柴油機(jī)的特性及選型

1、第第8章章 柴油機(jī)特性及選型柴油機(jī)特性及選型 8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 柴油機(jī)特性柴油機(jī)特性 8.3 8.3 柴油機(jī)的選型和使用范圍柴油機(jī)的選型和使用范圍 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 柴油機(jī)的特性反映出柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和使用性能，它是柴油機(jī)固有的特性。 柴油機(jī)的應(yīng)用場合和工作條件不同，其性能指標(biāo)和工作參數(shù)性能指標(biāo)和工作參數(shù)有很大的差異。 對(duì)柴油機(jī)特性進(jìn)行研究是制造和使用柴油機(jī)的重要依據(jù)。 8.1 概述概述一、船舶柴油機(jī)的工況一、船舶柴油機(jī)的工況 二、柴油機(jī)特性及其分類二、柴油機(jī)特性及其分類 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：一、船舶柴油機(jī)的工況一、船舶柴油機(jī)的工況柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況:

2、 柴油機(jī)在各種不同條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀況柴油機(jī)在各種不同條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀況(功率與轉(zhuǎn)速)。 根據(jù)柴油機(jī)在船上應(yīng)用時(shí)的不同條件，概括起來有三類工況三類工況： 1.發(fā)電機(jī)工況發(fā)電機(jī)工況 2.螺旋槳工況螺旋槳工況 3.其他工況其他工況 1.發(fā)電機(jī)工況發(fā)電機(jī)工況 轉(zhuǎn)速不變而功率隨時(shí)發(fā)生變化的工況。2.螺旋槳工況螺旋槳工況 柴油機(jī)柴油機(jī)發(fā)出的功率和其轉(zhuǎn)速都是改變的。 螺旋槳螺旋槳工作時(shí)其吸收功率吸收功率與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速的m次方成比例(Pp=cnm)。 通常在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槳螺旋槳Pp=cn3，相應(yīng)柴油機(jī)柴油機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系系Pe=cn3，柴油機(jī)按此關(guān)系運(yùn)轉(zhuǎn)的工況柴油機(jī)按此關(guān)系運(yùn)轉(zhuǎn)的工況稱為螺

3、旋槳工況螺旋槳工況。3.其他工況其他工況 柴油機(jī)柴油機(jī)在此工況運(yùn)行時(shí)，其功率與轉(zhuǎn)速之間功率與轉(zhuǎn)速之間沒有一定的關(guān)系。 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速是由工作機(jī)械所需的速度決定的。 而功率則由運(yùn)行中所遇到的阻力決定。 驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳的主機(jī),驅(qū)動(dòng)應(yīng)急救火泵或應(yīng)急空壓機(jī)的柴油機(jī),航行條件和運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)。二、柴油機(jī)特性及其分類二、柴油機(jī)特性及其分類1.柴油機(jī)特性柴油機(jī)特性主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo): 平均有效壓力pe、有效功率Pe、有效轉(zhuǎn)矩Me、有效熱效率e和有效油耗率ge 等。工作參數(shù)工作參數(shù): 轉(zhuǎn)速n、增壓壓力pk、最高燃燒壓力pz、最高排氣溫度tr、增壓器轉(zhuǎn)速nk 和渦輪機(jī)出口溫度tT等。柴油機(jī)特性柴油機(jī)特性：

4、柴油機(jī)主要性能指標(biāo)要性能指標(biāo)和工作參數(shù)工作參數(shù)隨運(yùn)轉(zhuǎn)工況運(yùn)轉(zhuǎn)工況變化的規(guī)律稱為柴柴油機(jī)特性。油機(jī)特性。 這種變化規(guī)律的曲線形式稱為柴油機(jī)特性曲線柴油機(jī)特性曲線。 2.柴油機(jī)特性分類柴油機(jī)特性分類 Pe=Cpeni 式中， C和i 為結(jié)構(gòu)參數(shù)。 按照運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)pe和n把船用柴油機(jī)特性柴油機(jī)特性分為三類三類：第一類第一類: 平均有效壓力pe不變，有效功率Pe隨轉(zhuǎn)速n改變而變化。-速度特性。第二類第二類: 轉(zhuǎn)速n保持恒定，通過改變平均有效壓力pe來改變有效功率Pe。-負(fù)荷特性。 第三類第三類: 平均有效壓力pe和轉(zhuǎn)速n同時(shí)改變。這類特性以推進(jìn)特性為典型為典型特性特性。 8.2 柴油機(jī)特性柴油機(jī)特性一、

