搞深搞透:7000字讀懂什么是柴油機的MCR、OR、CSR...速度特性、負荷特性...

海豐輪 2021-12-15

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一．柴油機工況的變化

柴油機由于用途和使用條件不同，它在實際運轉中的工作狀況的變化可以分成以下三類：

1．帶動發電機的柴油機：

其工作特點是要求轉速恒定，以保持供電電壓和頻率穩定。在這個恒定的轉速下，功率可在零到最大值之間變化，其大小取決于用電情況。

2．帶動螺旋槳的柴油機：

柴油機轉速與螺旋槳轉速一致（或是倍乘關系），穩定運轉時，柴油機發出功率與螺旋槳吸收功率相等。因此，柴油機的工況變化規律取決于螺旋槳特性。

3．車用柴油機：

柴油機的轉速和扭矩之間沒有一定的關系。轉速取決于車速，扭矩取決于裝載量、路面阻力。

二．柴油機特性的分類

我們已知表征柴油機性能的主要指標有：平均有效壓力、有效扭矩、有效功率、有效耗油率、平均指示壓力等。運轉中的這些柴油機性能指標是隨著柴油機運轉工況的不同而變化的。柴油機的主要性能指標和工作參數（如排氣溫度、最高爆發壓力、增壓壓力等）隨運轉工況變化的規律稱為柴油機的特性。如果把這種變化規律在坐標軸上用曲線的形式表示出來，這種曲線即稱為柴油機的特性曲線。

有了特性曲線，掌握了柴油機的特性，就可以合理利用柴油機的一系列特性，知道我們在使用柴油機時如何提高其可靠性、使用壽命，以及如何節油。如在各種使用條件下決定其極限允許使用范圍，選擇其最佳工作點，檢查其工作質量（性能指標、工作參數）是否良好等。

對于特定的柴油機在運轉中可能使柴油機有效功率發生變化的參數只有平均有效壓力和轉速，它們是兩個可以互相獨立的基本參數。由此，根據平均有效壓力和轉速的變化情況可將柴油機的特性進行分類。

1．速度特性：

當平均有效壓力不變（測定時是將油量調節機構固定，平均有效壓力在實際上是略有變化的），柴油機的性能參數隨轉速變化的關系。

2．負荷特性：

當轉速不變，定于某一設定值時，柴油機的性能參數隨負荷（平均有效壓力）變化的關系。柴油機的負荷通常是指柴油機阻力矩大小，由于平均有效壓力正比于阻力矩，常用平均有效壓力來表示負荷。

3．推進特性：

柴油機帶動螺旋槳，按照螺旋槳特性工作時（平均有效壓力、轉速不再是相互獨立的，而是按螺旋槳特性相互對應的），其性能參數隨轉速或平均有效壓力變化的關系。

4.調速特性：

與上述各種柴油機特性不同，它一般并不表明柴油機內部的工作過程有關參數的變化情況，而只標出有效扭矩、平均有效壓力、有效功率與轉速的關系，它主要取決于調速器的工作性能。

速度特性

測定速度特性時，將噴油泵油量調節桿固定，然后改變柴油機外負荷以改變其轉速，使柴油機在最高允許轉速和最低穩定轉速之間各不同的轉速下穩定運轉，并測量各轉速下的功率、扭矩（或平均有效壓力）、有效耗油率和排氣溫度等。將測得的數據整理在以轉速為橫坐標的圖上，即得到柴油機的速度特性曲線。

***由于噴油泵油量調節機構固定的位置不同，即泵的有效行程不同，每循環的供油量不同，所測得的特性曲線也不同。如果把油量調節機構固定在標定位置（相當于柴油機在標定轉速下發出標定功率的供油量）時，所測得的柴油機特性稱為全負荷速度特性（習慣上亦稱為外特性）。當油量調節機構固定在比標定位置小的位置時所測得的柴油機特性稱為部分負荷速度特性（亦稱部分特性）。

***我國船舶建造規范規定，柴油機超負荷功率為標定功率的110%（作為船舶主機此時的轉速是103%標定轉速）。柴油機必須允許在超負荷功率下至少連續運轉1小時。此時，油量調節機構所處的位置即為實際運轉中允許達到的極限位置。在柴油機油量調節機構中裝設有限制塊，以防止油量調節機構在運轉中超過這個極限位置。當油量調節機構固定在這一極限位置時所測得的速度特性稱為超負荷速度特性。在這種情況下，由于噴油泵的調節機構在最大供油位置上，所以汽缸內的溫度和壓力都很高，致使機件受到很大的熱負荷和機械負荷，工作條件惡劣。因此，按此特性工作的時間是有限制的。

