柴油机的工作循环和主要性能指标
柴油机是将燃油的化学能转变为热能并将热能转变为机械能的动力机械，而这种能量的转换是在柴油机的每一个工作循环中完成的。因此，工作循环完成的情况将直接影响到能量转换的完善程度，而柴油机的主要性能指标则是表示工作循环完成情况的参数。对工作循环及工作过程进行分析和研究，可以了解影响柴油机性能的主要因素，掌握提高其性能的基本途径和具体措施。
柴油机的工作循环
一．柴油机的两种示功图
研究柴油机汽缸内的工作过程，首先要用仪表测量出能正确反映汽缸内实际情况的实验数据。最常见的是测量汽缸的压力。因为容易测量且测得工质压力后，利用热力学的基本公式，还能求出工质温度、内能、计算焓、功和热量等热力参数，这样就可以去分析各循环了。 ***表示奇怪内工质压力变化的图形称为示功图。其中包括p-V 示功图和p-∮示功图两种形式，现结合柴油机的实际情况加以说明。
1．p-V 示功图：
汽缸内的工质压力随汽缸容积变化的图形叫p-V 示功图，又称压力-容积图，也可看做压力与活塞位置的函数关系。该图上曲线保围的面积相当于工质在一个循环内对活塞作的功，因此，习惯上称为示功图。
2．p-∮示功图：
汽缸内的工质压力随曲柄转角变化的图形叫p-∮示功图。P-V 示功图不适于研究燃烧过程，因为燃烧过程发生在上止点附近，此时活塞运动速度（相当于汽缸容积变化速率）很慢，难以从p-V 图上看出这一区间内压力变化的特点。瑞以曲柄转角为横坐标就清楚了，这等于把上止点附近的压力变化图形展开，故又称展开示功图，在柴油机的性能研究中得到广泛的应用。
二．柴油机的理想循环
在柴油机中，为了连续实现燃料化学能——热能——机械能的转换，需不断重复由进气、压缩、膨胀、燃烧和排气五个过程的循环，其时间进行情况十分复杂。为了能用热力学的基本理论和公式分析研究柴油机的循环，需将实际循环理想化和抽象化。基于热力学基本理论建立起来的柴油机循环称为理想循环并对它作了如下几点假定：
（1）工质为理想气体：
其分子量与比热同纯空气在物理标准状态时的相同。在整个循环中，比热和化学成分不变。燃料的燃烧过程用外界热源向工质加热过程代替，其方式可以是定容或定压或定容与定压混合过程；
（2）循环为闭口体系：
不更换工质，其数量也不变，故没有进、排气过程与气体的漏泄；
（3）压缩与膨胀过程为绝热过程：
与外界没有热交换，也不存在摩擦；
（4）废气排出带走热量的过程用工质向外界冷源放热过程代替。
因此，这样的理想循环是一个闭口体系的可逆热力循环，在能量转换过程中只有冷源损失，对四冲程柴油机和二冲程柴油机都适用。由于对工质所做的假定，有人称它为空气标准循环。
柴油机的理想循环有四种：
（1）混合加热循环：
其过程包括：绝热压缩——混合加热（定容加热和定压加热）——绝热膨胀——定容放热。一般柴油机按此循环工作。
（2）定容加热循环：
与混合加热循环的区别是只有定容加热过程而没有定压加热过程。高速强载柴油机或柴油机在低负荷工作时，即近似按此循环工作。
（3）定压加热循环：
此循环只有定压加热过程而没有定容加热过程。早期的空气喷射式柴油机以及现代高增压柴油机为防止循环最高压力过高而采用定压燃烧方式工作时的柴油机即近似按此循环工作。
（4）继续膨胀混合加热循环：
工质一直膨胀到循环始点，然后定压放热。***若在柴油机汽缸内实现这种循环，汽缸势必做的很长。依次令膨胀分两部分完成。一部分在汽缸内完成，一部分在燃气涡轮内完成。它相当于柴油机与燃气涡轮联合装置的工作。如果涡轮直接带动压气机进行增压，则理想循环略有改变；压缩过程亦分压气机内压缩和柴油机内压缩两步。此即脉冲式废气涡轮增压柴油机的理想循环。
***上述四种理想循环亦可依次称为萨巴蒂（Sabathe ）循环、奥托（Otto ）循环、狄塞尔（Diesel ）循环和修正的阿特金逊（Atkinson ）循环。
通过对理想循环的分析，得出一个重要的结论：
（1）加大压缩比，由于循环最高温度提高，工质膨胀比扩大，因此热效率增加。但是，其提高率随压缩比加大而逐渐降低，而循环最高压力迅速上升。所以压缩比对热效率和机械负荷均有较大的影响；
