課題十三  柴油機的特性

第一節(jié)  柴油機的工況與特性

一、柴油機的工況

所謂柴油機工況是指柴油機的工作狀況或運行狀況，如轉(zhuǎn)速的高低、負(fù)荷的大小等。概括起來，可以歸納為以下三類：

（1）要求柴油機的轉(zhuǎn)速n始終不變或變化很小，而負(fù)荷可根據(jù)需要從零變化到最大。柴油機帶動發(fā)電機工作時，按這種工況工作。

（2）要求柴油機的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速都能在一定的范圍內(nèi)變化，而它們之間的變化有一定的規(guī)律。柴油機作主機帶動螺旋槳工作時按此工況工作。

（3）柴油機的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速都可以在較大的范圍內(nèi)各自任意變化，它們之間沒有相互的依賴關(guān)系。如船上用來帶動應(yīng)急空氣壓縮機或應(yīng)急消防泵的柴油機以及陸上的車用柴油機都是屬于這種工況。

二、柴油機的特性

柴油機的主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨工況而變化的規(guī)律叫柴油機的特性。

表征柴油機性能的有效指標(biāo)主要有：平均有效壓力pe、有效功率Pe、有效轉(zhuǎn)矩Me、有效耗油率ge、有效熱效率η_e等。

表征柴油機運行狀態(tài)的工作參數(shù)主要有：轉(zhuǎn)速n、進氣壓力pa、增壓壓力pk、最高爆發(fā)壓力pz、排氣溫度tr、冷卻水溫度tw、增壓器轉(zhuǎn)速nT等。

通常用試驗的方法把在不同工況下所測得的上述性能指標(biāo)和工作參數(shù)之間的關(guān)系用平面直角坐標(biāo)系表示出來。這些性能指標(biāo)及工作參數(shù)之間的關(guān)系曲線就叫做柴油機的特性曲線。

柴油機的特性是柴油機固有的性能，是合理使用柴油機的重要依據(jù)，有以下作用：

（1）評價柴油機性能。

（2）確定柴油機工況。

（3）分析影響特性的狀態(tài)。

（4）檢測柴油機的狀態(tài)。

第二節(jié)  柴油機的負(fù)荷特性

一、負(fù)荷特性曲線及其制取

負(fù)荷特性是指柴油機在轉(zhuǎn)速固定不變時，其主要性能指標(biāo)及工作參數(shù)隨負(fù)荷而變化的規(guī)律。將這些變化規(guī)律在平面直角坐標(biāo)圖上表示出來，就叫負(fù)荷特性曲線。

負(fù)荷特性曲線的測取，通常是在專門的試驗臺上進行的。在有條件的船廠或?qū)嵈?，也可以測取。其具體步驟如下：

（1）首先按柴油機開動起來，并逐漸將轉(zhuǎn)速加至標(biāo)定轉(zhuǎn)速n_b，再通過測功器稍加外負(fù)荷，使柴油機達到穩(wěn)定的熱狀態(tài)。

（2）依此將負(fù)荷從零加至標(biāo)定負(fù)荷的25%→50%→75%→100%→110%。每加一次負(fù)荷都適當(dāng)?shù)卦黾庸┯土?，以維持柴油機的轉(zhuǎn)速不變。記錄每次負(fù)荷下柴油機的各性能參數(shù)。

柴油機的負(fù)荷，常用平均有效壓力p_e來表示，又因負(fù)荷特性試驗時，柴油機的轉(zhuǎn)速n固定不變，所以也有用有效功率P_e來表示負(fù)荷的大小的。

教材圖13-1為國產(chǎn)某四沖程柴油機帶動功率為275kW的發(fā)電機工作（n_b=500r/min）時，所測得的負(fù)荷特性曲線。這種特性曲線，可供管理時作參考。例如當(dāng)柴油發(fā)電機組在75%標(biāo)定功率下運轉(zhuǎn)時，可用儀表測出其p_z、p_k、t_r和g_e等數(shù)值，把它們與圖中相應(yīng)于該功率時的p_z、p_k、t_r和g_e等數(shù)值相比較，如數(shù)值相差太大，則應(yīng)查明原因，及時解決。

