項(xiàng)目一模塊2柴油機(jī)性能指標(biāo)計(jì)算

1、模塊模塊2 柴油機(jī)性能指標(biāo)計(jì)算柴油機(jī)性能指標(biāo)計(jì)算 本模塊應(yīng)掌握的內(nèi)容 柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及一些工作參數(shù)用來表征柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷和強(qiáng)化程度等性能。 動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可分成指示指標(biāo)和有效指標(biāo)兩類。本模塊是評(píng)價(jià)柴油機(jī)作功能力大小和經(jīng)濟(jì)性高低的計(jì)算方法。學(xué)生通過學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí): 了解柴油機(jī)性能指標(biāo)的種類， 熟練掌握柴油機(jī)性能指標(biāo)的計(jì)算方法以及影響因素， 能測(cè)量柴油機(jī)的壓縮比、最大爆發(fā)壓力和排氣溫度等有關(guān)參數(shù)。 11考綱在本模塊的考點(diǎn)4 柴油機(jī)的性能指標(biāo)柴油機(jī)的性能指標(biāo)指標(biāo)的作用：指標(biāo)的作用： 用來從總體上或從某一方面來判斷或衡量一臺(tái)柴油機(jī)的性能。 包括：包括： 動(dòng)力性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、運(yùn)轉(zhuǎn)性

2、指標(biāo)（冷起動(dòng)、加速性與加動(dòng)力性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、運(yùn)轉(zhuǎn)性指標(biāo)（冷起動(dòng)、加速性與加載性、排放性）、可靠性和耐久性指標(biāo)、重量和外形尺寸指標(biāo)載性、排放性）、可靠性和耐久性指標(biāo)、重量和外形尺寸指標(biāo)等。等。 柴油機(jī)的性能通?？梢詮膭?dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)轉(zhuǎn)性、可靠性和耐久性等方面加以衡量，通常柴油機(jī)的性能指標(biāo)主要有動(dòng)力性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。 動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可以分為指示指標(biāo)和有效指標(biāo)兩類。 1. 指示指標(biāo)（indicative)是建立在氣缸內(nèi)燃?xì)鈱?duì)活塞所做功為基礎(chǔ)的性能指標(biāo)。它只考慮缸內(nèi)燃燒不完全及傳熱方面的損失，沒有考慮運(yùn)動(dòng)副間所存在的摩擦損失，它反映了氣缸內(nèi)工作循環(huán)的完善程度。 2. 有效指標(biāo)（effect

3、ive）是建立在柴油機(jī)輸出軸上所得到的有效功為基礎(chǔ)的性能指標(biāo)。它既考慮了熱損失也考慮了一系列的機(jī)械損失。它是評(píng)定柴油機(jī)工作性能的最終指標(biāo)性能指標(biāo)的分類：性能指標(biāo)的分類：指示指標(biāo)有效指標(biāo)評(píng)價(jià)氣缸內(nèi)氣缸內(nèi)工作完善程度的指標(biāo)，考慮燃燒燃燒的完善程度和傳熱傳熱損失。在指示指標(biāo)的基礎(chǔ)上考慮了機(jī)械損失后，在柴油機(jī)輸出軸上所得到的指標(biāo)。 柴油機(jī)的工作參數(shù)表征柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷、基本結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化程度的參數(shù)。 1 1 平均指示壓力平均指示壓力p pi i 2 2 指示功率指示功率P Pi i 3 3 指示熱效率指示熱效率 i i 4 4 指示油耗率指示油耗率g gi i 注：注：1.21.2反映了柴油機(jī)動(dòng)力

4、性能的的大小反映了柴油機(jī)動(dòng)力性能的的大小 3.43.4用來衡量柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的好壞用來衡量柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的好壞一、指示指標(biāo)一、指示指標(biāo)1 平均指示壓力平均指示壓力pi 平均指示壓力pi也就是一個(gè)工作循環(huán)中每單位氣缸工作容積所作的指示功。它的數(shù)值與氣缸容積無關(guān) 用pi來比較不同類型和不同氣缸尺寸的柴油機(jī)氣缸工作容積的利用程度。 pi值大，說明其單位氣缸工作容積的作功能力大，其工作循環(huán)比較完善。在實(shí)際船舶運(yùn)營(yíng)中，pi由測(cè)取的pV示功圖經(jīng)計(jì)算得到。 10 1.1 平均指示壓力平均指示壓力pi定義：定義： 發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作循環(huán)，單位氣缸容積所做的指示功Li。 Pi=Li / Vs (N/m2或pa) 作用：