***實際上油量調節機構在固定時的平均有效壓力或有效扭矩并不是定值，這是因為：

1．由于節流、泄漏，噴油泵每循環的噴油量隨轉速的變化略有變化。

2．增壓柴油機指示效率（主要取決于過量空氣系數）隨轉速增加會有所增加。

3．增壓柴油機的機械效率隨轉速增加稍有降低。但對低速柴油機（主機）來說，因其轉速低，變化范圍小，噴油泵每循環噴油量隨轉速的變化很小；其過量空氣系數很大，它的變化對熱效率影響較小；其轉速變化范圍很小，機械效率隨轉速變化可以忽略。因此，可以認為：當柴油機油量調節機構位置一定時，轉速變化其平均有效壓力（或有效扭矩）不變。有效功率、平均有效壓力或有效扭矩與轉速呈線性關系。

推進特性：柴油機的推進特性是柴油機按照螺旋槳特性工作的特性。

一．螺旋槳特性簡介

由試驗可知推力系數和扭矩系數都是隨螺旋槳的進程比而變化的。進程比表示螺旋槳每轉一轉實際產生的位移與直徑之比。進程比是研究螺旋槳水動力性能的一個極重要的參數。進程比增加時，推力系數和扭矩系數則減小。當進程比一定時（即螺旋槳前進速度與螺旋槳轉速之比的比值一定時），推力系數和扭矩系數四一定的。當進程比減小時，推力系數和扭矩系數都增加，即推力和扭矩都增加。當進程比為零時，推力系數和扭矩系數最大，此時螺旋槳的推力和扭矩也就達到最大值，這相當于系泊試驗或船舶剛起航時（螺旋槳速度等于零）的情況。

***螺旋槳效率為螺旋槳輸出功率（螺旋槳的推力X螺旋槳的前進速度）與它吸收主機功率（螺旋槳的阻力矩X回轉角速度）之比。即：ηp（螺旋槳效率）=FpVp/（Mp2πn）

***式中Fp為螺旋槳的推力，Vp為螺旋槳的前進速度；Mp為扭矩，

商船，特別是貨船和油船，正常定速航行時，船速與螺旋槳轉速成正比，即螺旋槳的前進速度與螺旋槳的轉速的比值比變。對于特定的螺旋槳，直徑是一個常數，，所以進程比可視為常數。海水的密度變化很小，也可以認為是常數。

***論證：螺旋槳的推力和扭矩與其轉速的平方成正比；螺旋槳所需的功率與其轉速的三次方成正比。

以上是假定船舶在定速航行，進程比為定值的情況下得出的規律。但是在各種變工況下，進程比是變化的。當進程比變小時，扭矩系數增大，同一轉速下螺旋槳所需扭矩、功率增加。因此，進程比越小，螺旋槳的特性曲線就越陡。

螺旋槳特性是對幾何形狀一定的螺旋槳而言，如果幾何形狀不同，則螺旋槳特性曲線不同。

***當進程比不變時（躥速一定），螺距比（螺距與直徑之比）大的螺旋槳的推力系數、扭矩系數較大，推力、扭矩較大，而螺旋槳的轉速也就較大。螺旋槳的特性曲線較陡。

二．柴油機的推進特性

因為螺旋槳所需的功率與轉速的三次方成正比，所以柴油機帶動螺旋槳工作時，根據柴油機功率與螺旋槳所需功率相等的原則，柴油機功率與轉速的關系也是三次方的關系。即已知柴油機的一個工況，就可計算出其它工況下的功率與轉速的對應關系。

主機在各種轉速下對應的功率百分數表

轉速%	63	79．5	91	96．5	100	103
功率%	25	50	75	90	100	110

由于柴油機的功率與轉速的三次方成正比，轉速超過柴油機標定值的3%時，功率就達到標定值的110%，達到了柴油機的超負荷功率。繼續提高轉速是不允許的。超速運行會帶來嚴重超負荷的后果。另一方面，扎為標定值63%時，功率就已降至標定值的25%。轉速較低時，柴油機發出的功率即大為減少，每循環噴油量很小，使得噴油壓力降低，霧化變差，燃燒不良，各缸噴油量不均勻。

