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(完整word版)柴油机的特性
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。

图9-2 6ESDZ75/160B型柴油机的全负荷速度特性

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=j(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
根据螺旋桨理论，螺旋桨的推力FP和扭矩MP的公式为：
FP=K1ρnP2D4 （9-1）
MP=K2ρnP2D5 （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=C1nP2 (9-4)
MP=C2nP2 (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
即 NP= C2nP2 ×2πnP=CnP3 (9-6)
也就是说，螺旋桨所需的功率与其转速的三次方成正比。将公式(9-5)和(9-6)绘成曲线，即为螺旋桨特性曲线，如图9-5所示。 它表示出螺旋桨所需扭矩和功率随转速变化的规律。

图9-5 螺旋桨特性曲线
以上是假定船舶在定速航行，λP为定值的情况下得出的规律。但是在各种变工况下，λP是变化的。当λP变小时，根据图9-4的曲线可知扭矩系数K2增大，公式(9-5)中的C2也就增大。在同一转速下螺旋桨所需扭矩、功率增加。因此，λP越小，螺旋桨特性曲线就越陡。如图9-6所示。其中曲线c的λP最大，曲线o的λP最小（为零）。

图9-6 不同λP时的螺旋桨特性
前面所述螺旋桨特性是对几何形状一定的螺旋桨而言、如几何形状不同，则图9-4的螺旋桨性能曲线不同，公式(9-4)、(9-5)、(9-6)中的C1、C2、C 的值也就不同。例如螺旋桨的螺距不同（其它几何尺寸不变），则可得到图9-7所示的一组性能曲线。从图上可见，当λP不变时（船速一定），螺距比（螺距H与直径D之比）大的螺旋桨，K1、K2较大，推力FP、扭矩MP较大，NP也就较大。螺旋桨特性曲线较陡。如图9-8所示。

图9-7 螺旋桨系列图谱

图9-8 不同H/D时的螺旋桨特性
二、柴油机推进特性
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Ne与转速n 的关系也是三次方的关系。即
Ne=NP=Cn3 (9-7)
根据上式，已知柴油机的一个工况，就可算出其它工况下功率Ne与转速的对应关系。
主机在各种转速下对应的功率百分数列于表9-1中。
表9-1
转速％
63
79.5
91
96.5
100
103
功率％
25
50
75
90
100
110
从表中可看到，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，转速为标定值的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。如图9-9与图9-10所示。其中功率Ne、扭矩Me（平均有效压力pe）随转速n变化的关系可根据公式Ne=Cn3和Me=C2n2计算得到（标定转速时发出标定扭矩、标定功率）因此其关系曲线可以略去，也可同时以n和对应的Ne、Me、（pe）值为横座标来标绘推进特性曲线。其它性能参数（最高爆发压力、压缩终点压力、增压压力、涡轮前后排气温度、涡轮转速、有效耗油率等）则是在试验台上测得。

图9-9 5L60MC型柴油机性能曲线
（10400Ps×111r/min，按ISO标准）
nE-转速；pme-平均有效压力；pmax-最高爆发压力；pcomp-压缩终点压力；
pscav-扫气空气压力；TbT-涡轮前排气温度；TaT-涡轮后排气温度；be-燃油消耗率

图9-10 7RTA58型柴油机性能曲线（R1功率时）
柴油机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。例如某轮7RTA58型柴油机工作于120转/分。在图9-10上转速120转/分处作一垂直线与各曲线相交，就可读出该转速下各参数值。若实际测得的数值与图上读数出入太大，就应分析原因，及时处理。
从图上可看到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。
推进特性Ne=f(n)的曲线图往往用Ne和n的对数作座标，如图9-11所示。由于推进特性的表达式Ne=Cn3用对数表示时将成为lgNe=lgC+3lgn， 因此在对数座标图中推进特性可以用直线（图中粗实线）来表示。当C 具有不同数值（例如λP 不同或H/D不同）时，可以作出一系列互相平行的推进特性线。在此座标图中还作有一系列等pe线（也是等Me线）。对于特定的柴油机，当pe具有某一等值时，Ne=Kn，或lgNe=lgK+lgn。对于不同的pe值，可以作出一系列互相平行的等pe线。

