1-5第五節(jié)柴油機的主要性能指標(biāo)

第一章柴油機工作循環(huán)和主要性能指標(biāo)1第五節(jié)柴油機的主要性能指標(biāo)一、動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)柴油機的主要性能指標(biāo)包括動力性和經(jīng)濟性兩個方面的指標(biāo)。它們既是反映柴油機工作循環(huán)完善程度的參數(shù)，更是評估柴油機性能的主要依據(jù)。動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)分別從量和質(zhì)兩個方面來評價柴油機的性能。它們又可以分成指示指標(biāo)和有效指標(biāo)兩類見表1-5-1。表1-5-1動力及經(jīng)濟性指標(biāo)指示指標(biāo)有效指標(biāo)p－平均指示壓力pe－平均有效壓力動力性iNi－指示功率i－指示熱效率Ne－有效功率e－有效熱效率經(jīng)濟性gi－指示燃油消耗率ge－有效燃油消耗率指示指標(biāo)是以實測的示功圖所表示的一個循環(huán)所作的功——指示功為基礎(chǔ)的（從示功圖求出來的），它們表征氣缸內(nèi)部工作情況，其優(yōu)劣取決于氣缸內(nèi)部實際工作循環(huán)進(jìn)行的完善程度（包括不完全燃燒、燃燒延遲、氣體泄漏、氣缸壁傳熱損失等）。有效指標(biāo)是以在柴油機輸出軸上所得到的有效功為基礎(chǔ)的，它扣除了柴油機內(nèi)的一切損失，其優(yōu)劣取決于工作循環(huán)進(jìn)行的完善程度，外還得取決于機械損失的大小，它是評定柴油機工作性能的最終指標(biāo)。1.指示指標(biāo)1）平均指示壓力pi如果我們已測得示功圖燃燒膨脹過程曲線與壓縮過程曲線所包面積即表示指示功L。泵氣功（泵氣損失）如圖1-5-1所示，圍的i示功圖上測不出，指示指標(biāo)不考慮，放在有效指標(biāo)考慮。平均指示壓力p：是一個假想的作用在i活塞上的數(shù)值不變的壓力，它推動活塞一個與一個工作循環(huán)的指示功Li相等（如圖1-5-1）。即：行程所作的功LpFS（N·m或J）圖1-5-1平均指示壓力p示意圖iii所以Li（N/m2或Pa）V（1-5-1）piS式中：pi——平均指示壓力，Pa；F——活塞面積，m2；S——活塞行程，m；VS——氣缸工作容積，m3。船舶柴油機由式（1-7）可見，平均指示壓力pi又可以看成單位氣缸工作容積每一工作循環(huán)的指示功。它消去了柴油機氣缸工作容積的因素，所以它的數(shù)值與氣缸工作容積的大小無關(guān)。因此可以用p來比較不同氣i缸尺寸和不同類型的柴油機的做功能力——強化程度。p值大，表明i其單位氣缸工作容積的做功能力大，柴油機氣缸工作容積利用程度大。噴入的燃油量相同時，p值大i圖1-5-2面積儀1-下帶針尖的固定重塊；2-把手；3-導(dǎo)針；4-支撐滑桿；5-測量滾子；6-進(jìn)行得比較完善。計數(shù)盤表明其工作循環(huán)所以p是評定柴油機工作循環(huán)動i力性的重要指標(biāo)。對于運轉(zhuǎn)中的柴油機，p很容易由實測的p-V示功圖求得，方法如下：i（1）面積用面積圖1-5-2）測得示功圖面積為f（mm2），示功圖長度為L（mm），示功圖平均高度hi=f/L（mm），則平均指示壓力法儀（見：ph（MPa）（1-5-2）iMi式中：M——示功彈簧比例（即p-V示功圖縱坐標(biāo)比例，示功器彈簧上有標(biāo)明），mm/MPa。（2）十等分法如不用面積儀，p還可由p-V示功圖經(jīng)i作圖法求得。如圖1-5-3所示。