现代船用柴油机特性曲线的研讨

柴油机 Diesel Engine

Vol.27(2005)No.4

性能与净化 现代船用柴油机特性曲线的研讨

陆威崙

（MTU上海办事处，上海200235）

摘 要：由于电子技术的应用，现代船用柴油机在结构、性能方面都取得了巨大的进步，这种进步在柴油机的特性曲线上得到反映。对此从特性曲线的凹凸形态、最大功率平台区、特性曲线图中工作区域的划分、与用途相匹配的特性曲线的选取、与结构相关的其他信息以及如何正确评定燃油消耗量等方面进行了研讨。并对外特性曲线的定义提出了新的见解；对带最大功率平台特性的螺旋桨设计点的选取、燃油限制功率的设定、燃油消耗量的计算等方面提出了新的看法。 关键词：船用柴油机；特性曲线；船舶设计

中图分类号：TK421 文献标识码：A 文章编号：1001－4357（2005）04－0015－06

Studies and Analysis of Performance Diagram of

Modern Marine Diesel Engines

LU Weilun

( MTU Shanghai Office, Shanghai 200235 )

Abstract: Due to application of electronic technology, modern marine diesel engines have obtained much progress on their structures and performance. And the progress must be reflected on performance diagram of the engines. Investigation has been made on concave or convex behavior of curves, lug-down range for maximum power , operating area, matching of application with proper curve, evaluation of fuel consumption and other information relevant to engine design. Moreover, a new definition on engine outer characteristic curve is submitted in the paper. Some new points of view are also brought in on choosing of propeller design point, setting of fuel stop power and calculation of fuel consumption.

Keywords: marine diesel engines; performance diagram; shipping design

1 前 言

柴油机的特性曲线是船舶设计人员选用柴油机的重要依据。柴油机有诸多特性曲线，其中对于船舶设计最为重要的是功率—转速特性 （P= f ( n )）及燃油消耗率—转速、负荷特性（g = f (n,p) ）。本文仅对此类特性曲线进行讨论。

近年来由于电子技术的应用，柴油机技术取得了革命性的进步。这种进步必然会在柴油机特性曲线上反映出来。正确、全面解读柴油机的特性曲线，了解其蕴含的各种信息，可使船舶设计人员对柴油机作出正确评价，对其在具体用途中的适用性作出正确判断，从而能为船舶选定最合适的机型。同时能在船舶设计中对柴油机性能扬长避短，最大限度地发挥其潜能，获得良好的应用效果。

本文根据实例，对现代船用柴油机特性曲线图中反映的某些重要信息进行揭示、分析，希望能对

收修改稿日期：2005－02－21

船舶设计人员及柴油机设计研究人员有所帮助。

2 功率—转速特性曲线的凹、凸形态

图1给出自然吸气式柴油机油门固定于最大位置时的功率—转速特性的一般形态。此即为‘外特性’曲线，呈‘凸’的形式。

图1 自然吸气式发动机的外特性曲线

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虽然在最低转速和最高转速之间油门保持不变，但主要由于充气系数的变化以及油泵特性的影响，转速—扭矩曲线不能成为一根水平的等扭矩直线。低转速的扭矩有所下降，有时最高转速附近的扭矩也会有所降低，成为一根凸曲线。而又由于功率—转速间存在关系：N=kMn，因此功率—转速特性也成为一根‘凸’曲线，如图1所示。

这种在整个转速范围内油门始终保持在最大位置的外特性对于现代船舶上广泛使用的废气涡轮增压柴油机却往往是无法得到的，尤其是当增压度比较高时。这是因为在低转速时废气涡轮增压器提供的空气量大大减少，因此允许的最大供油量也必须相应减少。这种减少的量通常受排烟浓度、排气温度等因素的限制随转速进行调整。在各个转速下首要的影响因素及调整的量都是不同的。这种在较低转速区供油量减少、调整后获得的功率—转速曲

