项目一 模块2 柴油机性能指标计算

1、模块模块2 柴油机性能指标计算柴油机性能指标计算 本模块应掌握的内容 柴油机的动力性和经济性指标及一些工作参数用来表征柴油机机械负荷、热负荷和强化程度等性能。 动力性和经济性指标可分成指示指标和有效指标两类。本模块是评价柴油机作功能力大小和经济性高低的计算方法。学生通过学习认识: 了解柴油机性能指标的种类， 熟练掌握柴油机性能指标的计算方法以及影响因素， 能测量柴油机的压缩比、最大爆发压力和排气温度等有关参数。 11考纲在本模块的考点4 NoImage柴油机的性能指标柴油机的性能指标指标的作用：指标的作用： 用来从总体上或从某一方面来判断或衡量一台柴油机的性能。 包括：包括： 动力性指标、经济

2、性指标、运转性指标（冷起动、加速性与加动力性指标、经济性指标、运转性指标（冷起动、加速性与加载性、排放性）、可靠性和耐久性指标、重量和外形尺寸指标载性、排放性）、可靠性和耐久性指标、重量和外形尺寸指标等。等。 柴油机的性能通常可以从动力性、经济性、运转性、可靠性和耐久性等方面加以衡量，通常柴油机的性能指标主要有动力性指标和经济性指标。 动力性和经济性指标可以分为指示指标和有效指标两类。 1. 指示指标（indicative)是建立在气缸内燃气对活塞所做功为基础的性能指标。它只考虑缸内燃烧不完全及传热方面的损失，没有考虑运动副间所存在的摩擦损失，它反映了气缸内工作循环的完善程度。 2. 有效指标

3、（effective）是建立在柴油机输出轴上所得到的有效功为基础的性能指标。它既考虑了热损失也考虑了一系列的机械损失。它是评定柴油机工作性能的最终指标NoImage性能指标的分类：性能指标的分类：指示指标有效指标评价气缸内气缸内工作完善程度的指标，考虑燃烧燃烧的完善程度和传热传热损失。在指示指标的基础上考虑了机械损失后，在柴油机输出轴上所得到的指标。 柴油机的工作参数表征柴油机的机械负荷、热负荷、基本结构和强化程度的参数。 1 1 平均指示压力平均指示压力p pi i 2 2 指示功率指示功率P Pi i 3 3 指示热效率指示热效率 i i 4 4 指示油耗率指示油耗率g gi i 注：注：

4、1.21.2反映了柴油机动力性能的的大小反映了柴油机动力性能的的大小 3.43.4用来衡量柴油机经济性的好坏用来衡量柴油机经济性的好坏一、指示指标一、指示指标1 平均指示压力平均指示压力piNoImage 平均指示压力pi也就是一个工作循环中每单位气缸工作容积所作的指示功。它的数值与气缸容积无关 用pi来比较不同类型和不同气缸尺寸的柴油机气缸工作容积的利用程度。 pi值大，说明其单位气缸工作容积的作功能力大，其工作循环比较完善。在实际船舶运营中，pi由测取的pV示功图经计算得到。 10 NoImage1.1 平均指示压力平均指示压力pi定义：定义： 发动机每个工作循环，单位气缸容积所做的指示功

5、Li。 Pi=Li / Vs (N/m2或pa) 作用：作用： 用来比较不同类型和不同气缸尺寸的气缸工作容积的做功能力；评价气缸工作容积的利用程度。 Pi气缸强化程度强化程度 ，工作循环完善程度工作循环完善程度。 影响影响Pi因素：因素：（循环供油量和燃烧质量） p12（1）（2）（3）（4）。 从柴油机工作循环完善的角度进行分析。 判断下列哪种情形的判断下列哪种情形的Pi高？为什么？高？为什么？ 增压机与非增压机；四冲程机与二冲程机；二冲程直流扫气与弯流扫气。 对于既定的柴油机，影响pi大小的主要因素是循环供油量或负荷大小，其次是换气质量、燃油雾化质量等影响燃烧质量的因素。 （1）循环供油量

6、（负荷）大，pi提高。（2）过量空气系数增大，缸内的燃烧质量提高，pi提高，但当过量空气系数过 高时，由于油气浓度过低而使pi降低。（3）工质混合完善程度提高，pi提高。（4）换气质量提高，pi提高。因此一般情况下: 增压柴油机pi高于非增压柴油机； 四冲程机pi高于二冲程机； 直流扫气式柴油机的pi高于弯流扫气式柴油机。实际运行的柴油机，当进、排气阀定时或喷油定时发生变化、气缸漏泄增加、燃油喷射压力调节不当、燃油雾化质量下降、增压系统故障等都会引起pi降低。12 NoImage1.2 指示功率指示功率Pi 定义：定义： 发动机在单位时间内气缸内工质推动活塞所做的功（kW）。)(60000kW