柴油機技術資料中提供有柴油機在試驗臺上按標準的外界條件（如規定的大氣壓力、溫度、濕度、燃油的低熱值等）工作時測得的推進特性。其中的最高爆發壓力、壓縮終點壓力、渦輪前后排氣溫度、渦輪轉速、有效耗油率等是在試驗臺上測得的。

柴油機的推進特性可用來評定柴油機的性能。在實船試航時測得的推進特性曲線可供運行管理時參考。

***柴油機的有效耗油率在低負荷、低轉速工況時明顯增大。由此可知，主機功率太大（超過所需航速的功率太多）的船舶，采用減速航行節油措施，由于主機工作在部分負荷工況，耗油率較功率不大的船舶高。

負荷特性

驅動發電機的船舶輔柴油機在負荷變化時，轉速基本保持不變。當前，船舶主柴油機均裝有全制式（轉速在運行范圍內可選定任意值）的調速器。在負荷變化時（螺旋槳的進程比變化）時，轉速也基本上保持不變。因此，它們均可看成按負荷特性工作。

技術資料提供的負荷特性通常是在標定轉速下測取的。如有必要也提供若干個不同轉速下的負荷特性。

測取負荷特性時，在改變外負荷的同時改變每循環的供油量，使轉速保持不變。通常以平均有效壓力為橫坐標，縱坐標則是各性能參數，如有效耗油率、排氣溫度、最高爆發壓力、增壓器轉速、增壓壓力、渦輪進口處排氣溫度等。由于轉速是常數，這時有效功率與平均有效壓力成正比。

因柴油機有效耗油率在低負荷下顯著增大。因此，船舶發電柴油機在一臺未滿負荷的情況下就不要起用第二臺（備車和機動操縱時除外）柴油機，否則即使不考慮磨損，只看燃油消耗這一項也是不經濟的。

調速特性

柴油機的調速特性曲線是指調速器的轉速設定機構固定在某一位置時在調速器起作用（調速器能依據負荷大小自動地改變供油量）的情況下，柴油機的功率、扭矩與轉速之間的關系曲線。調速器的特性與柴油機的其它特性不同，它并不表明柴油機內部的工作過程，它與調速器的工作性能直接有關。

當（全制式）調速器的轉速設定機構固定于某一位置，如標定位置時，柴油機在全負荷下具有穩定轉速。如果通過測功器使柴油機的負荷逐漸減小，調速器就會自動地把供油量減小，扭矩（平均有效壓力）逐漸減小而轉速稍有增加。當負荷減到零時，柴油機的穩定轉速則增大到最高轉速。當調速器轉速設定機構固定在另一位置時，上述參數將另有變化。

柴油機的允許使用范圍

一．柴油機的功率標定法

柴油機能發出的功率是有極限的，客觀上受到許多因素的限制。如最高爆發壓力、平均有效壓力、曲軸扭矩、燃燒過量空氣系數、排氣溫度、轉速等。也就是說，柴油機所發出的功率有個客觀極限。但是，一臺柴油機的功率究竟標定多大才合適，卻是根據柴油機的特性、使用特點以及壽命和可靠性等要求來確定的。

1．我國柴油機功率的標定：

國家標準規定了內燃機標定功率分為15分鐘功率、1小時功率、12小時功率、持續功率四級。

極限功率為柴油機可能發出的最大功率，這時的機械負荷、熱負荷等限制因素達到極限，促進可能損壞，不能可靠工作。依次，柴油機即使是出廠試驗時，有不允許達到此極限

15分鐘功率：

柴油機允許連續運行15分鐘的最大有效功率。商船不允許使用這么大的功率。可作為軍艦和軍用車輛的追擊功率。

1小時功率：

柴油機允許連續運行1消逝的最大有效功率。可以作為商船的超負荷功率，是最大持續功率的110%。1小時功率還可作為拖拉機、工程機械的最大使用功率。

12小時功率：

柴油機允許連續運行12小時的最大有效功率。可以作為拖拉機、工程機械的正常使用功率。

持續功率：

柴油機允許長期連續運行的最大有效功率。船舶柴油機就用它來標定功率，并同時標定其相應轉速。我們通常所說的標定功率就是指這種功率。標定工況就是指這種功率及其相應轉速。