（2）如果其它条件不变，只增大压力升高比，则循环最高温度增高，循环温差增大，热效率提高，但循环最高压力亦升高。若仅是初膨胀比加大，则工质膨胀不充分，膨胀终点压力、温度均升高，热效率下降。在混合加热循环中，当加一定时，若压力升高比上升，初膨胀比必然下降（定压加热量减少），因此热效率、循环始点的压力增高；反之则降低。混合加热循环中压力升高比和初膨胀比的分配反映加热规律即燃烧规律。由上述分析可知，燃烧不仅要“完全”，还应在靠近上止点的区间发生即“及时”。
***综合上述压缩比和压力升高比对热效率的影响不难看出，提高循环最高压力是改善经济性的有效措施。
（3）柴油机在理想情况下对热量的最大利用率可用各类理想循环的热效率表示，按其实际使用的压缩比计算为0。7左右。在实际上虽然达不到，但可作为改进柴油机性能的根据。
（4）提高循环最高压力、压力升高比、初膨胀比和热效率，均可加大平均理论压力。循环最高压力与柴油机进气总管压力成正比，因此采用增压以提高充入汽缸的空气压力能够加大平均理论压力。
***以上热力学结论对改进柴油机性能有重要的指导意义，但用于柴油机时应注意考虑实际因素的限制，权衡利弊，综合分析而定。
三．柴油机的实际循环
柴油机的实际循环和理想循环之间是有差别的。
***首先，实际循环是一个开口热力体系，而不是闭口热力体系。因为它需要通过进、排气过程更换工质——排出废气，吸进新鲜空气，以保证循环反复进行。这样，工质性质会改变，并且存在流动阻力损失。
***第二，关于加热与放热过程。对工质的加热实际上是将燃油喷入汽缸燃烧，将燃油的化学能转变为工质的热能，使其温度升高。因此存在不完全损失。由于燃烧速度的有限性（尽管很大）以及与活塞运动速度不一致，因此燃烧过程中的压力、容积均在改变，燃烧亦会延续到膨胀过程，放热乃随废气排出进行。
***第三，工质的数量和成分变化，这是由于进、排气过程更换工质、燃烧、高温分解与低温复合作用以及漏气等原因造成的。比热亦随工质的成分和温度而变。
***第四，各个工作过程进行时，存在着热交换和摩擦。
*****由上述而知，实际循环和过程都不是可逆的；从能量转换的角度看，除了冷源损失外，还有不可逆损失即不完全燃烧、热交换、漏气和流动阻力等欺压热损失。
*******因此，柴油机的循环不可能达到理想循环的热效率和平均压力。
分析和研究实际循环的各个过程。
1。换气过程：
为了评定换气过程的质量，常用以下几个参数作为评估的指标：
（1）残余废气指数：
残余废气指数是指换气过程结束时，汽缸内残存的废气量与充入汽缸内新鲜空气量之比。 残余废气系数上换气过程结束后废气排出的干净程度，它表示换气过程的完善程度。此数值越小，废气排的越干净即换气过程越完善。
***在标定工况下，各型柴油机的残余废气系数的数值如下：
四冲程非增压柴油机：0。03~0。06；
四冲程增压柴油机： 0。00~0。03；
二冲程气口气阀直流扫气柴油机：0。06~0。08；
二冲程回流扫气柴油机：0。05~0。15；
二冲程简单横流扫气柴油机：0。25~0。40。
从上述数值可以看到，四冲程柴油机的换气质量好于二冲程柴油机；二冲程柴油机中直流扫气效果最好，其次是回流扫气；横流扫气最差。
（2）充气系数：
充气系数是在换气过程结束时充入汽缸的实际空气量与进气状态下充满汽缸工作容积的理论空气量之比。
***“进气状态”对于不同类型的柴油机是不同的。四冲程非增压柴油机取大气状态；二冲程柴油机取扫气箱状态；增压柴油机取进气管状态。
***一般充气系数的范围：
四冲程柴油机：0。75~0。90；
二冲程直流扫气柴油机：0。80~0。90；
二冲程回流扫气柴油机：0。75~0，80。
***在标定工况下，进气终了时汽缸内的压力数据：
四冲程非增压柴油机：0。85~0，95个大气压力；
四冲程增压柴油机：0。92~1。0个大气压力；
二冲程低速柴油机：0。96~1。0个大气压力。