图9-11 对数座标图中的推进特性
此外，推进特性除了可用Ne=f(n)来表示外，也可用pe=ψ(n)来表示，即pe=C2n2。在以pe和n作座标的普通座标图中，曲线族A即为当C2具有不同数值（例如λP不同或H/D不同）时的pe=ψ(n)曲线。见图9-12。图中同时表示出一系列等功率曲线B。对于特定的柴油机，Ne=Cpeni。当Ne具有某一等值时，pen=k1。因此， 图中的等功率曲线都具有双曲线的形式。利用这些等功率曲线，若已知pe（或相应的油量调节机构位置，即图中所示喷油泵负荷指示器位置）和n，就可以大致地估计出柴油机的功率。

图9-12 推进特性的pe-n图
第四节 柴油机的负荷特性
驱动发电机的副柴油机在负荷变化时，转速基本上保持不变。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（螺旋桨λP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供油量，使n保持不变。通常以平均有效压力pe为横座标。纵座标则是各性能参数，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。如图9-13所示。由于转速为常数，从公式Ne=Cpeni可看出这时有效功率Ne与平均有效压力pe成正比（Ne=Bpe）。在负荷特性曲线图中，Ne为过原点的直线。有效功率Ne也可度量负荷，作为负荷特性曲线图的横座标。

图9-13 4PC4V-570型柴油机的负荷特性
【 因为Ni=Ne+Nm=Bpe+Bpm，转速不变时，可认为pm=常数，所以Ni=f（pe）是一条截距为Bpm，近似平行于Ne=f（pe）的直线。
机械效率ηm
根据公式ηm=1-pm/pi，而pi=pm+pe，可看出ηm与pe之间的关系十分明显：当pe=0时，ηm=0。此时说明柴油机无功率输出，燃料能量全部消耗在机械损失上；ηm随pe增大而增大，增大率随负荷增大而减小。】
如图9-13所示，柴油机有效耗油率在低负荷下显著增大。因此，船上发电柴油机在一台未满负荷的情况下就不要起用第二台（备车和机动操纵时例外），否则即使不考虑磨损，单看燃油消耗这一项也是不经济的。
第五节 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于某一位置时，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。
图9-14为装有全制式调速器柴油机的调速特性。图中斜线2～6相当于转速设定机构固定于不同位置时的调速特性。上包络线1是全负荷速度特性。调速特性是通过试验得到的。当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nb。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，Me（pe）逐渐减小而n（沿着斜线5）稍有增大。当负荷减小到零时，柴油机的稳定转速则增大到na。当调速器转速设定机构固定在另一位置时，上述参数将沿着另一斜线变化。

图9-14 装有全制式调速器柴油机的调速特性

第六节 柴油机的允许使用范围

一、柴油机的功率标定方法
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pz、平均有效压力pe、曲轴扭矩Me、燃烧过量空气系数α、排气温度Tr、转速n 等。也就是说柴油机所发出的功率有个客观极限。但一台柴油机的功率究竟标定多大才合适，却是根据柴油机特性、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。它们的关系可用图9-15的速度特性曲线定性地说明。图中的功率极限为柴油机可能发出的最大功率，这时机械负荷、热负荷等限制因素达到极限，柴油机可能损坏，不能可靠工作。因此柴油机即使是出厂试验时，也不允许达到此极限。

图9-15 柴油机各种功率的速度特性
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。可作为军用车辆和舰艇的追击功率。
1小时功率：柴油机允许连续运行1小时的最大有效功率。可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：柴油机允许长期连期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。
上面只说明标定功率的分级，但功率究竟应标定多大（标定功率离开功率极限应为多少），没有统一规定办法，由建造公司根据长期的使用经验进行标定。
2.国外船用柴油机常用的几种功率（工况）名称
由于船用柴油机功率表示方法各公司不尽相同且不断演变，因此名称不统一或同一名称含义不一定完全一样。如要了解准确含义，应查阅该机型的有关资料。
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广泛采用“减功率匹配”，其含义有所引伸。详见后述。
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。船舶正常持久使用的功率工况。考虑到船舶遇到风浪、污底等情况，为了使柴油机的寿命、可靠性、效率等性能较好，运转更经济，CSR负荷定得比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寿命，应对它工作时可能达到的功率（负荷）和转速作适当的限制。其中应特别注意允许持续工作的范围。主机允许工作范围如图9-16所示。曲线11为螺旋桨特性曲线，MCR为标定工况(100％NeH，100％nH)点。其中有阴影线的面为允许持续工作的范围。

