第九章柴油机的特性第一节概述一、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，功率可在零至最大值之间变化，其大小取决于用电情况。如图9-1曲线1所示。Neo-"rear n"miaO图9-1各种用逸荣油机的工况范圈图9-1各种用途柴油机的工况范围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浆吸收功率相等。因此柴油机的工况变化规律取决于螺旋浆特性。如图9-1曲线2所示。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。因此柴油机可能的工况可用图9-1曲线3（柴油机可能发出的最大功率）下的有影线面来表示。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pe、有效扭矩Me、有效功率Ne、有效效率Ⅱ。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T、最高爆发压力pz、增压压力p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
第九章 柴油机的特性 第一节 概述 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，功率可在零至最大值之间变化，其大小取决于用电情况。如图 9-1 曲线 1 所示。 图 9-1 各种用途柴油机的工况范围 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。如 图 9-1 曲线 2 所示。 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。因此柴油机可能的工况可用图 9-1 曲线 3（柴油机可能发出的最大功 率）下的有影线面来表示。 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 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充许使用范围，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N=Cpeni可以看出，对于特定的柴油机在运转中可能使N。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=pe,n)。由此，根据p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浆，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M(pe)、N。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，使柴油机在最高充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T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N.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
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
PeP：公斤/厘米90N.马力P7012500PetrTr'C40050t386TrA1200027300.P.遮米水柱-800PsNe1500nTK转/分TR800090800-11000多。克/马力小时160010159750610500n转/分-100110115118595L0图4-22100%负荷外特性（等油门）性能曲线图9-26ESDZ75/160B型柴油机的全负荷速度特性
图 9-2 6ESDZ75/160B 型柴油机的全负荷速度特性
NeMe(re)27AS11111-11-11R元2n()a)图9-3荣油机的速度特性图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N。与pe、N。与Me存在着以下关系：Ne=CpeniNe=CiMen可知：Me=C2pe可见，M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p(Me)为定值时，曲线Ne=(n)应是过原点的直线，曲线Me=op(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n：（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Ⅱ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n：影响较小：其转速变化范围很小，机械效率Ⅱ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浆特性工作的特性。因此我们应先了解螺旋浆的特
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浆理论，螺旋浆的推力Fp和扭矩Mp的公式为：Fp=KipnpD4(9-1)(9-2)Mp=K2Pnp2Ds式中：β一一流体的密度，千克/米3；np—一螺旋桨转速，转/秒;D一一螺旋浆直径，米；Ki—推力系数K2—一扭矩系数。由试验可知，推力系数Ki和扭矩系数K2都是随螺旋浆的进程比Λp而变化的。Λp表示螺旋奖每转一转实际产生的位移Vp/np与直径D之比，即Λp=Vp/（npD）（Vp为螺旋浆前进速度）。Λp是研究螺旋奖水动力性能的一个极重要的参数。Λp增加时，Ki、K2则减小，其关系如图9-4所示。当^p一定时（即比值Vp/mp一定时），K1、K2是一定的。当入p减小时，Ki、K2都增加，即推力和扭矩都增加。当Λp=0时，Ki、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。n0.7210K10.6-yor0.5开0.120.323K0.20.1100.20.40.60.81.0,12A图94定距浆工作性能曲线图图9-4定距浆工作性能曲线图图中np为螺旋奖效率曲线。螺旋奖效率为螺旋奖输出功率（奖的推力×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(9-3)p=FpVp/（Mp2p）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Vplnp不变。对于特定的螺旋浆，直径D是个常数。所以Λp可视为常数。KI、K也就可视为常数。海水的密度β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=Cinp?(9-4)Mp=C2np?(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。因此螺旋浆所需的功率为Np=Mp×2np
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=K1ρnP 2D4 （9-1） MP=K2ρnP 2D5 （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=C1nP 2 (9-4) MP=C2nP 2 (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