（3）扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数：
扫气效率的定义是：换气过程结束后，汽缸内的新鲜空气量与汽缸内全部气体量之比。 扫气系数的定义是：在一个循环中通过扫气口的全部扫气量与换气过程结束后留在汽缸内的新鲜空气量之比。
扫气过量空气系数的定义是：每个循环通过扫气口的全部扫气量与在进气状态下充满汽缸工作容积的理论空气量之比。
二冲程柴油机换气进行的好坏，是结合换气的干净程度和扫气空气的消耗两方面衡量的。扫气效率是衡量扫气干净程度的指标。扫气效率越大，标志着扫气扫得越干净。扫气效率的极限值是1。但是，单纯用换气干净程度的指标来说明二冲程柴油机换气的好坏是不全面的。因为只要用大量的空气扫气，总是能扫得干净，所以必须要考到空气的消耗。扫气系数是用来说明扫气空气消耗的相对量。而扫气过量空气系数则说明扫气空气消耗的绝对量。一般扫气系数为！。2~2。0；扫气过量空气系数为1。0~1。3。显然，扫气效率越高，扫气系数和扫气过量空气系数就越小，扫气质量就越好，换气系统越完善。
2．压缩过程：
实际压缩过程始于进气门关阀（二冲程柴油机是气口或排气门关阀）时刻，而止于燃油开始着火时。它与理想压缩过程有很大的差别，即：
（1）它的开始和终止不是在活塞止点处；
（2）不是绝热过程，气体与缸壁有着复杂的热交换。压缩初期气体因其温度低于缸壁温度而被加热，压缩多变指数大于绝热指数。由于压缩，气体温度逐渐上升，至某一时刻与缸壁温度相等，达到瞬时绝热。以后，气体温度超过缸壁温度，气体对缸壁放热。因此，实际压缩过程是一个数量和方向均在变化的热交换过程，即指数变化的多变过程。一般情况下实际压缩终点的温度较绝热压缩至此点的温度低。总的将，是汽缸内气体向汽缸壁放热。
（3）工质不是理想气体，而是实际空气与残余废气的混合物，其性质和数量也在变化。因为工质比热随其温度上升而加大，故工质绝热指数减小；漏气减少了工质数量；压缩过程末期有了燃油喷入，部分燃油蒸发并与空气发生预反应，亦改变了工质的数量和成分。
实际压缩过程的多变指数是变化的，且相当复杂。为了衡量压缩过程中汽缸内气体和缸壁之间热交换的总效果，可用简化参数即以一个指数不变的压缩过程代替实际的变指数压缩过程。注：有关资料请参阅《船舶柴油机》教材200~205页。
***压缩比是一个对柴油机性能有很大影响的重要结构参数，它可以影响柴油机的经济性、燃烧与起动以及机械负荷等方面。
（1）对经济性的影响：
在实际柴油机中，压缩比在一定范围内提高有利于经济性，但是过高反而可能使经济性下降。压缩比提高，压缩终点压力、温度增高，燃油的滞燃时间短，燃烧加快，这些均能改善经济性。但是，循环最高压力和膨胀终点压力随之提高，摩擦损失加大，过大的压缩比会导致燃烧室高度太低，不利于燃烧。上述的影响又会影响柴油机经济性，严重时最终的经济性将下降。因此，只是在某个适当的压缩比时经济性最好。
（2）对机械负荷的影响：
提高压缩比，循环最高压力和膨胀终点压力增加，但还是柴油机承受的机械负荷加大。因此，机械负荷限制了压缩比的上限。现代高增压柴油机为避免最高燃烧爆发压力过高，不断降低总压缩比（10~12），甚至出现压缩比为7~9。5的低压缩比柴油机。
（3）对燃烧和起动的影响：
从燃油的可靠自燃，良好燃烧和保证冷起动来看，压缩比不能过低，限制了压缩比的下限。因为如果膨胀终点压力过低，无法为自燃和冷起动创造必要的条件。但如前所述，压缩比过高对燃烧也不利。
***柴油机拆装和修理后，应注意保证达到说明书规定的压缩比。
***各类柴油机的压缩比范围为：
非增压柴油机：
四冲程、小型高速、分隔式：17~22；
四冲程、小型高速、直喷式：15~19；
四冲程、中型中速： 14~16
增压柴油机：
四冲程、中型中速：11。5~14。5；
二冲程、中、高速：12。5~15。5；
二冲程、大型低速：10。5~12。5。
3．燃烧过程：
燃烧是一种放热化学反应，其结果不仅使工质成分变化，切释放出燃油含有的化学能，转化为工质内能，使其温度升高。实际燃烧过程与加热过程的区别为：