线称为限制特性。于是，表示发动机最大能力的曲线就成为外特性（在高转速区）与限制特性（在低转速区）的组合。在许多情况下其低速区就成为‘凹’曲线的形式。当然，从‘凹’到‘凸’的过渡不会是突然的，在增压度较低时仍可能保持为凸的形态。图2给出了MTU公司12V183发动机三种不同增压机型的特性曲线，其中12V183AA91为自然吸气式发动机，具有典型的‘凸’特性曲线形态（图2a）；12V183TA91为废气涡轮增压、不带中冷的发动机，由于增压度较低，特性曲线仍然为凸曲线（图2b）；而12V183TE91为废气涡轮增压带中冷的发动机，其限制特性段已成明显的凹曲线（图2c）。发动机基本结构参数相同，但随着增压的采用及增压度的增高其额定功率也渐次增高。一般说来，特性曲线的凹、凸形态就初步给出了发动机增压情况的信息。

图2 MTU183柴油机特性曲线形态随增压度变化的情况

a)12V183AA91特性曲线；b）12V183TA91特性曲线；c)12V183TE91特性曲线

转速下的最大供油量是通过编程装定在发动机的 高转速区的外特性段通常通过对最大供油量

的限定措施来保证其不被逾越，这在技术上是容易的。低转速区的限制特性段，各转速下限定的供油量都小于最大供油量，且随转速而变化，在传统柴油机上对这种供油量的限定通常都难以用结构措施予以自动控制。但柴油机依螺旋桨曲线进行工作，而设计中保证了此曲线被限制特性所包容，因此在正常工作中限制特性也是不会被逾越的。但船舶运行中的有些状态会引起载荷的突然变化，稳定工况被破坏，柴油机工作点会脱离此螺旋桨曲线。有时，过大的外载荷会使柴油机有超越限制特性的可能，于是，就会出现排黑烟、排温升高等不正常现象。随着电子控制技术在现代柴油机上得到应用，这一问题得到了解决。图3给出了MTU 12V2000M90发动机的特性曲线，可以看出此特性曲线是一由几段简单直线组成的折线。这种形状完全是人为要求而通过电子编程实现的。即，其每一

电子控制单元MDEC中的。在实际使用中，不可能 超过这一供油量而出现发动机过载冒黑烟的情况。 改变程序的输入数据就可改变特性曲线的形态，并保证在使用中不会被逾越。实际上，许多采用电子控制的现代柴油机，即使在高转速区也不再采用保持最大供油量不变的外特性。而是根据各自的设计思想随转速对供油量作了更为理想的调整，这已经是轻而易举的事情。因此，外特性的定义中‘将柴 油机的油量控制在最大位置并固定’的说法[1]似可作适当修正。

以往外特性的另一种定义采用了‘把油门控制机构固定于最大供油位置’的说法。显然这种说法中‘固定’的仅仅是油门控制机构，对供油量并没有加以固定。因此它允许齿条的移动，这样就使得车用发动机的校正特性也被包含在外特性中。这也是我们长期采用的一种做法。

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但是，如上所述，对于现代带电控喷油的柴油机，它可以在整个发动机转速范围内对各转速下的供油量进行限定。如果依照‘把油门控制机构固定于最大供油位置’的条件对外特性的定义，这里尽管可以把‘最大供油位置’理解为各转速下的最大位置，这种定义的正确性却仍然不能得到保证，因为限制特性也将被外特性的定义所包容。

因此，鉴于现代发动机技术的发展，笔者建议对外特性的定义修改成如下的表述：在整个或设定的发动机转速范围内把油门固定于各转速下最大供油位置时，发动机的功能、经济性参数随转速变化的特性。

下降，但下降的程度得到减少。另一方面当设计点 设定在A点时，推进特性处于最右端位置，与柴油机特性曲线之间有最大间距，有利于船舶的加速。

图4 螺旋桨设计点的选取

如果选用的柴油机功率有足够的裕度，把设计点放置在低于最大功率3%～5%的A″点（图4），也不失为一种较好的做法。在阻力增加，工作点从A″移到A的阶段，仍能使船舶保持原定的航速。同时在新船建造时，如果由于螺旋桨加工的误差使工作点对设计点A″有所偏离时，可以不对螺旋桨进行修正而获得原定航速。