教材圖13-2所示為PC2-5型柴油機在500r/min、每缸功率440kW時的負(fù)荷特性曲線。其中R為排氣煙度指數(shù)，△為噴油泵齒條位移。

1．有效功率 P_e和指示功率 P_i的變化情況

有效功率P_e是通過坐標(biāo)原點的一條直線。這是因為P_e與p_e之間存在著公式 的關(guān)系。對于既定的柴油機，當(dāng)按負(fù)荷特性工作時，c、n、i都為定值。上面的公式可以寫成 。

根據(jù)P_i=P_e+P_m，則當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時，機械損失功率 P_m可以看作不變，所以指示功率P_i也是一條直線，與P_e平行，相距為機械損失功率P_m值的大小。

2．機械效率ηm的變化情況

根據(jù)公式 ，而 ，當(dāng) 時， ,當(dāng) 時，η_m達到最大值。

3．有效熱效率ηe和有效耗油率ge的變化情況

    η_i主要取決于過量空氣系數(shù)α，而α則取決于每循環(huán)的供油量與充氣量。對于非增壓柴油機，當(dāng)轉(zhuǎn)速n不變時，每循環(huán)的充氣量幾乎不變，α的變化主要取決于循環(huán)供油量。隨著負(fù)荷的增加，供油量加大，α則減小。對于廢氣渦輪增壓柴油機，充氣量還受到增壓器輸出空氣壓力p_k的影響，α隨負(fù)荷增加而下降的速度有所不同，但總的趨勢仍是α隨負(fù)荷的增加而減小的。

    由于α隨負(fù)荷的增大而降低，因此η_i亦隨負(fù)荷的提高而降低。當(dāng)負(fù)荷下降到某一較低的數(shù)值時，η_i則不再提高。（如圖中的η_i曲線所示）。

η_e=η_i·η_m。當(dāng)負(fù)荷從p_e開始降低時，η_i是隨p_e的降低而增大的，η_m卻隨p_e的下降而減小。初期，η_i的變化速率大于η_m，因此η_e也是隨p_e的降低而提高的。當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)下降時，η_i的增大速度減緩而η_m的降低速度加快。因此η_e在達到某一最高值后就開始同η_m一起隨負(fù)荷的降低而降低。在低負(fù)荷區(qū)，η_m隨負(fù)荷的降低而急劇降低，使η_e也以很快的速度下降（見圖中的η_e曲線）。

g_e與η_e正好相反，從圖中可以看到，有效耗油率曲線g_e是一條凹形曲線，而有效熱效率η_e是一條拱形曲線。隨著負(fù)荷的變化，在低于標(biāo)定負(fù)荷p_b的某一值下，有一個η_e的最大值η_emax和g_e的最小值g_emin。值得一提的是，柴油機運行的最佳工況，并非指g_emin哪一點，而是g_e/p_e最小的（輸出功率既大而耗油率又小的）那一點，即特性曲線圖中，從坐標(biāo)原點作g_e=f(p_e)曲線的切線，切點對應(yīng)的p_e即為最佳工況，此時g_e/p_e最小。

在低負(fù)荷運行時，η_e降低，耗油率增加，經(jīng)濟性變差，越是低負(fù)荷越顯著，這個特點也是一切柴油機所共有的。

第三節(jié)  柴油機的速度特性

將油量調(diào)節(jié)機構(gòu)（油泵齒條或拉桿）固定在某一位置（每循環(huán)供油量不變）時，改變柴油機的外負(fù)荷，使柴油機轉(zhuǎn)速變化，這樣測得的柴油機的主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速n而變化的規(guī)律，叫柴油機的速度特性。

按油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定的位置不同，柴油機的速度特性又可分為全負(fù)荷速度特性、超額負(fù)荷速度特性和部分負(fù)荷速度特性。柴油機的速度特性是在柴油機制造廠試驗臺上試驗時測取的，在實船條件下輪機員無法進行這項試驗。

柴油機裝配完畢之后，經(jīng)過試車、磨合和調(diào)試，使各缸功率達到平衡并把噴油提前角調(diào)整至最佳值，才進行試驗。在試驗過程中，潤滑油和冷卻水的溫度和壓力應(yīng)始終保持在最佳狀態(tài)。

