1-5第五节 柴油机的主要性能指标

第五节 柴油机的主要性能指标

一、动力性和经济性指标

柴油机的主要性能指标包括动力性和经济性两个方面的指标。它们既是反映柴油机工作循环完善程度的参数，更是评估柴油机性能的主要依据。

动力性和经济性指标分别从量和质两个方面来评价柴油机的性能。它们又可以分成指示指标和有效指标两类见表1-5-1。

表1-5-1动力及经济性指标

指示指标是以实测的示功图所表示的一个循环所作的功——指示功为基础的（从示功图求出来的），它们表征气缸内部工作情况，其优劣取决于气缸内部实际工作循环进行的完善程度（包括不完全燃烧、燃烧延迟、气体泄漏、气缸壁传热损失等）。有效指标是以在柴油机输出轴上所得到的有效功为基础的，它扣除了柴油机内的一切损失，其优劣取决于工作循环进行的完善程度外，还得取决于机械损失的大小，它是评定柴油机工作性能的最终指标。

1. 指示指标 1） 平均指示压力p i

如果我们已测得示功图如图1-5-1所示，燃烧膨胀过程曲线与压缩过程曲线所包围的面积即表示指示功L i 。泵气功（泵气损失）示功图上测不出，指示指标不考虑，放在有效指标考虑。

平均指示压力p i ：是一个假想的作用在活塞上的数值不变的压力，它推动活塞一个行程所作的功与一个工作循环的指示功L i 相等（如图1-5-1）。即： FS p L i i = （N·m 或J ）

所以 S i i V L p

=（N/m 2或Pa ） （1-5-1）

式中：p i ——平均指示压力，Pa ； F ——活塞面积，m 2； S ——活塞行程，m ；

V S ——气缸工作容积，m 3。

图1-5-1平均指示压力p i 示意图

由式（1-7）可见，平均指示压力p i 又可以看成单位气缸工作容积每一工作循环的指示功。它消去了柴油机气缸工作容积的因素，所以它的数值与气缸工作容积的大小无关。因此可以用p i 来比较不同气缸尺寸和不同类型的柴油机的做功能力——强化程度。p i 值大，表明其单位气缸工作容积的做功能力

大，柴油机气缸工作容积利用程度大。喷入的燃油量相同时，p i 值大表明其工作循环进行得比较完善。所以p i 是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。

对于运转中的柴油机，p i 很容易由实测的p -V 示功图求得，方法如下： （1）面积法

用面积仪（见图1-5-2）测得示功图面积为f （mm 2），示功图长度为L （mm ），示功图平均高度h i =f /L （mm ），则平均指示压力： M

h p i i =（MPa ） （1-5-2）

式中：M ——示功弹簧比例（即p -V 示功图纵坐标比例，示功器弹簧上有标明），mm/MPa 。

（2）十等分法

如不用面积仪，p i 还可由p -V 示功图经作图法求得。如图1-5-3所示。将测得示功

图长度L 分为10等份，量出各等分点上的

示功图高度y 1、y 2、y 3…y 9（mm ），在上、下止点附近距上、下止点L /40处再附加两个示功图高度y 0和y 10，示功图的平均高度：

??

? ??+++++=9211002101y y y y y h i （mm ） （1-5-3）

这样求得的h i 精度已够。 在标定工况下船用柴油机的平均指示压力p i 的数值范围如表1-5-1所示。 2） 指示功率N i 指示功率是指柴油机气缸内的工

质在单位时间内推动活塞所作的指示

功。

图1-5-3 示功图的作图计算法

图1-5-2 面积仪 1-下带针尖的固定重块；2-把手；3-导针；4-支撑滑杆；5-测量滚子；6-计数盘

柴油机的每个气缸每个工作循环工质所作的指示功为

S i i i V p S p D L ==4

2

π （J ） （1-5-4）

柴油机一个气缸的指示功率N i1为

601τn V p N S i i = （N ·m/s ） （1-5-5）

于是，整台柴油机指示功率的一般式为

60000i n V p N S i i τ= （kW ） （1-5-6）

式中：p i ——平均指示压力，Pa 或N/m 2； V S ——气缸工作容积，m 3； n ——柴油机的转速，r/min ；

τ——每转工作行程数，四冲程机τ＝1/2，二冲程机τ=1；

i ——气缸数。

在船上经常要测量示功图并计算柴油机的功率。对既定的柴油机其V S 和τ为定值，为减少重复计算，令C =V S τ/60000，C 称为气缸常数。这样，整台柴油机指示功率的公式可简化为