现代高性能船对发动机的功率—转速特性提出了特殊的要求，最高功率的满足常常并不标志着

图3 MTU 12V2000M90柴油机的特性曲线

该种柴油机可以被采用，还要对其整个转速区内提供功率的情况进行核查。图5给出几种船型在整个转速区功率要求的情况，可以看出，高性能船在较低转速时要求的功率也是较高的。特别，对于水翼船，为了满足其‘飞升’的要求，在中等转速时竟要求有一个功率的峰值。这个峰值能否被发动机特性曲线所包容往往是水翼船设计者特别关注的一个焦点[2]。为达到此目的，有时就不得不采用具有更大最高功率的机型，出现所谓‘大马拉小车’的情况。因此，在较低转速时仍有较大的功率，也即功率—转速特性曲线有较大的丰满度是现代高性能船对柴油机特性的一项重要要求。带最大功率平台的特性其较低转速区的曲线段左移，从而较好地满足了这项要求。

图6给出CATERPILLAR公司CAT 3412E柴油机的特性曲线，可以看出由于最高功率平台的延伸使特性曲线变得异常丰满。

研究带最高功率平台特性的燃油限制功率可以发现一个有趣的现象。察看图7所示的MTU 20V1163TB73L特性曲线发现，其功率平台的转速范围为1230～1280r/min。与通常情况不同，其燃油

3 功率—转速特性曲线的最大功率

平台区

有些船用柴油机的功率—转速特性显示，最大功率不是仅在一个转速下获得，而是在一个相当宽广的高转速区都能保持得到。如图3所示，MTU 12V2000M90柴油机在1950～2300 r/min范围内其功率—转速特性曲线上就存在一个最大功率1007 kW的平台区。继MTU公司之后，目前在若干国外柴油机公司的产品上都采用了这一做法。这一特点为船舶的设计和使用带来了很大好处，但必须首先要掌握在这种情况下如何正确选定螺旋桨的设计点。这时螺旋桨的设计点通常应定在平台的最高转速点A（图4）。船舶经过使用产生污底后，其阻力增大。根据螺旋桨理论可知，尽管螺旋桨的几何参数没有变化，但其推进特性会向左移，因此其工作点就从A点转变为A′点。由于A′在最大功率平台上，发动机仍能向船舶提供最大功率。当然，由于这时发动机转速有所降低，船舶的航速仍会有所

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限制功率并不是在最大转速处，而是在平台的最低转速端1230r/min处。这是因为要在低转速的情况下获得与高转速时相同的功率就需要有较高的循环供油量。该发动机使用的是传统的Bosch型高压泵，如果在高转速端把供油量限制了，当转速降低时就得不到所需的高供油量。因此MTU公司带Bosch泵的产品，如396、595、1163等系列柴油机都采用了这种设定，即把燃油限制功率设定在最高功率平台的低速端。

a 柴油机特性曲线 b 沿螺旋桨曲线的燃油消耗率 图7 MTU 20V1163TB73L柴油机的特性曲线

4 柴油机工作区域的划分

原则上柴油机可以在其特性曲线所包容范围

内的任何一点运行，但考虑到柴油机的可靠性和大修期要求，在某些区域的运行时间可能会受到限制，因此就出现了特性曲线包容范围内的工作区域划分问题。

图8a为DEUTZ MWM TBD620V16柴油机的一种特性曲线图。整个工作范围被分成四个区域。区域1是可以持续运行的范围；区域2是发动机的调速范围；区域3是出于船舶加速目的允许短期工作的范围；而区域4则是根据船舶的用途允许有限运行的范围，有关限制的具体规定往往在特性图中特别进行说明。在船舶的设计中务必使船舶长期运行的功率范围不越出区域1。

在图7所示的MTU20V1163TB73L特性曲线中，称为DBR（德文Drehzahl Begrenzungs Rating的缩写，它表示发动机按照各转速下限定的最大供油量工作所发出的功率曲线）的曲线表示了发动机的最大能力，其下方狭长的阴影区即为用于加速的短时工作区。