5、速度特性一、速度特性二、負(fù)荷特性二、負(fù)荷特性三、推進(jìn)特性三、推進(jìn)特性四、四、柴油機(jī)的柴油機(jī)的限制特性限制特性五、五、柴油機(jī)的工作范圍柴油機(jī)的工作范圍主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：一、速度特性一、速度特性 將噴油泵噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定固定在某一位置，改變改變柴油機(jī)負(fù)荷，使轉(zhuǎn)速變化，測得的柴油機(jī)主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)柴油機(jī)主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化隨轉(zhuǎn)速變化的的規(guī)律。規(guī)律。分類：分類：1 1全負(fù)荷速度特性（外特性）全負(fù)荷速度特性（外特性）-曲線32. 2. 超負(fù)荷速度特性超負(fù)荷速度特性-曲線23. 3. 部分負(fù)荷速度特性部分負(fù)荷速度特性-曲線456Pen Men1 1全負(fù)荷速度特性全負(fù)荷

6、速度特性（外特性） 將柴油機(jī)噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在相當(dāng)于標(biāo)定轉(zhuǎn)速標(biāo)定轉(zhuǎn)速下發(fā)出標(biāo)標(biāo)定功率定功率的供油位置上，然后通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)負(fù)荷，逐步改變柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。 在各個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速各個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，測取對(duì)應(yīng)的pe、Me、Pe、be、tr、pk、nT等參數(shù)值。 由此得到的性能指標(biāo)及工作參數(shù)性能指標(biāo)及工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的變化的規(guī)律為全負(fù)荷速全負(fù)荷速度特性度特性。 全負(fù)荷速度特性全負(fù)荷速度特性可表示為柴油機(jī)在不超過標(biāo)定供油量標(biāo)定供油量的條件下，各轉(zhuǎn)速下所能發(fā)所能發(fā)出的最大功率出的最大功率。Pen Men全負(fù)荷速度特性曲線-曲線31）測量應(yīng)遵循統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測量應(yīng)遵循統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn): 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)

7、境狀況和試驗(yàn)功標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境狀況和試驗(yàn)功率。（1）我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境）我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境- 大氣壓力：p0=100kPa 或750mmHg- 相對(duì)濕度：0=30%- 環(huán)境溫度：T0=298K 或25- 中冷器進(jìn)口冷卻介質(zhì)溫度： Tc0=298K 或25。（2） “無限航區(qū)無限航區(qū)”的船用內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境遵循的船用內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境遵循IACSIACS規(guī)定規(guī)定的環(huán)境的環(huán)境- 大氣壓力：p0=100kPa 或750mmHg- 相對(duì)濕度：0=60%- 環(huán)境溫度：T0=318K 或45- 中冷器進(jìn)口冷卻介質(zhì)溫度： Tc0=305K 或32。2 2）標(biāo)定功率）標(biāo)定功率 指標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下,

8、制造廠根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的用途和特點(diǎn)規(guī)定的在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的有效功率有效功率(kW)。按不同用途分為按不同用途分為: 15min 15min 功率功率; ; 1h 1h 功率功率; ; 12h 12h 功率功率; ; 持續(xù)功率。持續(xù)功率。我國：持續(xù)功率持續(xù)功率作為船用柴油機(jī)的標(biāo)定功率標(biāo)定功率； 國外：船用柴油機(jī)的最大持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率MCR為標(biāo)定功率標(biāo)定功率。 (MCR-Maximun Continuous Ratings）2超負(fù)荷速度特性超負(fù)荷速度特性 船用柴油機(jī)的超負(fù)荷功率：船用柴油機(jī)的超負(fù)荷功率： 我國船用柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，超負(fù)荷功率超負(fù)荷功率為標(biāo)定功率的110%（與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為標(biāo)定轉(zhuǎn)速的103

9、%），并且在12h 運(yùn)轉(zhuǎn)期內(nèi)允許超負(fù)荷運(yùn)允許超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)1h。Pen Men超負(fù)荷速度特性曲線速度特性曲線-曲線23. 3. 部分負(fù)荷速度特性部分負(fù)荷速度特性 如果將噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在小于標(biāo)定功率油量標(biāo)定功率油量的各個(gè)位置上，分別測得的柴油機(jī)的主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)柴油機(jī)的主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。 可測得若干條柴油機(jī)部分負(fù)荷速度特性曲線Pen Men部分負(fù)荷速度特性曲線速度特性曲線-曲線4、5、6柴油機(jī)負(fù)荷特性二、負(fù)荷特性二、負(fù)荷特性 在轉(zhuǎn)速保持不變轉(zhuǎn)速保持不變情況下,柴油機(jī)主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨隨負(fù)荷負(fù)荷變化的變化的規(guī)律。規(guī)律。 試驗(yàn)時(shí),先將柴油機(jī)調(diào)