7、nimVpPsii对既定柴油机而言，VS和m为定值，令 C= VS m /60000， C气缸常数。 上式可表达为：Pi = C pi n im冲程数 “四”取1/2;“二”取113 NoImage1.3 指示热效率与指示油耗率1）指示热效率）指示热效率i 指示功的热当量与相应消耗的燃料热当量之比。 若测得：柴油机每小时油耗量为B ( kg / h ) ，查得：燃油的发热值为Hu，一般取值为42700 ( kj / kg ) 。则：燃料的热当量为： B Hu /3600 ( kj / s ; kW ) 那么： i = 3600Pi / B Hu 2）指示油耗率）指示油耗率gi 指单位指示功率每

8、小时燃油消耗量。 gi=B/Pi（kg /kW h） 指示热效率与指示油耗率的关系：（成反比关系） uiiHg3600二、有效指标 1 平均指示压力平均指示压力pe 2 指示功率指示功率Pe 3 指示热效率指示热效率 e 4 指示油耗率指示油耗率ge 注：注：1.2反映了柴油机动力性能的的大小反映了柴油机动力性能的的大小 3.4用来衡量柴油机经济性的好坏用来衡量柴油机经济性的好坏NoImage机械效率m1）机械损失）机械损失 指作用在活塞上的指示功率传递到曲轴的（有效功率）过程中所损失的功率。机械损失的功率机械损失的功率Pm 作用在活塞上的指示功率传递到曲轴的过程中所损失的功率。 包括：包括：

9、 摩擦损失活塞环与缸套之间最大 拖动损失随转速而加大； a.泵气损失仅发生在非增压四冲程机。（增压机不但不损失，反而增加规律；二冲程机无进排气冲程，为零）。16 NoImage机械效率m2）机械效率）机械效率m m=（ Pi - Pm ）/ Pi =1- Pm / Pi 从上式可知：Pm m机械效率机械效率m影响因素：影响因素： 负荷、转速、滑油温度、冷却水温、安装质量等。对同一台柴油机而言：对同一台柴油机而言： n不变，负荷 m 。柴油机空载运行，全部指示功消耗于摩擦损失， m = 0。 负荷不变，n 摩擦耗功 m 通常柴油机出厂时，厂家以通常柴油机出厂时，厂家以mn 的形式给出的形式给出m

10、值值，可根据使用转速和负荷查出m。17 NoImage有效功率Pe定义：定义： 柴油机曲轴飞轮端单位时间所输出的功。 Pe= Pi Pm = Pi m 注：实际使用时， Pe 不是通过计算，而是由测功器测出。制动功率（BHP，Brake Horse Power） 在柴油机试验台上用水力测功器（电力测功器）测定输出扭矩再计算出的功率。)(955010006021000kWnMnMMPeeee轴功率（SHP，Shaft Horse Power） 在柴油机装船后，用扭力计测量测得。一般BHP SHP。18 NoImage有效燃油消耗率与有效效率1）有效燃油消耗率）有效燃油消耗率ge 每一千瓦有效功率

11、每小时消耗的燃油量。 ge =B/Pe（kg/kWh） ge的意义的意义：评价不同形式柴油机的经济性； 用来计算航次载油量和油舱容积。 2）有效热效率）有效热效率e 曲轴有效功所消耗的热量。miueeBHP36001 1 最高燃烧压最高燃烧压2 2 排气温度排气温度 3 3 活塞平均速度活塞平均速度 4 4 行程缸径比行程缸径比5 5 强化系数强化系数6 6 压缩比压缩比三、柴油机工作参数三、柴油机工作参数最高燃烧压力最高燃烧压力p pz z过大，使结构尺寸增大，柴油机笨重过大，使结构尺寸增大，柴油机笨重p pz z过大，使螺栓预紧力增大，过大，使螺栓预紧力增大，结合面比压大结合面比压大p p

12、z z过大，破坏润滑油膜，磨损加剧过大，破坏润滑油膜，磨损加剧p pz z过大，冲击振动和噪声增大过大，冲击振动和噪声增大p pz z大些，对提高柴油机热效率降低油耗大些，对提高柴油机热效率降低油耗有利有利目前柴油机pz值的数据范围是： 非增压柴油机：6-8MPa 增压低速二冲程柴油机：7-18MPa 增压中高速柴油机:7-20MPa排气温度排气温度非增压柴油机：非增压柴油机：排气管内废气平均温度排气管内废气平均温度增压柴油机：气缸盖排气道增压柴油机：气缸盖排气道出口处废气平均温度出口处废气平均温度排气温度高低反映了排气温度高低反映了缸内负荷的大小缸内负荷的大小和燃烧质量的好坏和燃烧质量的好坏

13、通常排气温度最高不超过通常排气温度最高不超过550,550,过高不但标志热负过高不但标志热负荷过高，还会引起经济性、荷过高，还会引起经济性、可靠性下降等可靠性下降等活塞平均速度活塞平均速度V Vm m=Sn/30=Sn/30（m/sm/s）影响柴油机机械负荷、影响柴油机机械负荷、热负荷和寿命的重要参数热负荷和寿命的重要参数为维持较长的寿命和适当的为维持较长的寿命和适当的V Vm m值，采用长行程，以降低值，采用长行程，以降低n n，提高螺旋桨效率，提高螺旋桨效率行程缸径比行程缸径比S/D影响柴油机的尺寸和重量影响柴油机的尺寸和重量影响机械负荷；最大往复惯性力随影响机械负荷；最大往复惯性力随S/