2．國外船用柴油機常用的幾種功率（工況）的名稱：

MCR：最大持續功率，同時標有相應的轉速。原含義相當于國家標準的持續功率標定工況，是設計選配螺旋槳的依據。近年螺旋槳與柴油機慣犯采用“減功率匹配”，其含義有所引伸。

OR：超負荷功率工況。其功率為MCR功率的110%。

CSR：持續使用功率工況，考慮到船舶遇到風浪、污底等情況，為了使柴油機壽命、可靠性、效率等性能較好，運轉更經濟，CSR負荷定的比MCR小，留有一定的功率儲備。CSR是船舶計劃船期、油耗的主要依據。

ERP：按推進特性的經濟功率工況。

ERG：按負荷特性的經濟功率工況。

二．柴油機的持續運轉范圍

為了使主機經濟、可靠地工作并具有一定的壽命，應對它工作時可能達到的功率（負荷）和轉速做適當的限制。其中應特別注意允許持續工作的范圍。

1．功率所受的限制：

最大功率限制：柴油機在各種轉速下允許達到的最大功率（負荷），在不同的條件下可分別由超負荷速度特性、全負荷速度特性以及限制特性來限制。

柴油機的限制特性：柴油機的限制特性是用來限制柴油機在各種轉速下持續運轉的功率的。有效扭矩的大小可以代表柴油機機械負荷的大小。有效扭矩大說明曲軸工作時的扭矩（扭應力）大，說明平均有效壓力（有關零件機械應力）大，也說明有關軸承的負荷大。所以，等扭矩限制就是進行機械負荷限制。這樣，就可以避免柴油機因機械負荷過大而損壞。

柴油機的全負荷速度特性也有上述對功率的限制。但是，對有些機型仍不夠嚴格，當柴油機按全負荷速度特性工作時不能保證它在各種下都不超負荷。某些柴油機的平均有效壓力以及有效扭矩在轉速降低時將有所增大，這就可能使柴油機的機械負荷在較低轉速運轉時超出允許值。

等過量空氣系數的限制：這種限制即要求柴油機在各種轉速下長期運轉時過量空氣系數都不小于標定工況下的過量空氣系數。對一臺技術狀態良好的柴油機，工作循環的平均溫度以及排氣溫度主要取決于長期運轉時的過量空氣系數。而這些溫度與柴油機的熱負荷又有直接的關系。因此，如果柴油機的過量空氣系數在各種轉速下都能保持不小于標定工況下的過量空氣系數值。那么它的熱負荷在各種轉速下也就不會超出標定工況下的水平。所以，等過量空氣系數限制就是進行熱負荷限制。這樣，就可以避免柴油機因熱負荷過大而發生故障。熱負荷限制對增壓柴油機很重要，增壓程度較高的柴油機都有此限制。這是因為如果僅用全負荷速度特性做限制，當柴油機轉速降低時，盡管每循環噴油量不變，但單位時間汽缸排氣次數減少，渦輪獲得能量減少，增壓壓力降低，過量空氣系數減小，循環平均溫度升高，熱負荷增大，導致熱負荷在低轉速運轉時超出允許值。

最小功率限制：

柴油機在各種轉速下持續運轉時的最小功率也有限制。因為柴油機在過小的負荷下工作時每循環供油量過少，各缸供油量在此情況下將變得很不均勻，結果導致各缸功率顯著不均，有的汽缸甚至不噴油或不發火，因而使柴油機的運轉不穩定。柴油機在各種轉速下的最小功率（負荷）由最小負荷速度特性來限制。

2．轉速所受的限制：

最高轉速限制：

柴油機在各種負荷下持續運轉允許達到的最高轉速是有限制的。如柴油機的轉速超過限制值就不能可靠地工作。具體限制值各機型不一定相同，有的以標定轉速為限，有的以103%標定轉速為限。在裝有調速器的情況下，由限制轉速相應的調速特性來限制。如果在標定功率下，調速器上柴油機在標定轉速下穩定運轉，則當負荷變小時，柴油機將在調速特性所確定的轉速（比標定轉速只有小量增加）下穩定運轉。

最低轉速限制：

柴油機在各種負荷下持續運轉允許的最低轉速也有限制。因為柴油機在過低的轉速下運轉時，燃油的霧化和混合質量將顯著惡化，各種正時也變得不合適，因此導致柴油機工作不正常。這時柴油機的工作也將變得不穩定。