5、作用： 用來比較不同類型和不同氣缸尺寸的氣缸工作容積的做功能力；評(píng)價(jià)氣缸工作容積的利用程度。 Pi氣缸強(qiáng)化程度強(qiáng)化程度 ，工作循環(huán)完善程度工作循環(huán)完善程度。 影響影響Pi因素：因素：（循環(huán)供油量和燃燒質(zhì)量） p12（1）（2）（3）（4）。 從柴油機(jī)工作循環(huán)完善的角度進(jìn)行分析。 判斷下列哪種情形的判斷下列哪種情形的Pi高？為什么？高？為什么？ 增壓機(jī)與非增壓機(jī)；四沖程機(jī)與二沖程機(jī)；二沖程直流掃氣與彎流掃氣。 對(duì)于既定的柴油機(jī)，影響pi大小的主要因素是循環(huán)供油量或負(fù)荷大小，其次是換氣質(zhì)量、燃油霧化質(zhì)量等影響燃燒質(zhì)量的因素。 （1）循環(huán)供油量（負(fù)荷）大，pi提高。（2）過量空氣系數(shù)增大，缸內(nèi)的燃燒

6、質(zhì)量提高，pi提高，但當(dāng)過量空氣系數(shù)過 高時(shí)，由于油氣濃度過低而使pi降低。（3）工質(zhì)混合完善程度提高，pi提高。（4）換氣質(zhì)量提高，pi提高。因此一般情況下: 增壓柴油機(jī)pi高于非增壓柴油機(jī)； 四沖程機(jī)pi高于二沖程機(jī)； 直流掃氣式柴油機(jī)的pi高于彎流掃氣式柴油機(jī)。實(shí)際運(yùn)行的柴油機(jī)，當(dāng)進(jìn)、排氣閥定時(shí)或噴油定時(shí)發(fā)生變化、氣缸漏泄增加、燃油噴射壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)、燃油霧化質(zhì)量下降、增壓系統(tǒng)故障等都會(huì)引起pi降低。12 1.2 指示功率指示功率Pi 定義：定義： 發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)氣缸內(nèi)工質(zhì)推動(dòng)活塞所做的功（kW）。)(60000kWnimVpPsii對(duì)既定柴油機(jī)而言，VS和m為定值，令 C= VS m

7、 /60000， C氣缸常數(shù)。 上式可表達(dá)為：Pi = C pi n im沖程數(shù) “四”取1/2;“二”取113 1.3 指示熱效率與指示油耗率1）指示熱效率）指示熱效率i 指示功的熱當(dāng)量與相應(yīng)消耗的燃料熱當(dāng)量之比。 若測(cè)得：柴油機(jī)每小時(shí)油耗量為B ( kg / h ) ，查得：燃油的發(fā)熱值為Hu，一般取值為42700 ( kj / kg ) 。則：燃料的熱當(dāng)量為： B Hu /3600 ( kj / s ; kW ) 那么： i = 3600Pi / B Hu 2）指示油耗率）指示油耗率gi 指單位指示功率每小時(shí)燃油消耗量。 gi=B/Pi（kg /kW h） 指示熱效率與指示油耗率的關(guān)系：

8、（成反比關(guān)系） uiiHg3600二、有效指標(biāo) 1 平均指示壓力平均指示壓力pe 2 指示功率指示功率Pe 3 指示熱效率指示熱效率 e 4 指示油耗率指示油耗率ge 注：注：1.2反映了柴油機(jī)動(dòng)力性能的的大小反映了柴油機(jī)動(dòng)力性能的的大小 3.4用來衡量柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的好壞用來衡量柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的好壞機(jī)械效率m1）機(jī)械損失）機(jī)械損失 指作用在活塞上的指示功率傳遞到曲軸的（有效功率）過程中所損失的功率。機(jī)械損失的功率機(jī)械損失的功率Pm 作用在活塞上的指示功率傳遞到曲軸的過程中所損失的功率。 包括：包括： a.摩擦損失活塞環(huán)與缸套之間最大 b.拖動(dòng)損失隨轉(zhuǎn)速而加大； c.泵氣損失僅發(fā)生在非增壓四沖程機(jī)