图9-16 主柴油机的允许工作范围
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（图中曲线４）、全负荷速度特性（曲线２）以及限制特性（曲线1和3）来限制。
柴油机的限制特性（曲线1和3）
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【最大】功率的。
限制特性线1和3 中的线段3是等扭矩限制特性曲线。由关系式Ne=CMen可知，在Ne-n座标中等扭矩线为过原点的直线。过标定工况点与原点的直线则是标定工况扭矩MeH的等扭矩线。柴油机在各种转速下长期运转时都不能超过此线，即Me不能超过标定工况点的扭矩MeH(设计柴油机是以标定工况作为依据的)。我们知道，Me大小可以代表柴油机机械负荷的大小。Me大说明曲轴工作时的扭矩（扭应力）大，说明平均有效压力pe（有关零件机械应力）大，也说明有关轴承的负荷大。所以线段3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作用。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转速下都不超负荷。某些柴油机的pe（以及Me）在n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。
限制特性线1和3 中的线段1是等过量空气系数限制特性曲线。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α都不小于标定工况下的过量空气系数αH。我们知道，对于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α。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α在各种转速下都能保持不小于标定工况下的αH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。所以线段1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作限制，当柴油机转速减低时，尽管每循环喷油量不变。但单位时间气缸排气次数减少，涡轮获得能量减少，增压压力降低，过量空气系数α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。
然而，上述燃烧过量空气系数难于测定，工作循环的平均温度也无法直接测取，而排气温度的平均值却容易测量。因此，实际上常以排气温度作为依据来建立限制特性。图9-17示出某型号增压柴油机的一系列等排气温度线（实线）和等扭矩线（虚线）。注意其等排气温度线和等扭矩线的相对位置，例如将80％Me、70％Me等扭矩线分别与400°、380°等排气温度线比较。可以看出，等扭矩线与等排气温度线相对位置如图9-18所示。在n从标定转速nH开始下降的初期，按等扭矩线变化的功率小于按等排气温度线变化的功率，如以等排气温度线作为限制特性线，功率仍偏大，机械负荷仍可能超过允许值。而到了n下降的后期，则是按等排气温度线变化的功率小于按等扭矩线变化的功率，如以等扭矩线作为限制特性线，功率仍偏大，热负荷仍可能超过允许值。因此限制特性应是：在n从标定转速下降的初期以等扭矩线作为限制特性线，后期则以等过量空气系数（排气温度）线作为限制特性线。图9-16中限制特性曲线1和3就是这样的。图9-17中的限制特性是简化了的，由一条曲线代替折线来限制机械负荷和热负荷。

图9-17 柴油机的限制特性线

图9-18 等扭矩线与等排气温度线的相对位置
从图9-16中限制特性曲线1和3与全负荷速度特性曲线的相对位置可看出：要按限制特性曲线1和3限制柴油机的负荷，柴油机的转速n不同时，油量调节机构限定的位置也不同。因此在调速器内装有相应的辅助机构。
最小功率限制：
柴油机在各种转速下持续运转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太少，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，有的气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（图中曲线8）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。如图9-16中的曲线5。如果在标定功率下，调速器使柴油机在标定转速nH下稳定运转，则当负荷变轻（如λP 变大）时，柴油机将在调速特性所确定的转速（比nH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。因而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。柴油机最低稳定转速限制线如图9-16中曲线9所示。 特别是当柴油机按推进特性（图9-16中曲线11）工作时，负荷随转速的降低而迅速减小，在转速降低到某一数值以后负荷将减小到最小负荷速度特性所限制的数值以下，从而导致柴油机运转不稳定。柴油机在各种负荷下持续运转允许的最低转速为曲线10所限制。

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利用，而且使柴油机的功率在全部运转速范围内都不超出允许的范围。
选配螺旋桨时，原则上是在柴油机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NeH(螺旋桨曲线过MCR点)如图9-19所示。螺旋桨与柴油机的匹配点在柴油机的标定工况(MCR)点a。曲线1即为柴油机的全负荷速度特性线。当要柴油机在低于标定转速nH的某一转速n2下运转时，就减小油门，减少每循环供油量。曲线2即为相应的部分负荷速度特性线。交点b就是这时柴油机、螺旋桨的工况点。从图上看出，这时柴油机的功率不仅小于标定功率NeH，而且小于这个转速下由全负荷速度特性曲线所限定的功率（对应于d点的的功率。这里为了分析简便，以全负荷速度特性作为限制特性。）可见，在转速nH到nmin的全部变化范围内，柴油机的功率都不会超出允许的范围。在运转中还允许柴油机在高于nH的最大转速nmax下工作。这时需要增加供油量，相应于这个供油量的超负荷速度特性曲线3 与螺旋桨特性曲线相交于C点。这时柴油机处于超负荷状态，因此只允许柴油机短时间在这个转速下工作。螺旋桨与柴油机采取这样的配合能做到：在标定工况下使柴油机的功率得到充分利用，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。因此可以认为是正确的。