一、全負(fù)荷速度特性

    把油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在標(biāo)定供油量（即柴油機在標(biāo)定轉(zhuǎn)速n_b下發(fā)出標(biāo)定功率P_e時的供油量）位置時，柴油機的主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速n而變化的規(guī)律，叫全負(fù)荷速度特性。又叫標(biāo)定負(fù)荷速度特性。

1．全負(fù)荷速度特性曲線的測取

    先開空車，使柴油機達到標(biāo)定轉(zhuǎn)速n_b，然后通過測功器逐步增加柴油機的外負(fù)荷，同時相應(yīng)地增加供油量，使柴油機穩(wěn)定在標(biāo)定工況運行。此時柴油機的轉(zhuǎn)速為標(biāo)定轉(zhuǎn)速n_b，發(fā)出的有效功率為標(biāo)定功率P_b（軸上的轉(zhuǎn)矩也稱為標(biāo)定轉(zhuǎn)矩M_b）。于是將油量調(diào)節(jié)機構(gòu)同專用工具或螺釘鎖定，先記下該轉(zhuǎn)速下的各性能參數(shù)，然后通過測功器逐次增加柴油機的外負(fù)荷，柴油機的轉(zhuǎn)速會相應(yīng)降低。使柴油機在標(biāo)定轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之間逐次穩(wěn)定在6～8個不同的轉(zhuǎn)速上，測量并記錄各對應(yīng)轉(zhuǎn)速下柴油機的各個性能參數(shù)。

    按照我國“國標(biāo)”的規(guī)定，進行全負(fù)荷速度特性試驗時，要遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)，二是標(biāo)定試驗功率。

標(biāo)定試驗功率是指以何種功率作為試驗時的標(biāo)定功率。各個國家也有不同的標(biāo)準(zhǔn)。按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)燃機的標(biāo)定功率分為：15分鐘功率、1小時功率、12 小時功率和持續(xù)功率四種。我國《鋼質(zhì)船舶入級與建造規(guī)范》（1983年）規(guī)定，船用柴油機以持續(xù)功率為標(biāo)定試驗功率。國外船用柴油機以最大持續(xù)功率（MCR）定為標(biāo)定功率。

2．全負(fù)荷速度特性曲線分析（教材圖13-4）

    在沒有任何損失的理想情況下，當(dāng)每循環(huán)的供油量不變時，柴油機的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，轉(zhuǎn)矩M_e應(yīng)是一條水平的直線。但實際上，柴油機的轉(zhuǎn)矩M_e隨轉(zhuǎn)速n的變化關(guān)系呈中間凸起，兩頭稍低的狀態(tài)。這是因為低速時，每循環(huán)所占有的時間較長，氣缸與活塞之間的漏氣和散熱損失等都較明顯。而且低速時，噴油泵柱塞運動速度低，泄漏量也較大，每循環(huán)的供油量較高速時小，所以轉(zhuǎn)矩較??；高速時，充氣系數(shù)η_v會變低，燃燒過程更短，后燃變得嚴(yán)重，而且高速時摩擦損失也大，因此轉(zhuǎn)矩也會稍低。最大轉(zhuǎn)矩M_emax所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n_emax＜n_b。

2）有效功率 Pe的變化情況        

柴油機的有效功率與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積成正比。從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速至標(biāo)定轉(zhuǎn)速之間的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩變化甚微，所以有效功率P_e近似一條斜直線。但當(dāng)P_e達P_b時，若再加大轉(zhuǎn)速，因換氣質(zhì)量惡化，使燃燒不良，因摩擦而引起的機械損失也增大，因此使功率P_e又開始隨轉(zhuǎn)速升高而下降。所以，全負(fù)荷速度特性曲線中P_e =f(n)曲線反映了柴油機在不超過標(biāo)定供油量的條件下，各轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出的最大有效功率。柴油機裝到實船上工作時，因機艙的環(huán)境溫度較高，排氣管路長，阻力大以及各種航行條件等因素的影響，如果仍要按試驗臺上所測得的標(biāo)定功率工作，柴油機必然要超負(fù)荷。所以船舶主機在長期運轉(zhuǎn)中所使用的功率往往要比標(biāo)定功率?。s為標(biāo)定功率的85%～95%）這個功率稱為運轉(zhuǎn)功率。