9、。（增壓機(jī)不但不損失，反而增加規(guī)律；二沖程機(jī)無進(jìn)排氣沖程，為零）。16 機(jī)械效率m2）機(jī)械效率）機(jī)械效率m m=（ Pi - Pm ）/ Pi =1- Pm / Pi 從上式可知：Pm m機(jī)械效率機(jī)械效率m影響因素：影響因素： 負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、滑油溫度、冷卻水溫、安裝質(zhì)量等。對(duì)同一臺(tái)柴油機(jī)而言：對(duì)同一臺(tái)柴油機(jī)而言： n不變，負(fù)荷 m 。柴油機(jī)空載運(yùn)行，全部指示功消耗于摩擦損失， m = 0。 負(fù)荷不變，n 摩擦耗功 m 通常柴油機(jī)出廠時(shí)，廠家以通常柴油機(jī)出廠時(shí)，廠家以mn 的形式給出的形式給出m值值，可根據(jù)使用轉(zhuǎn)速和負(fù)荷查出m。17 有效功率Pe定義：定義： 柴油機(jī)曲軸飛輪端單位時(shí)間所輸出的功。

10、Pe= Pi Pm = Pi m 注：實(shí)際使用時(shí)， Pe 不是通過計(jì)算，而是由測(cè)功器測(cè)出。制動(dòng)功率（BHP，Brake Horse Power） 在柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上用水力測(cè)功器（電力測(cè)功器）測(cè)定輸出扭矩再計(jì)算出的功率。)(955010006021000kWnMnMMPeeee軸功率（SHP，Shaft Horse Power） 在柴油機(jī)裝船后，用扭力計(jì)測(cè)量測(cè)得。一般BHP SHP。18 有效燃油消耗率與有效效率1）有效燃油消耗率）有效燃油消耗率ge 每一千瓦有效功率每小時(shí)消耗的燃油量。 ge =B/Pe（kg/kWh） ge的意義的意義：評(píng)價(jià)不同形式柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性； 用來計(jì)算航次載油量和油艙容積

11、。 2）有效熱效率）有效熱效率e 曲軸有效功所消耗的熱量。miueeBHP36001 1 最高燃燒壓最高燃燒壓2 2 排氣溫度排氣溫度 3 3 活塞平均速度活塞平均速度 4 4 行程缸徑比行程缸徑比5 5 強(qiáng)化系數(shù)強(qiáng)化系數(shù)6 6 壓縮比壓縮比三、柴油機(jī)工作參數(shù)三、柴油機(jī)工作參數(shù)最高燃燒壓力最高燃燒壓力p pz z過大，使結(jié)構(gòu)尺寸增大，柴油機(jī)笨重過大，使結(jié)構(gòu)尺寸增大，柴油機(jī)笨重p pz z過大，使螺栓預(yù)緊力增大，過大，使螺栓預(yù)緊力增大，結(jié)合面比壓大結(jié)合面比壓大p pz z過大，破壞潤(rùn)滑油膜，磨損加劇過大，破壞潤(rùn)滑油膜，磨損加劇p pz z過大，沖擊振動(dòng)和噪聲增大過大，沖擊振動(dòng)和噪聲增大p pz