將測得示功圖長度L分為10等份，量出各等分點上的示功圖高度y1、y2、y3…y9（mm），在上、下止點附近距上、下止點L/40處再附加兩個圖1-5-3示功圖的作圖計算法示功圖高度y0和y10，示功圖的平均高度：1yy（mm）yyy10（1-5-3）h01029i12這樣求得的h精度已夠。表1-5-1pi、pe值統(tǒng)計表i在標(biāo)定工況下船用柴油機的平均機型pipe指示壓力p的數(shù)值范圍如表1-5-1所示。四沖程，非增壓0.75~1.10.60~0.90.8~2.50.5~0.700.7~1.9i2）指示功率N四沖程，增壓0.95~3.0i率是指柴油機氣缸指示功內(nèi)的工二沖程，非增壓0.65~0.95質(zhì)在單位時間內(nèi)推動活塞所作的指示二沖程，增壓0.8~1.8功。第一章柴油機工作循環(huán)和主要性能指標(biāo)3柴油機的每個氣缸每個工作循環(huán)工質(zhì)所作的指示功為D（J）（1-5-4）（1-5-5）（1-5-6）Li2pSpViiS4柴油機一個氣缸的指示功率N為i1pVnS（N·m/s）Ni1i60于是，整臺柴油機指示功率的一般式為pVni（kW）NiS60000i式中：p——平均指示壓力，Pa或N/m2；容積，m；3iVS——氣缸工作n——柴油機的轉(zhuǎn)速，r/min；四沖程機＝1/2，二沖程機=1；——每轉(zhuǎn)工作行程數(shù)，i——氣缸數(shù)。在船上經(jīng)常要測量示功圖并計算柴油機的功率。對既定的柴油機其V和為定值，為減S常數(shù)。這樣，整臺柴油機指示功率的少重復(fù)計算，令C=V/60000，C稱為氣缸公式可簡化S為NCpni（kW）（1-5-7）ii如各缸發(fā)出功率不均勻，則應(yīng)一缸缸測取示功圖，分別求得pi，Ni1，再將各缸功率相加而得到整臺柴油機的功率。3）指示熱效率和指示油耗率gi熱效率的定義為i指示L（1-5-8）iQi1式中：L——指示功，J；iQ1——噴入氣缸內(nèi)燃油的總發(fā)熱量，J。對于一臺柴油機，可測算出其指示功率N和每小時燃油消耗量Gf，則i3600N（1-5-9）iGHfiu式中：3600——一Gf——柴油機每Hu——所高熱值：包括了燃油中氫元素燃燒生成水蒸氣冷卻而凝結(jié)放潛熱），通常取Hu=42700kJ/kg；Ni——指示功率，kW。指示油gi以一千瓦指示功率每千瓦小時相當(dāng)?shù)臒崃?，kJ/（kW·h）小時油耗量，kg/h；用燃料低熱值（出的耗率小時消耗的燃油量表示，即：gG（kg/kW·h）（1-5-10）fNii指示油耗率gi和指示熱效率一樣，是評定柴油機氣缸內(nèi)實際工作循環(huán)經(jīng)濟性的指標(biāo)，i船舶柴油機用來衡量工作循環(huán)進(jìn)行的完善程度。兩者之間的關(guān)系為：3600i（1-5-11）gHiu目前船用柴油機的與g統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1-5-2所示。ii2.有效指標(biāo)1）有效功率Ne和機械效率m從柴油機曲軸輸出端傳出的功率稱為有效功率，用Ne表示，也可以說指示功率減去機械N所剩的功率稱為有效功率。即N=Ni-Nm。me損失功率柴油機的有效功率Ne在試驗臺上用測功器和轉(zhuǎn)速表測出，在船舶上可用扭力計和轉(zhuǎn)速表測出：MeM2n（1-5-12）NeMnee100060300001000式中：M——柴油機輸出的有效扭矩，N·m；n——柴油機轉(zhuǎn)速，r/min。N是指能量在柴油機內(nèi)部傳遞過程中所損失的功率。它包括：e機械損失功率m（1）摩擦損失功率。約占全部摩擦損失的55%～65%，而各軸35%～45%。柴油機轉(zhuǎn)速稠、摩擦表面粗糙不圓不平、克服柴油機各相對運動部件表面摩擦力所消耗的功率?