（1）由于燃油喷射和燃烧并非瞬时完成，活塞又在运动，故燃烧是在压力、容积都在改变的情况下，放热规律很复杂。
（2）燃烧包含了极为复杂的物理、化学过程，工质的成分、性质都有改变，切还有许多中间产物产生。
（3）工质因燃烧和漏气，数量在发生变化。
（4）存在工质向缸壁的散热。
***柴油机燃料的化学成分主要是碳、氢、氧（符号相应为C 、H 、O ），常用质量百分比表示其含量。若忽略其它含量少的元素，则有：C+H+O=1。一般C 为0。855~0。65；H 为0。125~0。135；其余为O 。
燃料的燃烧是其中可燃元素碳、氢同空气中的氧激烈化合的氧化反应，按氧化程度可分为两类：一类是完全燃烧，碳和氢得到完全氧化；另一类为不完全燃烧，碳和氢的氧化比充分。不完全燃烧时，燃料的一部分化学能没有转变为热能，随废气排出而造成能量损失，放出的热量比完全燃烧时的少。因此，应创造条件使燃料在汽缸内完全燃烧。
燃烧过程热化学主要说明燃烧过程的一些数量问题，以1kg 燃料为基础。（这里，只讨论、研究完全燃烧的情况）。
1）完全燃烧1kg 燃料的理论空气需要量：
按化学反应方程式算得的1kg 燃料完全燃烧时所需的空气量称理论空气量，它是1kg 燃料完全燃烧时所需的最低限度空气量。
2）完全燃烧1kg 燃料的实际供给空气量：
在实际柴油机中，若按理论空气需要量向汽缸提供空气，并不能保证燃料完全燃烧。这是由于柴油机的燃料与空气混合是在汽缸内进行的，混合时间很短，加上结构上的限制，燃料雾化后不可能在燃烧室内均匀分布，故燃料与空气混合不均匀。为了保证完全燃烧，应使实际供入汽缸的空气量多于理论空气需要量。
3）燃烧过量空气系数：
对1kg 燃料而言，实际供给的空气与理论空气需要量的比值称燃烧过量空气系数。***柴油机在正常工况时，燃烧过量空气系数大于理论空气需要量。
燃烧过量空气系数是一个很重要的燃烧过程参数，它对性能的影响表现在：
（1）反映汽缸容积的利用程度和燃油与空气的混合质量。当汽缸容积、进气状态和扫气系数一定时，每循环充入汽缸的空气量一定。燃烧过量空气系数小，意味着每循环能燃烧的油量多，发出的功率也大，但应以燃烧良好为前提，因此只有在燃油与空气混合好的前提下才能实现。因此，柴油机在标定工况下能以较小的燃烧过量空气系数良好运转，说明汽缸容积的利用程度高，混合质量好。
（2）对经济性的影响。燃烧过量空气系数加大，空气量相对增多，燃烧较完全与及时，可改善经济性。但是，燃烧过量空气系数过大（例如超过2。6）时再继续增加，则因混合气的浓度过低，燃烧速度很慢，后燃加剧，排气带走的热量相对增加，燃油消耗反而增加。应该指出，为获得同样的燃烧质量，混合质量不同，可以有不同的燃烧过量空气系数，即混合质量好时，燃烧过量空气系数可小些，反之则应加大。
（3）与柴油机的热负荷和排气成分有关。燃烧过量空气系数减小，每循环燃烧的油量增多，循环平均温度、最高燃烧温度和排气温度提高，而废气中氧化氮的含量因最高燃烧温度提高而增加。***燃烧过量空气系数与柴油机的型号、尺寸、增压程度、转素和燃烧室形式有关。从提高柴油机的强载度出发，希望燃烧过量空气系数值能够较小。但非增压柴油机小型高速柴油机受燃烧完善程度的限制，增压中、低速柴油机受热负荷的限制。
***各类柴油机的燃烧过量空气系数值如下：
非增压柴油机：
四冲程、小型高速、直喷式：1。3~1。7；
四冲程、小型高速、分隔式：1。2~1。6；
四冲程、小型高速、油膜式：1。1~1。5；
增压柴油机：
四冲程、高速、直喷式：1。6~2。0；
四冲程、高速、预燃室式：1。4~1。6；
四冲程、中速：1。7~2。1；
二冲程、中、低速：1。9~2。3。
4）完全燃烧1kg 燃料生成的燃烧产物数量：
燃料完全燃烧后生成的产物有：二氧化碳、水蒸气、氮和过剩空气中的氧。利用化学反应方程式同样可得1kg 燃料的燃烧产物数量。
***燃烧后汽缸内气体按kgmol 计的数量增加H/4+O/32，一般约为3%~4%。
5）最高爆发压力：