三．船舶主柴油機現行功率標定法及優化調整

1．柴油機與定螺距螺旋槳的匹配：

（1）匹配的基本原則

為了使柴油機能充分發揮作用，同時得到高的經濟性、可靠性和較長的壽命，對一臺指定的柴油機必須選配一個合適的螺旋槳，使柴油機的功率得到充分的利用。而且使柴油機的功率在全部運轉轉速范圍內都不超出允許的范圍。

選配螺旋槳時，原則上是柴油機在標定轉速下使設計選配的螺旋槳吸收的功率恰好等于柴油機的標定功率。螺旋槳與柴油機采取這樣的配合能作到：在標定工況下使柴油機的功率得到充分的利用，而且使柴油機的功率在全部運轉轉速范圍內都不超出允許的范圍。

如果螺旋槳配的過重，要么造成柴油機超負荷（這是不允許的），要么柴油機的功率不足，柴油機的能力無法得到充分利用。

如果螺旋槳配的過輕，要么造成柴油機超轉速（這是不允許的），要么柴油機功率發不足，柴油機的能力也無法得到充分的利用。

以上只是柴油機與螺旋槳匹配的基本原則，實際上在柴油機與螺旋槳配合時要留有一定的轉速或功率儲備。這是因為在實際運轉時，有些因素如船體污底、海面風浪會變化等，會導致螺旋槳過重。對于現代船用柴油機，由于增壓度提高，超負荷能力下降，這種考慮尤為重要。

2．柴油機與螺旋槳的減功率匹配及船用柴油機新的功率標定法：

為了擴大使用范圍及滿足用戶對節油的要求，給配置螺旋槳提供較大靈活性，近年來船用柴油機功率的標定方法多次更新。這是因為現代柴油機普遍使用的是減功率法。

（1）柴油機與螺旋槳的減功率匹配：

船東與船廠根據船舶特性及螺旋槳特性選定柴油機型號及其與螺旋槳的選配工況點（又稱合同最大持續工況點、CMCR點，選配工況點的功率和轉速往往低于柴油機最大標定功率和轉速）。然后調整柴油機和增壓器，使選配點的最大爆發壓力保持在100%的設計值，并使選配點的工作參數優化，就可獲得更好的經濟指標。這就是減功率法（Derating）。為了避免混淆不清，我們將某種機型可能輸出的最大持續功率及其相應的轉速工況點稱為額定工況點MCR點。

減功率法大致可分為四種類型：

1）按推進特性減功率。由于平均有效壓力降低，最高爆發壓力與平均有效壓力的比值變大，使燃燒最佳，就使有效耗油率降低，經濟性提高。必要時（如油價較低時）可不必更換螺旋槳重新調整柴油機、增壓器，使柴油機能發出的功率提高到額定MCR的值，最充分地發揮柴油機的動力性。

2）降低轉速減功率。適用于可配置大直徑、低轉速螺旋槳的船舶（如油船）。由于配置低轉速、螺旋槳效率高的螺旋槳，使柴油機動力裝置總的經濟指標提高。但是，為了有足夠的過量空氣系數，應重新選配合適的增壓器。

3）按負荷特性減功率，適用與螺旋槳直徑受到限制或配有可調螺距螺旋槳的船舶。這種方法著眼于降低平均有效壓力，提高最高爆發壓力與平均有效壓力的比值，來降低柴油機的燃油消耗率。

4）選配轉速較低、效率較高的螺旋槳；柴油機的平均有效壓力降低，最高爆發壓力和平均有效壓力的比值提高，降低柴油機本身的燃油消耗率。這樣可使總的經濟指標最好。

減功率法（不管是降低平均有效壓力，還是降低轉速）能提高經濟性，但實質上是犧牲柴油機的動力性換來的。也就是提高造價來換取燃油費用的降低。例如最佳轉速的選取，就得考慮燃油費用與投資費用的平衡。選取轉速越低，螺旋槳效率越高，燃油消耗率就越低。然而建造成本也就越高。因此，最佳轉速不一定就是柴油機的最低轉速，而可能要高一些。

（3）柴油機在減功率選配點的優化調整：

柴油機與螺旋槳匹配時，如果選配點的功率低于額定功率，就必須在選配點優化柴油機，進行一系列的調整，該調整一般包括：

1）噴油正時；

2）噴油裝置規格；

3）包括增壓壓力在內的增壓器優化；

4）排氣閥正時；

5）壓縮比；

6）掃氣正時；

7）個零部件冷卻液流動情況及泵、冷卻器的容量等也需做相應的調整更換。

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