；钊⒒钊h(huán)與氣缸套壁間的摩擦損失承處的摩擦損失約占高、摩擦表面間的壓力大、滑油粘度裝配的相對位置不準(zhǔn)及間隙過大過小均會導(dǎo)致摩擦損失功率變大。（2）驅(qū)動柴油機附屬機構(gòu)的損失功率。油機附屬機構(gòu)，如噴油泵、氣閥機構(gòu)、掃氣泵（中小型柴油機還帶滑油泵、冷卻水泵、燃油輸送泵）等所消耗的功率。其損失隨柴油機轉(zhuǎn)速的提高而增加。（3）泵氣損失功率。在非增壓四沖程柴油機中，進(jìn)、排氣過程所消耗的功率——泵氣功為負(fù)功。在增壓四沖程柴油機中，進(jìn)大于排氣壓力，是正功，使機械損失功率減?。〝?shù)值不大）。沖程柴油機，由于沒有單獨的進(jìn)排氣行程，所以泵氣損失功率為零。上述機械損失功率一般不用它的驅(qū)動柴氣壓力泵氣功二氣與絕對值Nm。表m示，而常用機械效率表示。機械效率是有效功m圖1-5-4負(fù)荷對機械效率的影響率Ne與指示功率N，之比值，即：iNNNem1NmNi（1-5-13）iNNmii機械效率的大小不僅決定于設(shè)計水平和制造質(zhì)量，還受柴油機負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、滑油溫度m與冷卻水溫度等因素影響。如果轉(zhuǎn)速不變，負(fù)荷（pi、Ni）增加時，機械效率=0。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變，只有負(fù)荷發(fā)生變化時，Nm幾乎保持不變。由上式可m將相應(yīng)增加。當(dāng)柴油機空載運行時，知，始終隨負(fù)荷m第一章柴油機工作循環(huán)和主要性能指標(biāo)5的增加而提高，但其提高速度在負(fù)荷從0開始增大的初期很快，此后逐漸減慢。見圖1-5-4如果負(fù)荷（pi）不變，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時，由于摩擦損失功率增大，機械效率隨之下降。負(fù)荷、轉(zhuǎn)速對摩擦損失功率的影響比較復(fù)雜，要得到較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，只能用實驗法求出。例如由扭矩轉(zhuǎn)速求得Ne，由示功圖求得Ni再算出m。如適當(dāng)提高滑油溫度與冷卻水溫度，滑油粘度降低，則會有所提高。但若溫度過高，m滑油粘度太低，使油膜遭到破壞或過熱，則會因破壞了正常潤滑狀態(tài)而大大降低m，甚至引大運轉(zhuǎn)事故柴油機的機械效率值見表1-5-2。起重?，F(xiàn)代表1-5-2現(xiàn)代柴油機的機械效率值eg(g/kwh)ig(g/kwh)e機型im177~231170~238160~205150~195165~215143~1920.486~0.3720.506~0.3610.538~0.4200.573~0.4410.521~0.4000.601~0.448231~272245~300195~258166~231189~258155~2250.372~0.3160.78~0.850.351~0.2870.70~0.800.441~0.3330.80~0.880.518~0.3720.85~0.920.455~0.3330.75~0.880.555~0.3820.85~0.92四沖程,非增壓二沖程,非增壓四沖程,增壓,高速四沖程,增壓,中速二沖程,增壓,中速二沖程,增壓,低速2）平均有效壓力pe在柴油機有效指標(biāo)中，同樣也可以引入與p類似到單位氣缸工作容積的指標(biāo)——的折合平均有效壓力pe。平均有效壓力pe是柴油機在每一工作循環(huán)每單位氣缸工作容積功。