    3）有效耗油率g_e的變化情況

    開始時，g_e隨轉(zhuǎn)速n的增加而減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到一定程度后，由于進氣阻力增大，進氣量減少，而摩擦損失隨轉(zhuǎn)速升高而有所增大，所以有效耗油率又隨轉(zhuǎn)速的增高而微微有所上升。最低耗油率g_emin所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n_gemin＜n_b。有效耗油率曲線中，若最低耗油率段比較平坦，說明柴油機在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能獲得良好的經(jīng)濟性。

二、超負(fù)荷速度特性

    按我國船用柴油機功率標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，柴油機的超負(fù)荷功率為標(biāo)定功率的 110%，柴油機必須保證在超負(fù)荷功率下至少能連續(xù)運轉(zhuǎn)lh而排氣不冒黑煙。

    測定超負(fù)荷速度特性時，先使柴油機在標(biāo)定轉(zhuǎn)速n_b下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，然后通過測功器逐漸增加柴油機的負(fù)荷，并同時增加供油量，使柴油機達到超額負(fù)荷功率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速（作發(fā)電柴油機時為標(biāo)定轉(zhuǎn)速n_b；作主機時，此時是在 103%下運轉(zhuǎn)）。此時油量調(diào)節(jié)機構(gòu)所處的位置被確定為實際運轉(zhuǎn)中允許達到的極限位置。為了使柴油機運轉(zhuǎn)中，供油量不超過這一極限位置，實船上的柴油機均在這一位置上設(shè)置限位塊。

在油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在上述極限位置的情況下，逐漸增加柴油機的外負(fù)荷，使柴油機在低于超負(fù)荷功率轉(zhuǎn)速的若干個不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，測量并記錄相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)則可繪出超負(fù)荷速度特性曲線。該曲線顯示了柴油機在各種不同轉(zhuǎn)速下工作時所能達到的最大功率。由于此時柴油機是處于超負(fù)荷下工作的，氣缸內(nèi)溫度、壓力都很高，致使機件受到很大的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力。因此，按超負(fù)荷速度特性工作、時間不應(yīng)超過lh，一般只允許在必要時短時間運轉(zhuǎn)。

三、部分負(fù)荷速度特性

把噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在比標(biāo)定功率供油量小的各個不同位置上所測試的柴油機的速度特性，稱為部分負(fù)荷速度特性。因為比標(biāo)定功率供油量小的位置有很多，根據(jù)油量調(diào)節(jié)機構(gòu)所固定位置的不同，可以測得很多部分負(fù)荷速度特性曲線。

        圖13-5  柴油機的各種速度特性                   圖13-6  柴油機速度特性曲線

從圖13-5可以看出，柴油機的有效功率P_e和有效耗油率g_e隨轉(zhuǎn)速n變化的總趨勢是一致的，循環(huán)供油量大、轉(zhuǎn)速高時，有效功率P_e越大；而有效耗油率g_e的變化規(guī)律是：在每種供油量不變的前提下和在柴油機可運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，都存在一個最經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速n_gemin，在同一轉(zhuǎn)速和不同供油量時，以標(biāo)定供油量的g_emin為最小。從P_e曲線的分布來看，自上而下依次是110%、100%、90%、75%、50%標(biāo)定負(fù)荷的速度特性。從g_e曲線的分布來看，自上而下的依次是50%、75%、90%、110%、100%標(biāo)定負(fù)荷的速度特性。由此可以看出，柴油機按部分負(fù)荷特性運行時，燃油消耗率g_e的值較大，所以經(jīng)濟性較差。

第四節(jié)  柴油機的推進特性

當(dāng)柴油機作為船舶的主機帶動螺旋槳工作時，不管柴油機與螺旋槳是直接連接還是通過減速齒輪箱連接，二者之間總要保持能量上的平衡。因此主機發(fā)出的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速而變化的規(guī)律與螺旋槳吸收的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速而變化的規(guī)律必須相同。