图9-19 柴油机速度特性与螺旋桨特性的配合
图9-20所示为螺旋桨配得过重或过轻时的情况，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、是三个螺旋桨的特性曲线。螺旋桨Ⅱ配得过重、螺旋桨Ⅲ配得过轻。螺旋桨Ⅰ则匹配正确，其特性曲线正好过标定工况点a。曲线1为柴油机全负荷速度特性曲线。

图9-20 过重、过轻螺旋桨与柴油机的配合
当螺旋桨配得过重时，这时螺旋桨特性曲线Ⅱ与柴油机全负荷速度特性曲线相交于b点，此时尽管油门加大到标定位置，但柴油机的功率和转速均达不到标定值，而负荷(pe) 却已达到持续运转的限制值（全负荷速度特性作为限制特性）。如要让柴油机发出标定功率NeH，就需要进一步增大供油量，如f点所示。这时负荷(pe)已超过标定值了。如要使柴油机在标定转速nH下工作，如e点所示，就更是超负荷了。可见，当螺旋桨配得过重时，要么造成柴油机超负荷（这是不允许的），要么柴油机功率发不足。柴油机的能力无法得到充分利用。
当螺旋桨配得过轻时，这时螺旋桨的特性曲线Ⅲ与柴油机全负荷速度特性曲线相交于d点，即柴油机油门推到标定位置时就超速了。为了使柴油机在标定的转速nH下工作，只得减少油门，让它在部分负荷速度特性曲线4上工作。这时工作点为C点，柴油机的功率小于标定功率NeH，也不能发足。可见，当螺旋桨配得过轻时，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利用。
以上只是介绍柴油机与螺旋桨配合的基本原则，实际上在柴油机与螺旋桨配合时要留有一定的转速储备或功率储备。这是因为在实际运转时，有些因素如船体污底、海面风浪等会变化，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，这种考虑尤为必要。下面介绍两种典型现代船用柴油机与螺旋桨配合的实例。
2)MC型柴油机与螺旋桨的匹配
图9-21为该机的负荷图（负荷范围图）。它表示柴油机与螺旋桨的配合情况及柴油机的持续运转范围。纵座标为功率百分数的对数，横座标为转速百分数的对数。图中线1 是通过标定工况点A(MCR点。100％功率，100％转速)的螺旋桨特性线。线2 是等平均有效压力(等转矩)线，其座标为平均有效压力百分数的对数。线3 是转速限制线，持续运转的最高转速为103.3％nH。线4和5是限制特性线，线5是等转矩限制特性线，线4是等过量空气系数限制特性线。

图9-21 MC型柴油机的负荷图
线1过标定工况(MCR)点。按个这螺旋桨推进曲线工作时，柴油机在标定转速nH下发出标定功率NeH，在103.3％nH转速下发出的功率为110％NeH。但是选配这样的螺旋桨时，这种理想的配合情况只有在新船、船底光滑清洁及其它各种外界条件都合标准[如风平浪静]时才能实现。当船舶运行一段时间，船体污底日渐严重，航行阻力就逐渐增大。船体清垢后重新油漆，虽然航行阻力减少了，但已不能恢复到新船的水平。随着船龄增长，船体老化变形，阻力增大，螺旋桨表面变粗糙或有损伤，均会导致螺旋桨特性曲线逐渐向左移[变陡]，即导致螺旋桨过重。为了避免上述情况，选配的螺旋桨应轻些，设计转速高些，其特性线应比曲线1偏右些。螺旋桨的设计转速可由船东和船厂根据要求和经验来选定。例如常航行于热带海域的船，船底海生物生长较快，设计转速可选得大些，船体有条件较常清垢，则设计转速可选得小些等等。通常建议按图中所示的特性线6来选配螺旋桨。即螺旋桨设计转速适当偏高2～3％，这就是转速储备。其实质与功率储备一样。或者说，线6为已考虑转速储备的某螺旋桨在新船、船底洁净，满载 试航工况的推进特线性。在营运期间，随着污底程度的增加，螺旋桨特性线6 逐渐向左移动。如转速储备量选取合适，可使船舶在大部分航行时间，螺旋桨轻重合适，主机工作条件良好，功率能够发足。柴油机限制特性线4和5至粗虚线之间的区域是允许短时间（每12小时可运行1小时）运行的超负荷运行区。无限制地持续运转仅允许在图示限制特性线4和5至转速限制线3的范围内。螺旋桨特性线6与柴油机限制特性线4和5之间的区域可用于浅水区域、狂风巨浪天气和加速期间的运转工况。
3)RTA型柴油机与螺旋桨的匹配
1993年后Sulzer公司对柴油机与螺旋桨的匹配有新规定。图9-22为该机新的负荷图。纵座标刻度为功率百分数的对数，横座标刻度为转速百分数的对数。图中线a1、a、P是螺旋桨特性线。P是通过标定工况点的螺旋桨特性线。线Ⅰ和Ⅱ为柴油机等平均有效压力（等转矩）线。线3 是转速限制线，持续运转的最高转速为104nH。只有在试航时才允许进入线3与线4（108％nH）之间的超速范围。线5和1是限制特性线，线1是等转矩（机械负荷）限制特性线，线5是等过量空气系数（热负荷）限制特性线。柴油机限制特性线5至虚线6之间（等平均有效压力线Ⅰ以下）的区域只可以在过渡状态下（例如加速过程中）使用。线1以上区域为超负荷范围，只有在试航时才允许试运行一小时。