10、定在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)并保持轉(zhuǎn)速不變,由小逐漸增大柴油機(jī)負(fù)荷,在各負(fù)荷下分別測取柴油機(jī)主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)并繪制成曲線,為負(fù)荷特性曲線負(fù)荷特性曲線。 負(fù)荷特性一般在負(fù)荷特性一般在標(biāo)定轉(zhuǎn)速標(biāo)定轉(zhuǎn)速下測取的下測取的,為更 全面了解柴油機(jī)特性,可在低于標(biāo)定轉(zhuǎn)速 的若干轉(zhuǎn)速下測取負(fù)荷特性。作用：作用： 比比較不同柴油機(jī)的性能或評(píng)價(jià)同一柴 油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變或調(diào)整后的效果； 標(biāo)定柴油機(jī)的功率； 繪制萬有特性曲線(柴油機(jī)各種性能參數(shù) 相互關(guān)系的綜合特性曲線） 三、推進(jìn)特性三、推進(jìn)特性 機(jī)、槳總應(yīng)能量平衡機(jī)、槳總應(yīng)能量平衡 PePp；MeMp 根據(jù)螺旋槳理論螺旋槳理論,螺旋槳推力推力F FP P和扭矩和扭

11、矩M MP P與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速的關(guān)系： Fp=KFnpD4 Mp=KMnpD5式中式中:水的密度； D螺旋槳直徑；np螺旋槳轉(zhuǎn)速; KF推力系數(shù)； KM扭矩系數(shù)。 KF 、KM均為進(jìn)程比均為進(jìn)程比p的函數(shù)的函數(shù)，與p的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測得（KF,KM隨p增大而減小;隨p減小而增大）。 螺旋槳水動(dòng)力特性 進(jìn)程比進(jìn)程比p p： 指螺旋槳螺旋槳每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)實(shí)際產(chǎn)生的位移與螺旋槳直徑D 之比。 pvpnphp式中：hp-螺旋槳每一轉(zhuǎn)的進(jìn)程；vp-船速。 p隨航行阻力條件變化，阻力條件一定,p不變，則KF 、KM不變，推力推力F FP P和扭矩和扭矩M MP P為為: Fp=C1np Mp=C2np 螺旋槳所需功率螺旋

12、槳所需功率： Pp=Mpnp/9550可得出螺旋槳螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式的關(guān)系式: : Pp=Cnp3 (kW)螺旋槳特性曲線螺旋槳特性曲線: Pp- np， Mp- np的關(guān)系曲線。航行阻力條件變化時(shí)螺旋槳特性的變化航行阻力條件變化時(shí)螺旋槳特性的變化: : 船舶工況是變化的，不同的航行條件下對(duì)應(yīng)不同p值，p不同時(shí)，同一轉(zhuǎn)速下螺旋槳的扭矩和吸收功率相應(yīng)有不同的值螺旋槳的扭矩和吸收功率相應(yīng)有不同的值。 不同p 值時(shí)螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線：螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線： 螺旋槳吸收功率等于主機(jī)功率螺旋槳吸收功率等于主機(jī)功率: e= Ppnp3（kW）柴油機(jī)的推進(jìn)特性柴油機(jī)的推進(jìn)特性：

13、 柴油機(jī)按照螺旋槳特性工作時(shí),各性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速(或負(fù)荷)變化的規(guī)律。 四、柴油機(jī)的限制特性四、柴油機(jī)的限制特性柴油機(jī)的限制特性柴油機(jī)的限制特性： 限制柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的最大有效功率，使柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷荷和熱負(fù)荷不超出為保證它可靠工作而規(guī)定的允許范圍。 限制因素限制因素: 最高爆發(fā)壓力pz、平均有效壓力pe、曲軸轉(zhuǎn)矩Me、過量空氣系數(shù)、排氣溫度tr 以及渦輪增壓器轉(zhuǎn)速n等參數(shù)。 常用限制因素常用限制因素: Me、和 tr 。1. 等扭矩限制特性等扭矩限制特性 柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的扭矩值各種轉(zhuǎn)速下的扭矩值Me 都等于或小于標(biāo)定轉(zhuǎn)速和標(biāo)標(biāo)定轉(zhuǎn)速和標(biāo)定功率下的扭矩定功率下的扭