ni Cp N i i = （kW ） （1-5-7）

如各缸发出功率不均匀，则应一缸缸测取示功图，分别求得p i ，N i1，再将各缸功率相加而得到整台柴油机的功率。

3） 指示热效率ηi 和指示油耗率g i 指示热效率的定义为

1Q L i i =η （1-5-8）

式中：L i ——指示功，J ；

Q 1——喷入气缸内燃油的总发热量，J 。

对于一台柴油机，可测算出其指示功率N i 和每小时燃油消耗量G f ，则 u

f i i H G N 3600=η （1-5-9）

式中：3600——一千瓦小时相当的热量，kJ/（kW·h ） G f ——柴油机每小时油耗量，kg/h ；

H u ——所用燃料低热值（高热值：包括了燃油中氢元素燃烧生成水蒸气冷却而凝结放出的潜热），通常取H u =42700kJ/kg ； N i ——指示功率，kW 。

指示油耗率g i 以一千瓦指示功率每小时消耗的燃油量表示，即： i f i N G g = （kg/kW·h ） （1-5-10）

指示油耗率g i 和指示热效率ηi 一样，是评定柴油机气缸内实际工作循环经济性的指标，

用来衡量工作循环进行的完善程度。两者之间的关系为：

u i i H g 3600=η （1-5-11）

目前船用柴油机的ηi 与g i 统计数据如表1-5-2所示。

2. 有效指标

1） 有效功率N e 和机械效率ηm

从柴油机曲轴输出端传出的功率称为有效功率，用N e 表示，也可以说指示功率减去机械损失功率N m 所剩的功率称为有效功率。即N e = N i - N m 。

柴油机的有效功率N e 在试验台上用测功器和转速表测出，在船舶上可用扭力计和转速表测出：

n M n M M N e e e e 30000

60210001000ππω=?== （1-5-12）

式中：M e ——柴油机输出的有效扭矩，N·m ；

n ——柴油机转速，r/min 。

机械损失功率N m 是指能量在柴油机内部传递过程中所损失的功率。它包括：

（1）摩擦损失功率。克服柴油机各相对运动部件表面摩擦力所消耗的功率。活塞、活塞环与气缸套壁间的摩擦损失约占全部摩擦损失的55%～65%，而各轴承处的摩擦损失约占35%～45%。柴油机转速高、摩擦表面间的压力大、滑油粘度稠、摩擦表面粗糙不圆不平、装配的相对位置不准及间隙过大过小均会导致摩擦损失功率变大。 （2）驱动柴油机附属机构的损失功率。驱动柴油机附属机构，如喷油泵、气阀机构、扫气泵（中小型柴油机还带滑油泵、冷却水泵、燃油输送泵）等所消耗的功率。其损失随柴油机转速的提高而增加。

（3）泵气损失功率。

在非增压四冲程柴油机中，进、排气过程所消耗的功率——泵气功为负功。在增压四冲程柴油机中，进气压力大于排气压力，泵气功是正功，使机械损失功率减小（数值不大）。二冲程柴油机，由于没有单独的进气与排气行程，所以泵气损失功率为零。

上述机械损失功率一般不用它的绝对值N m 。表

示，而常用机械效率ηm 表示。机械效率ηm 是有效功

率N e 与指示功率N i ，之比值，即：

i m i m i i e m N N N N N N N -=-==1η （1-5-13）

机械效率ηm 的大小不仅决定于设计水平和制造质量，还受柴油机负荷、转速、滑油温度

与冷却水温度等因素影响。

如果转速不变，负荷（p i 、N i ）增加时，机械效率将相应增加。当柴油机空载运行时，ηm =0。当转速不变，只有负荷发生变化时，N m 几乎保持不变。由上式可知，ηm 始终随负荷

图1-5-4 负荷对机械效率的影响

的增加而提高，但其提高速度在负荷从0开始增大的初期很快，此后逐渐减慢。见图1-5-4 如果负荷（p i ）不变，当转速提高时，由于摩擦损失功率增大，机械效率随之下降。 负荷、转速对摩擦损失功率的影响比较复杂，要得到较准确的数据，只能用实验法求出。例如由扭矩转速求得N e ，由示功图求得N i 再算出ηm 。

如适当提高滑油温度与冷却水温度，滑油粘度降低，则ηm 会有所提高。但若温度过高，滑油粘度太低，使油膜遭到破坏或过热，则会因破坏了正常润滑状态而大大降低ηm ，甚至引起重大运转事故。