图9-22 RTA柴油机的新负荷图
曲线P过标定工况( CMCR)点。按个这螺旋桨推进曲线工作时，柴油机在标定转速nH下发出标定功率NeH。曲线a与曲线a1为两例现行的选配螺旋桨的特性线。螺旋桨特性曲线a与标定转速线相交于B点，这时柴油机的功率为0.9 标定功率（柴油机平均有效压力为0.9标定平均有效压力）。螺旋桨特性曲线a1与0.9标定功率线交于B1点，D点柴油机的转速比B1点转速低5～6％。可以换算出，按a1选配的螺旋桨在标定转速nH下吸收柴油机标定功率NeH的83.1～85.7％。
图中，过标定工况点的螺旋桨特性曲线P与转速限制线3（1.04nH线）之间的区域为安全的柴油机持续运转范围。曲线P与柴油机限制特性线5和1之间的区域不是理想的柴油机持续运转范围。我们知道，柴油机的过量空气系数直接影响着燃烧质量，影响着热负荷。当柴油机油门处于某位置不动，每循环喷油量不变时。例如处于0.9标定平均有效压力位置，运行点只在图9-22中等pe线Ⅱ上移动。运行点在等pe线Ⅱ线左方越远，柴油机转速越低，单位时间废气排放次数越少，涡轮获能越少，增压压力越低。而每循环喷油量不变，因此过量空气系数a越小，对柴油机的燃烧越加不利。限制特性曲线5限定了在一定平均有效压力下柴油机允许的最低转速。当柴油机工作在不理想范围时，例如船舶较长期在浅水区、冰区航行或船体清除海生物的间隔时间太长，螺旋桨特性线左移后超过曲线P进入该区。这时应加强以增加空气流量为目的保养工作。否则，容易由此而引起活塞环结焦、活塞环和缸套发生异常磨损，甚至缸套开裂。如果需要，柴油机转速应降低，使柴油机有关工作参数（如排气温度、冷却液温度等）保持在允许值范围内。当然，这时减小油门降低转速只能使柴油机负荷有所减小，而运行点仍留在该不理想范围内。这是因为运行点是沿着螺旋桨特性线移动的。也就是说柴油机仍工作在不利工况下。
如果柴油机【将】在不理想范围内长时间工作，那么就应尽快采取措施，修正螺旋桨，改变螺旋桨的几何尺寸，以减小螺旋桨吸收的功率，改变螺旋桨过重的匹配情况。这样可以使柴油机获得原有转速，并恢复原来功率输出。如暂时没条件修正螺旋桨，可临时改变涡轮增压器（如更换不同规格的涡轮喷咀环），以增大新鲜空气量，改善柴油机工作的条件。不过螺旋桨过重的匹配情况并没改变，柴油机仍不能恢复原来功率输出。
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。这得从配置螺旋桨普遍使用的减功率法说起。
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(Contract Maximum Continuous Rating)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pmax保持100％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（Derating）法。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或MCR点；而将螺旋桨的选配工况点称为选配点或CMCR点。图9-23为某型号柴油机减功率选配螺旋桨的范围及通常选配点的分布情况。图中线I为柴油机额定转速线。线II为额定平均有效压力的等平均有效压力线。线I与线II的交点1 即额定工况（MCR）点。线IIA也为等平均有效压力线，它标出了减功率配桨范围平均有效压力的下限。线Ⅲ为减功率配桨范围的最低转速