67
7. CHARAKTERYSTYKI SILNIKÓW OKR
TOWYCH
Charakterystykę silnika obrazuje wykreślne lub analityczne przedstawienie jednego lub kilku wskaz
ników
pracy silnika w funkcji innego wskaz
nika, wp!ywającego na pracę silnika. Charakterystyki s!użą do oceny
wybranych w!asności silnika w ca!ym zakresie jego pracy. Ze względu na zmienną niezależną charakterystyki
dzieli siÄ™ na:
- prędkościowe, w funkcji prędkości obrotowej silnika,
- obciążeniowe, w funkcji obciążenia silnika,
- regulacyjne, w funkcji wielkości regulacyjnej silnika,
- ogólne, zwane również uniwersalnymi.
7.1. Charakterystyki prędkościowe
W grupie charakterystyk prędkościowych wyróżnia się charakterystyki wykonane dla sta!ej nastawy paliwa
oraz dla nastawy zmiennej. Wykonane dla sta!ej nastawy paliwa (ht = const) nazywane są również
charakterystykami zewnętrznymi, natomiast dla zmiennej (ht = var) - charakterystykami śrubowymi. W
pierwszym wypadku dawka paliwa na cykl pozostaje sta!a (gc = const), natomiast w drugim (gc = var) dobierana
jest tak, aby moc rozwijana przez silnik by!a równa mocy zapotrzebowanej przez śrubę okrętową. Pod względem
sposobu regulacji uk!adów zasilających silnik rozróżnia się charakterystyki:
- mocy maksymalnej,
- granicy dymienia,
- eksploatacyjne i biegu ja!owego.
Ten typ charakterystyk najczęściej przedstawiany jest w postaci wykresów funkcji:
N = f(n) (7.1)
Uzupe!niane są one na ogó! wykresami takich funkcji, jak:
Mo = f(n); pe = f(n); ge = f(n); G,= f(n)
gdzie:
Mo - moment obrotowy silnika,
pe - średnie ciśnienie użyteczne,
ge i Ge - jednostkowe i godzinowe zużycie paliwa.
Charakterystyka mocy maksymalnej, nazywana również absolutną lub bezwzględną, jest określona
zależnością największej osiągalnej mocy użytecznej Ne = f(n) przy wydatku paliwa odpowiadającym tej mocy
oraz optymalnej regulacji urządzeń zasilających silnik dla poszczególnych prędkości obrotowych silnika. Jest
ona pojęciem teoretycznym, ponieważ praktycznie nie istnieje możliwość optymalnej regulacji urządzeń
zasilających dla wszystkich prędkości obrotowych, szczególnie zaś okresów rozrządu wymiany !adunku
(otwarcie i zamknięcie zaworów) i uk!adu wtryskowego paliwa (parametry wtrysku).
Charakterystyka dymienia jest to zależność Ne = f(nn) przy sta!ej nastawie dawki paliwa odpowiadającej
umownym objawom dymienia silnika (widoczne zanieczyszczenie spalin sadzami). Ogranicza ona pole
rzeczywistych, możliwych do realizacji stanów silnika o określonym stopniu zadymienia spalin. Sporządza sieją
w ten sposób, że dla różnych prędkości obrotowych silnika wyznacza się moc, przy której w spalinach zaczynają
się pojawiać sadze.
Charakterystyki eksploatacyjne leżą poniżej krzywej dymienia i przedstawiają zależność trwa!ej mocy
użytecznej silnika Ne = f(n) przy ograniczonej nastawie paliwa i optymalnej regulacji dokonanej dla mocy
znamionowej. CharakterystykÄ™ mocy znamionowej wykonuje siÄ™ przy sta!ej nastawie paliwa odpowiadajÄ…cej
mocy znamionowej, przy znamionowej prędkości obrotowej.
Do analizy charakterystyk prędkościowych wykorzystuje się na- j stepujące zależności:
Ne = Cpe n (7.2)
Ne = C1 Mo n (7.3)
Mo = C2 pe (7.4)
oraz
·i
p = C3 ·v·m (7.5)

68
przy czym
Wd po
C3 = (7.6)
RLo To
gdzie:
C, C1, C2, C3 - wielkości sta!e dla danego silnika,
·v - wspó!czynnik nape!nienia,
·m - sprawność mechaniczna silnika,
R - sta!a gazowa,
Lo - teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania,
po i To - ciśnienie i temperatura otoczenia.
Z wyrażenia (7.5) wynika, ze ciÅ›nienie (pe) osiÄ…ga maksymalnÄ… wartość dla maksymalnych wartoÅ›ci (·v), (·i/)
oraz (·m). Sprawność mechaniczna również osiÄ…ga wartość maksymalnÄ…, gdy wskaz
niki (·v) i (·i/) uzyskajÄ…
wartości maksymalne. Charakter przebiegu tych krzywych przedstawiono na rysunku 4.2.
Wspó!czynnik nape!nienia (·v) maleje wraz ze wzrostem prÄ™dkoÅ›ci obrotowej silnika, co wynika ze
wzrostu oporów przep!ywu. Stąd należy również oczekiwać zmiany sprawności mechanicznej, zgodnie z
wyrażeniem:
pt
·m = 1- (7.7)
·i
C3·v
Ä„
gdzie:
pt - średnie ciśnienie tarcia.
Wzrostowi prędkości obrotowej silnika towarzyszy powiększanie się średniego ciśnienia tarcia (pt) i
zmniejszanie wartości wyrażenia:
·i
·v

Zmiany wymienionych wskaz
ników w funkcji prędkości obrotowej przedstawiono na rysunku 7.1, z
którego wynika, że na przebieg tych charakterystyk ma wp!yw do!adowanie silnika.