12、z大些，對(duì)提高柴油機(jī)熱效率降低油耗大些，對(duì)提高柴油機(jī)熱效率降低油耗有利有利目前柴油機(jī)pz值的數(shù)據(jù)范圍是： 非增壓柴油機(jī)：6-8MPa 增壓低速二沖程柴油機(jī)：7-18MPa 增壓中高速柴油機(jī):7-20MPa排氣溫度排氣溫度非增壓柴油機(jī)：非增壓柴油機(jī)：排氣管內(nèi)廢氣平均溫度排氣管內(nèi)廢氣平均溫度增壓柴油機(jī)：氣缸蓋排氣道增壓柴油機(jī)：氣缸蓋排氣道出口處廢氣平均溫度出口處廢氣平均溫度排氣溫度高低反映了排氣溫度高低反映了缸內(nèi)負(fù)荷的大小缸內(nèi)負(fù)荷的大小和燃燒質(zhì)量的好壞和燃燒質(zhì)量的好壞通常排氣溫度最高不超過通常排氣溫度最高不超過550,550,過高不但標(biāo)志熱負(fù)過高不但標(biāo)志熱負(fù)荷過高，還會(huì)引起經(jīng)濟(jì)性、荷過高，還會(huì)引起

13、經(jīng)濟(jì)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）影響柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷、影響柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷和壽命的重要參數(shù)熱負(fù)荷和壽命的重要參數(shù)為維持較長(zhǎng)的壽命和適當(dāng)?shù)臑榫S持較長(zhǎng)的壽命和適當(dāng)?shù)腣 Vm m值，采用長(zhǎng)行程，以降低值，采用長(zhǎng)行程，以降低n n，提高螺旋槳效率，提高螺旋槳效率行程缸徑比行程缸徑比S/D影響柴油機(jī)的尺寸和重量影響柴油機(jī)的尺寸和重量影響機(jī)械負(fù)荷；最大往復(fù)慣性力隨影響機(jī)械負(fù)荷；最大往復(fù)慣性力隨S/D增加而減小，即機(jī)械負(fù)荷減小增加而減小，即機(jī)械負(fù)荷減小影響熱負(fù)荷；影響熱負(fù)荷；S/D增大，散熱面增大，散熱面積增大，熱負(fù)荷減小積增大

14、，熱負(fù)荷減小影響混合氣形成影響混合氣形成;S/D增大，燃燒室余增大，燃燒室余隙容積增大，有利于混合氣的形成隙容積增大，有利于混合氣的形成影響掃氣效果影響掃氣效果影響曲軸剛度影響曲軸剛度影響軸系的振動(dòng)性能影響軸系的振動(dòng)性能強(qiáng)化系數(shù)強(qiáng)化系數(shù)pe*Cm表示柴油機(jī)所受表示柴油機(jī)所受熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷兩方面熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷兩方面的綜合強(qiáng)烈程度的綜合強(qiáng)烈程度高速機(jī)大于低速機(jī)；高速機(jī)大于低速機(jī)；四沖程機(jī)大于二沖程機(jī)四沖程機(jī)大于二沖程機(jī)壓縮比壓縮比影響經(jīng)濟(jì)性：影響經(jīng)濟(jì)性： 大則經(jīng)濟(jì)性好，但大則經(jīng)濟(jì)性好，但 超過超過1212后，后，經(jīng)濟(jì)性則降低，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性則降低，因?yàn)?過高則余隙容積過小過高則余隙容積過小不利于霧

15、化和混合氣的形成不利于霧化和混合氣的形成 影響機(jī)械負(fù)荷：影響機(jī)械負(fù)荷： 增加使壓縮壓力增加使壓縮壓力p pc c和和p pz z提高，提高，則機(jī)械負(fù)荷增大，磨損加劇。此為上限限制則機(jī)械負(fù)荷增大，磨損加劇。此為上限限制影響燃燒和起動(dòng)性能：影響燃燒和起動(dòng)性能： 冷車起動(dòng)時(shí)，冷車起動(dòng)時(shí)， 越小，越小，起動(dòng)和燃燒時(shí)需要的轉(zhuǎn)速就越高，此為下限起動(dòng)和燃燒時(shí)需要的轉(zhuǎn)速就越高，此為下限限制限制比重量指標(biāo)比重量指標(biāo)gw：又稱單位功率重量，是柴油機(jī)凈重與標(biāo)定功率的比值它與柴油機(jī)的類型、結(jié)構(gòu)、附件的大小有關(guān)，同時(shí)也與材料和制造技術(shù)有關(guān)，一般船用高速機(jī)為1.4-3.7；中速機(jī)為10-19；低速機(jī)為20-35單位體積功