许多情况下，曲线图上没有划区的标志，这就表示发动机可在整个线图范围内、在相对意义上长期运行。所谓‘相对意义’是指这种长时性是相对的，实际上各种功率的使用还是有限制的。例如，有的柴油机对低负荷使用时间有限制，有的柴油机对最大功率的使用有限制，这些情况往往在特性曲线图上用附注或附带文件加以说明，这是每个船舶设计者需要注意的。

图5 现代高性能船的功率要求

1-三次方载荷曲线 2-滑行艇 3-双三次方曲线 4-侧壁式汽垫船 5-水翼艇

图6 CAT 3412E柴油机的特性曲线

而图3所示的MTU 12V2000M90柴油机采用了现代的电子喷射系统，其循环供油量和喷油过程都由电子控制，可以在任何转速下把喷油量控制为任何所需要的值。因此在最高转速下对供油量的限定并不会影响到在较低转速下提供更多油量的可能。所以它还是按习惯把燃油限制功率设定在最高转速处。MTU公司采用电喷的柴油机，如2000、4000、8000等系列产品都采用了这种设定方式。

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图8 DEUTZ MWM TBD620V12柴油机的特性曲线 a 用于巡逻艇的特性曲线 b 用于工作船的特性曲线

5 特性曲线所设定的用途

现代船用柴油机往往都可适合多种不同的船舶用途，但对这些不同的用途，柴油机要作不同的调整，其状态是不同的，特性曲线的形态也是不同的。因此船舶设计者必须针对自己的用途来正确选定机型和相应的特性曲线。

图8a所示的DEUTZ TBD620V16特性曲线是一种典型的适合于巡逻艇用途的曲线，图上给出了三个功率标定点：L3、L3′及L3″。L3为其100%功率的标定点（1867 kW/1750r/min），这是可以长期使用的最大功率。L3′、L3″则分别为超载10%和20%的工作点，这两种功率只能有限制地使用，具体规定为在12h内使用2h和在6h内使用0.5h，这样的规定符合大部分巡逻艇的使用工况要求。这时，发动机油门按照L3″限定，因此这一功率代码为IOFN。如果用于对超载功率没有要求的船舶（如高速客船）时，应把发动机油门限定在L3处，这时L3的功率代码则成为ICFN。

作为同一种发动机，图8b给出了不同的特性曲线，其ICFN功率为2032 kW/1800r/min，低于a曲线的最大功率。但经过比较可以发现它并不是a曲线的一部分，而是对发动机经过重新调整后获得的另一特性曲线，它适用于工作船一类的船舶。当

然，也可用于客船，因为客船的工作状况一般要比工作船轻。

MTU公司采用了不同的做法，它把各种船舶分成几个应用组。同一种柴油机，在不同应用组中由于其调整状态不同分别给予不同的机型代号。这样，根据机型代号就能知道特性曲线的适用范围。例如，根据MTU 12V2000M70和MTU 12V2000M90两种机型代号便可知道，前者适用于客船，后者适用于巡逻艇。于是，可根据具体的用途来选用相应机型的特性曲线。进一步的内容可以在公司的产品介绍中找到，在此不再赘述。

与此相类似，CATERPILLAR公司对其各系列的产品按照工况进行了不同的区分。例如，对3400系列产品，分成A-E 5个组，分别表示无限制持续、重载、最大持续、间歇及高性能5种工况。船舶设计者根据船舶的用途与相应的工况组对号入座，选定机型。

船舶设计者必须审慎地研究柴油机制造商对其产品适用场合的具体规定，特别要注意特性曲线上标定功率的使用条件。因为这种规定的使用条件往往是五花八门的，并没有统一的规定，不要把特性曲线搞错。这样才能使船舶在正确的发动机状态下运行，并能最大限度地发挥出柴油机的潜力。对此，文献[3]有详细的讨论。

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6 与发动机结构特点相关的信息

发动机的某些结构特点有时会在特性曲线图上突出地反映出来。图3所示的MTU 12V2000M90柴油机特性曲线除了给出功率-转速特性外还以等油耗线形式给出了油耗随功率、转速变化的情形。但与一般柴油机不同，它的等油耗线有两个最低油耗点。柴油机的整个工作区被分成I、II两个部分，在这两部分各有一簇等油耗线。这种情况是由MTU柴油机采用其特殊的顺序增压系统所形成的。

