可配置大直径、低转速螺旋桨的船舶（如油船）。由于配置低转速、螺旋桨效率高的螺旋桨，使柴油机动力装置总的经济指标提高。但是，为了有足够的过量空气系数，应重新选配合适的增压器。

3）按负荷特性减功率，适用与螺旋桨直径受到限制或配有可调螺距螺旋桨的船舶。这种方

法着眼于降低平均有效压力，提高最高爆发压力与平均有效压力的比值，来降低柴油机的燃油消耗率。

4）选配转速较低、效率较高的螺旋桨；柴油机的平均有效压力降低，最高爆发压力和平均有效压力的比值提高，降低柴油机本身的燃油消耗率。这样可使总的经济指标最好。

减功率法（不管是降低平均有效压力，还是降低转速）能提高经济性，但实质上是牺牲柴油机的动力性换来的。也就是提高造价来换取燃油费用的降低。例如最佳转速的选取，就得考虑燃油费用与投资费用的平衡。选取转速越低，螺旋桨效率越高，燃油消耗率就越低。然而建造成本也就越高。因此，最佳转速不一定就是柴油机的最低转速，而可能要高一些。（3）柴油机在减功率选配点的优化调整：

柴油机与螺旋桨匹配时，如果选配点的功率低于额定功率，就必须在选配点优化柴油机，进行一系列的调整，该调整一般包括：

1）喷油正时；

2）喷油装置规格；

3）包括增压压力在内的增压器优化；

4）排气阀正时；

5）压缩比；

6）扫气正时；

7）个零部件冷却液流动情况及泵、冷却器的容量等也需做相应的调整更换。