16、率單位體積功率Pv：是柴油機(jī)標(biāo)定功率Pe與柴油機(jī)外廓體積V的比值，其中，柴油機(jī)的外廓體積是指其最大長(zhǎng)寬高尺寸的乘積27 3. 柴油機(jī)其他常用參數(shù)3.1 最高爆發(fā)壓力最高爆發(fā)壓力pZ3.2 排氣溫度排氣溫度tr3.3 活塞的平均速度活塞的平均速度Cm3.4 行程缸徑比行程缸徑比S/D3.5 強(qiáng)化系數(shù)強(qiáng)化系數(shù)peCm3.6 壓縮比壓縮比3.7 重量指標(biāo)重量指標(biāo)3.8 外形尺寸指標(biāo)外形尺寸指標(biāo)表征柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷、基本結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化程度和排放性能的參數(shù)。28 3.1最高爆發(fā)壓力pZ表征柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷的主要參數(shù)之一。 pZ 動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性 但過大尺寸，笨重； 應(yīng)力 變形、疲勞裂紋可靠性、壽命； 磨損

17、 振動(dòng)噪音 pZ 取值范圍： 非增壓機(jī) pZ = 68 MPa 增壓低速二沖程機(jī) pZ = 715 MPa 增壓中高速機(jī) pZ = 717 MPa 3.2 排氣溫度tr表征柴油機(jī)熱負(fù)荷的主要參數(shù)之一。 用來衡量缸內(nèi)熱負(fù)荷大小和燃燒質(zhì)量，一般不大于550。29 30 3.3 活塞的平均速度Cm Cm 柴油機(jī)功率Pe；但 Cm 機(jī)械負(fù)荷 、熱負(fù)荷 、磨損 解決辦法： 柴油機(jī)采用長(zhǎng)行程、低轉(zhuǎn)速，提高螺旋槳推進(jìn)效率。 30602SnSnCm31 3.4 行程缸徑比行程缸徑比 S/D是柴油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。 1） S/D 曲柄半徑R 柴油機(jī)寬度、高度、重量 2）S/D （一般轉(zhuǎn)速） 往復(fù)慣性力 機(jī)械

18、負(fù)荷 3） S/D 氣缸散熱面積 熱負(fù)荷 （缸套熱負(fù)荷、缸蓋熱負(fù)荷 ） 4） S/D ，在同等壓縮比情況下，燃燒室容積Va 混合質(zhì)量 5） S/D 掃氣效果 ，對(duì)直流掃氣影響小，對(duì)彎流掃氣影響大（彎流掃氣S/D 2.2） 6） S/D 曲柄半徑R 曲軸剛度 7） S/D 振動(dòng)。 短行程柴油機(jī)：2.5S D 長(zhǎng)行程柴油機(jī)：2.53.0S D超長(zhǎng)行程柴油機(jī)：3.0S D 32 3.4 行程缸徑比行程缸徑比 S/D3.5 強(qiáng)化系數(shù) peCm 表征柴油機(jī)受熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷兩方面的綜合強(qiáng)烈程度。 取值參見表1-6 33 34 3. 6壓縮比 對(duì)性能影響很大的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 1）對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響 經(jīng)濟(jì)性 （ 12影響減弱 ） ，但 Va 對(duì)霧化、燃燒不利經(jīng)濟(jì)性 2）對(duì)動(dòng)力性及機(jī)械負(fù)荷的影響決定上限取值 壓縮壓力p 爆發(fā)壓力pz 動(dòng)力性 機(jī)械負(fù)荷、磨損 增壓機(jī)進(jìn)氣壓力 爆發(fā)壓力pz 已經(jīng)較高，故 ，避免pz 過高 。（隨技術(shù)和材料技術(shù)的 ， 已達(dá)1619） 3）對(duì)燃燒起動(dòng)性影響決定下限取值 壓縮壓力p 壓縮終點(diǎn)溫度 （柴油機(jī)考?jí)喝键c(diǎn)火） 起動(dòng)性。3.7 重量指標(biāo)通常以比重量來衡量