柴油机的左右排缸各有一个增压器。为在各种工况下都有理想的增压效果，当低于一定的负荷、转速时仅一个增压器工作。此时，通过联接两排缸的排气连通管把两排缸的废气集中引到这一增压器涡轮处，另一个增压器涡轮则关闭，从而使工作的增压器效率提高。此时发动机的工作点即处于区域I中。仅当发动机的工作点处于区域II中时，两个增压器才同时工作。而当发动机从低速向高速过渡（区域I至区域II）和从高速向低速过渡(区域II至区域I)时，即发生增压器停、开和开、停的切换。为使柴油机在切换点附近能稳定工作，将加速和减速的切换转速错开，于是在区域I和II之间就出现了一个重叠的过渡区。由于在I、II区中增压器有不同的状态，因此在每个区中都有一簇等油耗线，而每一簇等油耗线都有其自己的最低油耗区，这种特点是一般柴油机所不具有的。有时柴油机有两个以上的增压器，同时参与工作的增压器可以有更多的组合，于是在性能曲线图上就出现了更多的分区。图7a所示的MTU 20V1163TB73L特性曲线图就被分成了四个区。

来寻找各相应转速下的燃油消耗率值。在功率—转速曲线图上的等油耗曲线为这种评估提供了依据。

为此可以作出按照螺旋桨曲线变化的燃油消耗率—转速曲线，作为例子图7b给出了这样一根曲线。可以看出由于四簇等油耗线各自有自己的最低油耗点，从而在相当宽广的转速范围内拉低了这根曲线，也即，整根曲线在一个相当宽广的转速范围内都处于油耗较低的区域，这是MTU顺序增压柴油机的一个特点。因此，尽管有时它的最低油耗高于某种常规柴油机，但由于发动机的实际工作转速在一个范围内变动，其实际燃油消耗反低于该种常规发动机。对特性曲线图上给出的这种信息必须充分注意。

如果已经知道一个时间段中发动机在功率P1、P2、……Pi下工作的时间分别为T1、T2、……Ti，而在螺旋桨曲线相应功率时的燃油消耗率为g1、g2、……gi，那么，在这时间段中发动机消耗的燃油量G就应为：

G =∑Pi gi Ti

这种计算方法在许多文献中都可以找到，是以发动机工作于稳定状态为基础的。但在实际船舶运行过程中，有时发动机要脱开螺旋桨独立运行。在船舶加速、减速等时刻，发动机则会经历一个短暂的非稳定工作状态。这时其工作点会偏离螺旋桨曲线，有时甚至会达到外特性或限制特性曲线。这些情况下，其燃油消耗率都会与上述螺旋桨曲线上的值不同。对于这种偏差，作者建议引入系数k予以修正。即，上式成为：

G=k∑Pi gi Ti

k值取决于船舶的运用状况，可以通过经验确定。对于在固定航线运营的客船或货船，确定k值比较容易。而对使用随机性较大的船舶，则较为困难。事实上，这时Pi、Ti的确定都很困难，因此只能根据统计规律较为粗略地确定。

参考文献

[1] 船用柴油机设计手册(一)[M].国防工业出版社，1979 [2] 张大雄.水翼船对主机特性的要求和机型选择[J].江苏船

舶，2001.1

[3] 陆威崙.关于船用柴油机的标定功率及大修期[J].江苏船

舶，2001.6

7 燃油消耗率的评定

一般发动机性能参数表仅提供了最低油耗值或标定功率下的油耗值，有些船舶设计人员只根据这些数值来对发动机进行评估。由于船舶的工作点并不是固定的，发动机的工作转速经常变化，所以这种评估常常是不很准确的。

正确的做法是根据船舶设计工作点所座落的发动机工作点位置、船舶经常使用的发动机工作区域，甚至在可能的情况下要根据发动机在各转速下工作的时间比例来进行综合评估。这时，就需要知道发动机在各种转速下的燃油消耗率。由于发动机是按照螺旋桨曲线工作的，因此必须根据这一曲线