一、螺旋槳的特性

根據(jù)螺旋槳理論，可以得知：螺旋槳所需的吸收功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

圖13－7 螺旋槳推進特性                      圖13-8  λ_p不同的螺旋槳特性

式中C、C₁與螺旋槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其運轉(zhuǎn)時的動力情況有關(guān)。對于選定的螺旋槳，C、C₁主要取決于進程比 。進程比 表示螺旋槳每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位移（ ）與螺旋槳直徑D之比。當(dāng)船舶定速航行時， 為定值，C、C₁為常數(shù)。

螺旋槳特性曲線如圖13-7所示。不同的船舶， 值會不相同，同一條船舶，因航行條件不同， 值亦不一樣。 越小，螺旋槳的特性曲線越陡。 =0時，船速為0，相當(dāng)于系泊試驗或啟航情況，此時螺旋槳特性曲線最陡。圖13-8所示為不同 值時螺旋槳特性曲線的變化。

二、柴油機的推進特性

    柴油機作主機帶動螺旋槳工作時，根據(jù)主機功率與螺旋槳所需功率相等的原則，主機所發(fā)出的有效功率P_e與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系也應(yīng)遵循三次方的規(guī)律，即P_e=P_p=Cn³。柴油機依螺旋槳特性工作時，各主要性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速而變化的規(guī)律稱為柴油機的推進特性。

柴油機的推進特性是在專門的試驗臺上進行測試的。根據(jù)柴油機的標(biāo)定功率和標(biāo)定轉(zhuǎn)速的值，首先按公式P_e=Cn³計算出柴油機按推進特性工作時各轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的功率值，將其對應(yīng)的百分?jǐn)?shù)列于表13-1中。

表13-1

    根據(jù)表13-1所列數(shù)據(jù)，將柴油機調(diào)整到在推進特性的各對應(yīng)點上穩(wěn)定運行，測取各對應(yīng)點下柴油機的各主要性能參數(shù)，然后以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，以所測參數(shù)為縱坐標(biāo)繪成曲線，即為柴油機的推進特性曲線。

圖13-9  6300C型柴油機推進特性曲線          圖13-10  6L350PN型柴油機推進特性曲線

    從教材圖 13-9上某一工作轉(zhuǎn)速（例如 n_b=400r/min）處，作一垂線與各曲線相交，就可以得出該轉(zhuǎn)速下各性能參數(shù)的值。將這些參數(shù)值與實際運行中所測得的參數(shù)值相比較，如果稍有差異，則屬正常的，可能是由于測試條件不同而引起。如若發(fā)現(xiàn)相差太大，則屬不正常情況了，應(yīng)盡快查明原因，及時處理。差值過大的主要原因可能有：①主機或軸系故障；②螺旋槳變形或損壞；③船舶超載或船體污底。

    圖13-10為6L350PN型柴油機推進特性曲線。

三、柴油機與螺旋槳匹配

在進行船舶設(shè)計時，是根據(jù)主機來選配螺旋槳的。既要使柴油機的功率得到充分發(fā)揮，又要使柴油機在全部的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都不超負(fù)荷。因此，設(shè)計時，通常是以柴油機標(biāo)定功率(P_b)的85%~95%（一般取90%）作為配槳功率的。目的是使柴油機留有一定的功率儲備，如圖13-12所示。

第五節(jié)  柴油機的調(diào)速特性

柴油機的調(diào)速特性是指當(dāng)調(diào)速器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機構(gòu)固定于某一位置時，在外負(fù)荷從零到最大值或相反過程的全部變化范圍內(nèi)，柴油機的功率、扭矩或平均有效壓力與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

特點：調(diào)速特性與柴油機的其它特性不同，它并不涉及柴油機內(nèi)部的工作過程，只與調(diào)速器的工作性能直接有關(guān)──主要指穩(wěn)定調(diào)速率δ₂。