14、D增加而减小，即机械负荷减小增加而减小，即机械负荷减小影响热负荷；影响热负荷；S/D增大，散热面增大，散热面积增大，热负荷减小积增大，热负荷减小影响混合气形成影响混合气形成;S/D增大，燃烧室余增大，燃烧室余隙容积增大，有利于混合气的形成隙容积增大，有利于混合气的形成影响扫气效果影响扫气效果影响曲轴刚度影响曲轴刚度影响轴系的振动性能影响轴系的振动性能强化系数强化系数pe*Cm表示柴油机所受表示柴油机所受热负荷和机械负荷两方面热负荷和机械负荷两方面的综合强烈程度的综合强烈程度高速机大于低速机；高速机大于低速机；四冲程机大于二冲程机四冲程机大于二冲程机压缩比压缩比影响经济性：影响经济性： 大则经济

15、性好，但大则经济性好，但 超过超过1212后，后，经济性则降低，因为经济性则降低，因为 过高则余隙容积过小过高则余隙容积过小不利于雾化和混合气的形成不利于雾化和混合气的形成 影响机械负荷：影响机械负荷： 增加使压缩压力增加使压缩压力p pc c和和p pz z提高，提高，则机械负荷增大，磨损加剧。此为上限限制则机械负荷增大，磨损加剧。此为上限限制影响燃烧和起动性能：影响燃烧和起动性能： 冷车起动时，冷车起动时， 越小，越小，起动和燃烧时需要的转速就越高，此为下限起动和燃烧时需要的转速就越高，此为下限限制限制比重量指标比重量指标gw：又称单位功率重量，是柴油机净重与标定功率的比值它与柴油机的类型

16、、结构、附件的大小有关，同时也与材料和制造技术有关，一般船用高速机为1.4-3.7；中速机为10-19；低速机为20-35单位体积功率单位体积功率Pv：是柴油机标定功率Pe与柴油机外廓体积V的比值，其中，柴油机的外廓体积是指其最大长宽高尺寸的乘积27 NoImage3. 柴油机其他常用参数3.1 最高爆发压力最高爆发压力pZ3.2 排气温度排气温度tr3.3 活塞的平均速度活塞的平均速度Cm3.4 行程缸径比行程缸径比S/D3.5 强化系数强化系数peCm3.6 压缩比压缩比3.7 重量指标重量指标3.8 外形尺寸指标外形尺寸指标表征柴油机机械负荷、热负荷、基本结构、强化程度和排放性能的参数。

17、28 NoImage3.1最高爆发压力pZ表征柴油机机械负荷的主要参数之一。 pZ 动力性、经济性 但过大尺寸，笨重； 应力 变形、疲劳裂纹可靠性、寿命； 磨损 振动噪音 pZ 取值范围： 非增压机 pZ = 68 MPa 增压低速二冲程机 pZ = 715 MPa 增压中高速机 pZ = 717 MPa 3.2 排气温度tr表征柴油机热负荷的主要参数之一。 用来衡量缸内热负荷大小和燃烧质量，一般不大于550。29 30 NoImage3.3 活塞的平均速度Cm Cm 柴油机功率Pe；但 Cm 机械负荷 、热负荷 、磨损 解决办法： 柴油机采用长行程、低转速，提高螺旋桨推进效率。 30602S

18、nSnCm31 NoImage3.4 行程缸径比行程缸径比 S/D是柴油机的主要结构参数之一。 1） S/D 曲柄半径R 柴油机宽度、高度、重量 2）S/D （一般转速） 往复惯性力 机械负荷 3） S/D 气缸散热面积 热负荷 （缸套热负荷、缸盖热负荷 ） 4） S/D ，在同等压缩比情况下，燃烧室容积Va 混合质量 5） S/D 扫气效果 ，对直流扫气影响小，对弯流扫气影响大（弯流扫气S/D 2.2） 6） S/D 曲柄半径R 曲轴刚度 7） S/D 振动。 短行程柴油机：2.5S D 长行程柴油机：2.53.0S D超长行程柴油机：3.0S D 32 3.4 行程缸径比行程缸径比 S/D3.5 强化系数 peCm 表征柴油机受热负荷和机械负荷两方面的综合强烈程度。 取值参见表1-6 33 34 NoImage3. 6压缩比 对性能影响很大的结构参数。 1）对经济性影响 经济性 （ 12影响减弱 ） ，但 Va 对雾化、燃烧不利经济性 2）对动力性及机械负荷的影响决定上限取值 压缩压力p 爆发压力pz 动力性 机械负荷、磨损 增压机进气压力 爆发压力pz 已经较高，故 ，避免pz 过高 。（随技术和材料技术的 ， 已达1619） 3）对燃烧起动性影响决定下限取值 压缩压力p 压缩终点温度 （柴油机考压燃点火） 起动性。3.7 重量指标通常以比重量来衡量。 比重量（gw）