现代柴油机的机械效率值见表1-5-2。

表1-5-2 现代柴油机的机械效率值

2） 平均有效压力p e

在柴油机有效指标中，同样也可以引入与p i 类似的折合到单位气缸工作容积的指标——平均有效压力p e 。平均有效压力p e 是柴油机在每一工作循环每单位气缸工作容积所作的有效功。它消去了柴油机气缸工作容积的因素，所以它的数值与气缸工作容积的大小无关。因此便于用它来比较不同气缸尺寸和不同类型的柴油机的做功能力——强化程度。p e 值大，表明其单位气缸工作容积的做功能力大，柴油机气缸工作容积利用程度大。p e 可由测得的有效功率N e 和转速n 推算出来。由于ni Cp i n V p Ne e S e ==60000

τ

则 Cni

Ne p e = （1-5-14）

同样，平均机械损失压力p m 也可以写成为

Cni

N p m m = （1-5-15）

将上两式代入N e = N i - N m ，可见平均有效压力p e 也可以写为p e =p i -p m ，见图1-5-1。喷入的燃油量相同时，p e 的值大表明其工作循环进行得比较完善或和机械损失小。p e 是评定柴油机工作循环动力性的重要指标。

由于i e i e i e m p p ni Cp ni Cp N N ===η，知道了平均指示压力p i 和机械效率ηm 之后，就可以求出柴

油机的平均有效压力

p e ＝p i ηm （1-5-16）

目前船用柴油机的平均有效压力p e 的范围如表1-5-1所示。

3） 有效燃油消耗率g e 和有效热效率ηe

有效油耗率是指每一千瓦有效功率每小时所消耗的燃油量。单位是kg/(kW·h)。即 e f e N G g = （1-5-17）

式中：G f ——柴油机每小时油耗量，kg/h ； N e ——柴油机有效功率，kW 。

有效热效率ηe 是指曲轴有效功与所消耗的热量之比，即：

u e u f e e e H g H G N Q L 360036001===η （1-5-18）

仍从定义出发，可得：

m i i

e i e e L L Q L Q L ηηη?=?==11 （1-5-19）

ηe 已包括了柴油机工作时的一切损失。

目前，船用柴油机的g e 与ηe 数值如表1-5-2所示。

二、其它动力性和经济性指标

1. 转速

内燃机曲轴每分钟的转速，用r/min 表示。转速对内燃机性能和结构影响很大，而且其范围十分宽广。各种类型内燃机使用转速范围各不相同，其中有两个转速值得注意： （1）最高转速n max ——受调速控制时，柴油机所能达到的最高转速。 （2）最低稳定转速n min ——柴油机能够稳定工作的最低转速。 在最低稳定转速和最高转速之间是柴油机转速的工作范围。

2. 活塞平均速度C m

活塞在气缸中运动的速度是不断变化的，在行程中间较大，在止点附近较小，止点处为零。若已知内燃机转速n 时，则活塞平均速度可由下式计算： 30

602Sn Sn C m == （1-5-20）

式中，S ——行程（m ）。

柴油机的速度可以用曲轴转速n （r/min ）和活塞平均速度C m （m/s ）表示。 低速柴油机n ≤300r/min C m =6.0m/s ～7.2m/s 中速柴油机3001000r/min C m =9.0m/s ～14.2m/s

3. 滑油消耗率

柴油机在标定工况时，每千瓦小时所消耗滑油量的克数称为滑油消耗率，单位为 g/(kW·h)。

柴油机的滑油是在机内不断循环使用的，其消耗的原因主要是：柴油机在运转时滑油经活塞窜入燃烧室内或由气阀导管流入气缸内烧掉，未烧掉的则随废气排出；另外，有一部分滑油由于在曲轴箱内雾化或蒸发，而由曲轴箱通风口排出。柴油机的滑油消耗率一般在0.5～4g/(kW·h)左右。

三、排气污染指标

在柴油机的排气中含有数量不大的但非常有害的排放物。它们是：一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氧化氮NO x和二氧化硫SO2。这些燃烧产物排入大气，污染环境而且有害于人体健康，从而造成社会公害。

随着环境保护意识的增强，对柴油机排气污染的限制也日益严格。我国已实施的国家标准（GB267-87）对柴油机排放的NO x限制如下：

当p e＞300kPa时，在g e≤214g/(kW·h)时NO x限值为29g/(kW·h)；

在g e=214g/(kW·h)～268g/(kW·h)时，限值为25g/(kW·h)～14g/(kW·h)；

在g e＞268g/(kW·h)时，NO x限值为11g/(kW·h)。

国际海事组织的《MARPOL73/78公约》中关于限制船舶柴油机排气污染的最新附则（1999年12月31日开始实施），对船舶柴油机的排放规定如表1-5-3所示。

表1-5-3 船舶柴油机排放限制

表中S为燃油中的含硫量，且不得大于1.5%。