它消去了柴油機氣缸工作容積的因素，所以它的數(shù)值與氣缸工作容積的大小無關(guān)。因此便于用它來比較不同氣缸尺寸和不同類型的柴油機的做功能力——強化程度。pe值大，表明其單位氣缸工作容積的做功能力大，柴油機氣缸工作容積利用程度大。pe可由測得的有效功i所作的有效pVniCpni率Ne和轉(zhuǎn)速n推算出來。由于NeeS60000e則（1-5-14）（1-5-15）pNeCnie同樣，平均機械損失壓力pm也可以寫成為pNmCnim將上兩式代入N=Ni-Nm，可見平均有效壓力pe也可以寫為pe=pi-pm，見圖1-5-1。噴入e的燃油量相同時，pe的值大表明其工作循環(huán)進(jìn)行得比較完善或和機械損失小。pe是評定柴油機工作循環(huán)動力性的重要指標(biāo)。NNCpnipe，知道了平均指示壓力pi和機械效率m之后，就可以求出柴由于eeCpnipmi油機的平均有效壓力iipe＝pi（1-5-16）m目前船用柴油機的平均有效壓力pe的范圍如表1-5-1所示。6船舶柴油機g和有效熱效率ee3）有效燃油消耗率有效油耗率是指每一千瓦有效功率每小時所消耗的燃油量。單位是kg/(kW·h)。即gGf（1-5-17）Nee式中：G——柴油機每小時油耗量，kg/h；fNe——柴油機有效功率，kW。熱效率是指曲軸有效功與所消耗的熱量之比，即：e有效3600NeGH3600L（1-5-18）eQgHe1仍從定義出發(fā)，可得：fueuLLLiQL（1-5-19）eemQei11已包括了柴油機i工作時的一切損失。e用柴油機的g與e數(shù)值如表1-5-2所示。e二、其它動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)目前，船1.轉(zhuǎn)速內(nèi)燃機曲軸每分鐘的轉(zhuǎn)速，用r/min表示。轉(zhuǎn)速對內(nèi)燃機性能和結(jié)構(gòu)影響很大，而且其范圍十分寬廣。各種類型內(nèi)燃機使用轉(zhuǎn)速范圍各不相同，其中有兩個轉(zhuǎn)速值得注意：（1）最高轉(zhuǎn)速n——受調(diào)速控制時，柴油機所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。max（2）最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速n——柴油機能夠穩(wěn)定工作的最低轉(zhuǎn)速。min在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速之間是柴油機轉(zhuǎn)速的工作范圍。2.活塞平均速度Cm活塞在氣缸中運動的速度是不斷變化的，在行程中間大較，在止點附近較小，止點處為零。若已知內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速n時，則活塞平均速度可由下式計算：C2SnSn（1-5-20）60，S——行程（柴油機的速度可以用曲軸轉(zhuǎn)速n（r/min）和活塞平均速度Cm（m/s）表示。30m式中m）。低速柴油機n300r/min中速柴油機300<n1000r/minn>1000r/min3.滑油消耗率在標(biāo)定工況時，每千瓦小時所消耗滑油量的克數(shù)稱為滑油消耗率，單位為g/(kW·h)?；褪腔钊Z入燃燒室內(nèi)或由氣閥導(dǎo)管流入氣缸內(nèi)燒掉，未燒掉的則隨廢氣排出；另外，有一部分滑油由于在曲軸箱內(nèi)霧化或蒸發(fā)，而由曲軸箱通風(fēng)口排出。柴油機的滑油消耗率一般在0.5～4g/(kW·h)左右。Cm=6.0m/s～7.2m/sCm=7.0m/s～9.4m/