14、矩Mb。 Me=9550Pe/n ，Mb=9550Pb/nb; 如 Me=Mb， 則Pe=Pb/nbn=cn 在Pe-n坐標(biāo)系中的等扭矩限制特性線等扭矩限制特性線是通過坐標(biāo)原點(diǎn)，斜率為c的直線（如圖直線2）。 如果主機(jī)主機(jī)在全部使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都在等扭矩限制特性曲線以下工作等扭矩限制特性曲線以下工作，則保證曲軸的機(jī)械負(fù)荷不超過允許值。2.2.等排氣溫度限制特性等排氣溫度限制特性對(duì)熱負(fù)荷的限制對(duì)熱負(fù)荷的限制: : 過量空氣系數(shù),工作循環(huán)平均溫度tm, 實(shí)際應(yīng)用中和tm難以直接測取，以平均排氣溫度tr代替來表示熱負(fù)荷。等排氣溫度限制特性等排氣溫度限制特性： 柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的排氣溫度值排氣溫度值t

15、 tr r都等于或小于標(biāo)定轉(zhuǎn)速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速和標(biāo)定功率下的排氣溫度標(biāo)定功率下的排氣溫度t tr r。 柴油機(jī)的限制特性是對(duì)柴油機(jī)的限制特性是對(duì)機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷兩個(gè)方面的限制。 柴油機(jī)限制特性：柴油機(jī)限制特性： 在標(biāo)定轉(zhuǎn)速標(biāo)定轉(zhuǎn)速n nb b 下降下降初期以轉(zhuǎn)矩作為主要限制參數(shù)以轉(zhuǎn)矩作為主要限制參數(shù)，后期則以排以排氣溫度作為主要限制參數(shù)氣溫度作為主要限制參數(shù)。 限制特性曲線：限制特性曲線：五、柴油機(jī)的工作范圍五、柴油機(jī)的工作范圍 為了使船用柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定和可靠地工作并具有較長的壽命，使船用柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定和可靠地工作并具有較長的壽命，必須對(duì)運(yùn)行時(shí)可能達(dá)到的功率Pe(或平均有效壓力pe和轉(zhuǎn)矩)和轉(zhuǎn)速

16、n作適當(dāng)?shù)南拗葡拗疲创_定一個(gè)允許的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍。 1. 1. 柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下允許達(dá)到的柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下允許達(dá)到的最大功率最大功率2. 2. 柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的柴油機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的最小功率最小功率3. 3. 柴油機(jī)在各種負(fù)荷下可達(dá)到的柴油機(jī)在各種負(fù)荷下可達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速4. 4. 柴油機(jī)在各種負(fù)荷下可能達(dá)到的柴油機(jī)在各種負(fù)荷下可能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速最低轉(zhuǎn)速1-等排煙溫度限制線等排煙溫度限制線2-全負(fù)荷速度特性全負(fù)荷速度特性3-等轉(zhuǎn)矩限制線等轉(zhuǎn)矩限制線4-超負(fù)荷速度特性超負(fù)荷速度特性 5-標(biāo)定負(fù)荷調(diào)速特性標(biāo)定負(fù)荷調(diào)速特性6-超負(fù)荷調(diào)速特性超負(fù)荷調(diào)速特性7-標(biāo)定轉(zhuǎn)速標(biāo)定轉(zhuǎn)速8-最低負(fù)荷速度特性最低負(fù)荷速度特性9-全負(fù)荷速度特性最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速全負(fù)荷速度特性最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速10-推進(jìn)特性最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速推進(jìn)特性最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速11-推進(jìn)特性推進(jìn)特性船用柴油機(jī)的允許運(yùn)行區(qū)域船用柴油機(jī)的允許運(yùn)行區(qū)域 8.3 柴油機(jī)的選型和使用范圍柴油機(jī)的選型和使用范圍 一、柴油主機(jī)的選型區(qū)域柴油主機(jī)的選型區(qū)域 二、約定最大持續(xù)功率的確定需考慮因素約定最大持續(xù)功率的確定需考慮因素 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：一、柴油主機(jī)的選型區(qū)域一、柴油