Rys. 7.1. Zmiany parametrów silnika na charakterystyce prędkościowej (dla sta!ej nastawy paliwa): a) silnik bez
do!adowania, b) silnik z do!adowaniem [7]
Zmianie ulega przebieg takich wskaz
ników, jak średnie ciśnienie efektywne (pe) i wspó!czynnik nadmiaru
powietrza (). W silniku be2 do!adowania średnie ciśnienie (pe) osiąga wartość maksymalną dli niższych
prędkości obrotowych. Zmiany wspó!czynnika nadmiaru powietrza spowodowane są tym, że dla mniejszych
prędkości obrotowych zmniejsza się ilość gazów spalinowych doprowadzonych do turbiny, prowadząc do
zmniejszenia prędkości obrotowej sprężarki i ciśnienia do!adowania oraz do zmniejszenia z kolei gęstości i
wspó!czynnika nadmiaru powietrza.
Charakterystyki prędkościowe przedstawia się na ogó! w postaci pęku krzywych dla różnych wskaz
ników
obciążenia, co zobrazowano na rysunku 7.2.
69
Rys. 7.2. Charakterystyki prędkościowe dla sta!ej nastawy paliwa
Odmienny charakter mają charakterystyki prędkościowe dla zmiennej nastawy paliwa (HT = var), do
których należą charakterystyki śrubowe. W takiej sytuacji stany robocze silnika określają punkty przecięcia
charakterystyki odbiornika z charakterystykami prędkościowymi silnika (rys. 7.3). Na krzywej śrubowej praca
silnika może się odbywać przy zmieniającej się dawce paliwa na cykl, zgodnie z punktami przecięcia krzywej
śrubowej z charakterystykami prędkościowymi silnika.
Dla bezpośredniego napędu śruby okrętowej prędkość obrotowa silnika jest równa prędkości obrotowej
śruby. Oznacza to, że moment obrotowy silnika (Mo) jest równy momentowi obrotowemu (Ms) śruby
napędowej (pomijając straty transmisji mocy), a moc rozwijana przez silnik (Ne) - mocy pobieranej przez śrubę
(Ns):
Mo = Ms = Kn2 (7.8)
Ne = Ns (7.9)
gdzie:
K - wspó!czynnik proporcjonalności zależny od wymiarów geometrycznych śruby H/D,
H - skok śruby,
D - średnica śruby.
Uwzględniając wyrażenie (7.3) można napisać
Ne = C4 n3 (7.10)
Rys. 7.3. Charakterystyki prędkościowe silnika oraz charakterystyka śrubowa
Eksploatacyjne wartości mocy, prędkości obrotowej i momentu można wyznaczyć z zależności:
3
ëÅ‚ öÅ‚
n1
ìÅ‚ ÷Å‚
Ne1 = Ne2 ìÅ‚ ÷Å‚ (7.11)
nn
íÅ‚ Å‚Å‚
Ne1
3
n1 = nn (7.12)
Nen
2
ëÅ‚ öÅ‚
n1
ìÅ‚ ÷Å‚
M = M (7.13)
s1 sn
ìÅ‚ ÷Å‚
nn
íÅ‚ Å‚Å‚
70
Z wyrażeń (7.11), (7.12) i (7.13) wynikają istotne wnioski dotyczące pracy silnika na charakterystyce
śrubowej w zakresie ma!ych prędkości obrotowych. Dla prędkości obrotowej n1 = 20% w obciążenie silnika
mocÄ… wynosi Ne1 = 1,56% Nen mocy znamionowej, co faktycznie odpowiada pracy silnika przy biegu luzem. W
takim zakresie d!uższa praca silnika jest utrudniona z uwagi na przebieg procesu roboczego w tych warunkach.
Przyk!ad ogólny charakterystyki śrubowej silnika okrętowego pokazano na rysunku 7.4.
Rys. 7.4. Charakterystyka śrubowa silnika okrętowego
Do grupy charakterystyk eksploatacyjnych zalicza się również charakterystyki regulatorowe, które
przedstawiają zależność podstawowych wskaz
ników pracy silnika od prędkości obrotowej i ustawienia
regulatora obrotów. Charakter tych krzywych zależy od rodzaju regulatora obrotów zainstalowanego na silniku.
Wyróżnia się przy tym charakterystyki eksploatacyjne silnika pracującego z regulatorem: jednozakresowym,
dwuzakresowym i wielozakresowym. Wykresy tych charakterystyk przedstawiono na rysunku 7.5.
Rys. 7.5. Charakterystyki eksploatacyjne silnika z regulatorem: a) jednozakresowym, b) dwuzakresowym, c)
wielozakresowym
Regulatory jednozakresowe, zwane również granicznymi, stosuje się do ograniczenia prędkości obrotowej
silnika podczas nag!ego zmniejszenia obciążenia w celu zapobieżenia przeciążaniu si!ami bez w!adności pod
wp!ywem nadmiernej prędkości obrotowej. Regulatory tego typu pracuj ą zazwyczaj w przedziale prędkości (0,9
do 1,1)nn.
Regulatory dwuzakresowe regulują wielkość dawki paliwa w zakresie najmniejszej prędkości obrotowej
oraz w przedziale od znamionowej do największej dopuszczalnej prędkości obrotowej. Poza tymi przedzia!ami
wielkość dawki paliwa ustalana jest przez operatora.
Obecnie stosowane na statkach regulatory wielozakresowe s!użą do automatycznej regulacji silnika w
ca!ym zakresie stanów roboczych. Odga!ęzienia charakterystyki stanowią krzywe mocy częściowych, uzyskane
odpowiednio do nastawy napięcia sprężyny regulatora.