    試驗方法：先在標(biāo)定轉(zhuǎn)速n_b和標(biāo)定負(fù)荷P_b下滿足標(biāo)準(zhǔn)試驗條件穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，先卸去全部負(fù)荷，使其轉(zhuǎn)速達到最高空載轉(zhuǎn)速，然后逐步增加負(fù)荷至標(biāo)定負(fù)荷，記錄各測試點的柴油機轉(zhuǎn)速、扭矩和油耗等參數(shù)并繪成曲線，便得到柴油機的調(diào)速特性曲線。

一、雙制（限速）式調(diào)速器的調(diào)速特性

在最低和最高控制轉(zhuǎn)速時起作用，低速加油高速斷油。圖13-13圖中“1”“2”“3”“4”為全負(fù)荷及部分負(fù)荷的速度特性，該中部調(diào)整不起作用。

 圖13-13 雙制式調(diào)速器的調(diào)速特性                 圖13-14  全制式調(diào)速器調(diào)速特性

二、全制式調(diào)速器的調(diào)速特性

全制式調(diào)速器不僅在低速和高速范圍內(nèi)有調(diào)速作用，而且在整個運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有調(diào)速作用。圖13-14中曲線2、3、4、5、6分別為當(dāng)調(diào)速器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機構(gòu)固定于各個不同位置時的調(diào)速特性線。

由全負(fù)荷變化至空負(fù)荷，經(jīng)調(diào)速器調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速由n_a變化到n_b。如果n_b＞n_a，說明柴油機在負(fù)荷變化時，存在轉(zhuǎn)速差，調(diào)速器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)稱為有差調(diào)節(jié)；如果n_a=n_b，轉(zhuǎn)速差為零，（即穩(wěn)定調(diào)速率δ₂=0），調(diào)速器的調(diào)節(jié)為無差調(diào)節(jié)。

第六節(jié)  柴油機的限制特性及運轉(zhuǎn)范圍

一、柴油機的限制特性

    柴油機的限制特性是指限制柴油機在各種轉(zhuǎn)速下的運轉(zhuǎn)功率，以使柴油機的機械負(fù)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。

    柴油機按全負(fù)荷速度特性工作，在標(biāo)定工況點（n=n_b，P_e=P_b），柴油機的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷不會超出允許范圍。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，對非增壓柴油機來說，會因轉(zhuǎn)矩增大而導(dǎo)致機械負(fù)荷超出允許范圍；而對廢氣渦輪增壓柴油機，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，還會因廢氣能量迅速減少，增壓器輸出空氣壓力降低，進入氣缸的空氣量變少而使α降低，會引起氣缸內(nèi)燃燒不良、燃?xì)鉁囟壬撸瑥亩赡軐?dǎo)致柴油機的熱負(fù)荷在低負(fù)荷時也超出允許范圍。

按照柴油機類型的不同，在確定其限制范圍時，通常把最高爆發(fā)壓力P_z、平均有效壓力p_e、曲軸轉(zhuǎn)矩M_e、過量空氣系數(shù)α、排氣溫度T_r和增壓器轉(zhuǎn)速n_T等參數(shù)作為限制因素。其中較常用的是M_e和T_r。

1．等轉(zhuǎn)矩限制特性──限制機械負(fù)荷

    對于一臺既定的柴油機，若不考慮扭轉(zhuǎn)振動所引起的附加應(yīng)力，軸系的機械負(fù)荷取決于曲軸扭矩M_e的大小。而在設(shè)計時，是以在標(biāo)定工況下的轉(zhuǎn)矩M_b為依據(jù)的。所以，只要限制柴油機的轉(zhuǎn)矩M_e，使之在任何情況下都不超過標(biāo)定工況下的轉(zhuǎn)矩M_b，軸系就不致因超機械負(fù)荷而損壞。

由此可見，轉(zhuǎn)矩限制特性在P_e-n坐標(biāo)圖上是一條通過坐標(biāo)原點和標(biāo)定工況點的直線，圖13-6中的線7所示。在等轉(zhuǎn)矩特性線以下的全部工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機不會超機械負(fù)荷。

2．等排溫限制線──限制熱負(fù)荷

    柴油機的熱負(fù)荷與過量空氣系數(shù)α有直接的關(guān)系。過量空氣系數(shù)α會隨轉(zhuǎn)速的降低而減小引起燃燒不良，排氣溫度升高而導(dǎo)致柴油機在低速運行時熱負(fù)荷超過允許范圍。但是，柴油機在運轉(zhuǎn)過程中，過量空氣系數(shù)α的值很難測定。而且在整個運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，要使α保持不變也相當(dāng)困難。所以實際上常以排氣溫度T_r作為限制柴油機熱負(fù)荷的參數(shù)來建立相應(yīng)的限制特性──等排溫限制特性。

    從實驗可知，柴油機在標(biāo)定工況下運行時，機械負(fù)荷和熱負(fù)荷都不會超出規(guī)定值。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，在轉(zhuǎn)速開始下降的初期，按等轉(zhuǎn)矩線變化的功率小于按等排氣溫度線變化的功率；而到轉(zhuǎn)速下降的后期，按等轉(zhuǎn)矩線變化的功率卻大于按等排氣溫度線變化的功率。因此，柴油機的限制特性中，在轉(zhuǎn)速下降的初期，以轉(zhuǎn)矩作為主要限制參數(shù)；而在轉(zhuǎn)速下降的后期（低轉(zhuǎn)速范圍），則以排氣溫度作為主要限制參數(shù)。

二、船用柴油機的允許工作范圍（圖13-15）

1．最大功率

柴油機在各種轉(zhuǎn)速下允許達到的最大功率，在不同的工作條件下分別由超負(fù)荷速度特性

2．最小功率

    柴油機在各種轉(zhuǎn)速下的最小功率由最小的部分負(fù)荷速度特性（曲線8）來限制。柴油機負(fù)荷減少時，循環(huán)供油量也要相應(yīng)減小。若減至太小，會使各缸的供油量變得很不均勻，甚至可能導(dǎo)致個別氣缸不噴油或不發(fā)火，使柴油機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定；并且還會產(chǎn)生因燃燒不良，燃燒室表面嚴(yán)重積炭或有未經(jīng)燃燒的柴油沿氣缸壁流入曲軸箱污染并稀釋潤滑油、低溫腐蝕加劇等不良后果。最小功率一般規(guī)定為長期使用功率的10%～25%。

3．最高轉(zhuǎn)速

    柴油機轉(zhuǎn)速過高，會產(chǎn)生過大的慣性力和慣性力矩，導(dǎo)致機件的振動和磨損加劇，使柴油機不能安全工作。柴油機在各種負(fù)荷下可能達到的最高轉(zhuǎn)速，在裝有調(diào)速器的情況下，由調(diào)速特性（曲線5和曲線6）來限制。如果在標(biāo)定功率下調(diào)速器使柴油機在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，則在負(fù)荷減小時，它將使柴油機在調(diào)速特性線5所確定的各個轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。同理，如果在超負(fù)荷功率下調(diào)速器使柴油機在相應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，則在負(fù)荷減小時，它將限制柴油機在曲線6所確定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。

4．最低轉(zhuǎn)速

    柴油機在各種負(fù)荷下的最低轉(zhuǎn)速也是有限制的，柴油機在過低的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時，油泵柱塞的速度下降，泵油壓力降低得過多，致使燃油霧化不良，混合氣形成的質(zhì)量變差，加上各噴油泵的柱塞套筒在加工方面存在的缺陷，可能使個別缸不能連續(xù)發(fā)火，柴油機工作不穩(wěn)定甚至導(dǎo)致燃油不能自燃而停車。決定這條限制線的是按全負(fù)荷速度特性工作（即在油門不變情況下）的最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速（曲線9）和按推進特性工作（即在柴油機低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷）時的最低穩(wěn)定運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（曲線10）。作為船用主機的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速應(yīng)以曲線10為準(zhǔn)。一般低速柴油機的最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速不高于標(biāo)定轉(zhuǎn)速的30%，中速柴油機不高于40%，高速柴油機不高于45%。

    綜上所述，對于作為船用主機的柴油機來說，其允許的工作范圍如圖上l-3-5-8-10曲線所圍成的（即繪有陰影線的那部分）面積。