最高爆发压力表示柴油机零件所承受机械负荷的大小，同时对柴油机的经济性有重要影响。燃烧过程中汽缸内有利的升高，可用最高爆发压力与膨胀终点压力的比值，即压力升高比表示。膨胀终点压力一定时，提高最高爆发压力，压力升高比增加，定容燃烧的燃料增多，经济性提高。目前，提高最高爆发压力已成为降低燃油消耗的主要技术措施之一。船舶低速二冲程柴油机已达12。0~12。5Mpa ；中速四冲程柴油机普遍提高到13。0~15。0Mpa ；高速柴油机个别达到18。0Mpa 。但是，最高爆发压力的提高受限于机械负荷与材料水平。 ***压力升高比数值为：
直喷式柴油机为：1。15~2。20；
预燃室式柴油机为：1。25~1。40；
非增压柴油机偏向上限值；增压柴油机偏向下限值。
6）最高燃烧温度：
最高燃烧温度可以代表柴油机的热负荷，而且影响氮化物的生成。低速柴油机的最高燃烧温度一般为1500~1700K；高速柴油机为1600~2000K。
7）燃烧终点容积：
在时间柴油机中，很难准确确定燃烧终点。这里所说的燃烧终点容积是一个假定的容积，即认为燃烧从上止点开始，由定容燃烧和定压燃烧两部分组成。
4．膨胀过程：
膨胀过程是柴油机循环中的作功过程，将工质的热能涣涣为机械能。此外，其中还有部分燃料燃烧称为后燃；放出的热能虽也能转化为机械能，但效率很低。
膨胀过程的始点很难准确确定，因为气体在燃烧过程的后一阶段开始膨胀，大致可取汽缸内压力的下降开始加快的那一时刻。终点为排气阀（口）打开的时刻。实际膨胀过程与理想过程的区别为：
（1）它的开始和终止不是在活塞止点处。
（2）不是绝热过程，存在着气体向缸壁的散热（因为气体温度高于缸壁温度）和漏气。另外还有后燃和低温复合现象。后燃爱膨胀过程初期比较强烈，以后逐渐减弱直至消失。
（3）工质不是理想气体，而是燃烧产物，其成分、比热和数量因后燃、低温复合、漏气、温度降低而不断变化，汽缸内的状态不均匀。
膨胀过程也是一个变指数多变过程。开始后后燃比较强烈，放出的热量超过气体对缸壁的散热量，因此仍然是气体得到热量，多变指数小于绝热指数。以后燃烧逐渐减弱直至小时，多变指数主要取决于散热，从而加大到等于和大于绝热指数。
用一个指数不变的多变过程代替时间的指数不断加大的膨胀过程，使两者的起点状态和终点状态相同，或是两者的起点状态和整个过程的膨胀功相等。这一不变的多变指数称等价膨胀多变指数。
***等价膨胀多变指数与散热情况有关，后燃多或散热少，等价膨胀多变指数值小；反之，则等价膨胀多变指数值大。
各类柴油机的等价膨胀多变指数：
高速柴油机（活塞不冷却）：1。20~1。24；
中速柴油机（活塞不冷却）：1。20~1。28；
中速柴油机（活塞冷却）：1。25~1。30；
低速柴油机（活塞冷却）：1。27~1。30。
柴油机的主要性能指标
柴油机的主要性能指标包括动力性和经济性两个方面的指标。它们既是反映柴油机工作循环完善程度的参数，更始评估柴油机性能的主要依据。
一。平均指示压力
柴油机单位汽缸工作容积每循环所作的指示功，称平均指示压力，它是柴油机每循环的作功强度。但要注意的是：平均指示压力是强载度指标，而非工质状态参数。
二．平均有效压力
柴油机单位汽缸工作容积每循环所作的有效功，称平均有效压力。
三．指示功率
柴油机在单位时间内所作的指示功，称指示功率。
四．有效功率
柴油机在单位时间内输出的有效功，成有效功率。
五．机械效率
柴油机有效功率和指示功率的比值称机械效率。
六。强化系数
通常用强化系数来衡量柴油机的强载程度。在此系数中，不仅包括了循环的作功强度，而且包括了作功频率。可用于同类柴油机的比较。
七．指示热效率和燃油消耗率
为获得单位指示功（一般是1kW ·h ）所消耗的燃油数量称指示燃油消耗率，单位为g/（kW ·h ）。
八．有效热效率和有效燃油消耗率
柴油机发出的有效功的热当量与所消耗燃料的总发热量的比值称有效热效率，即：为获得单位有效功（一般是1kW ·h ）所消耗的燃油数量称有效燃油消耗率。
指示燃油消耗率、热效率、有效燃油消耗率、有效热效率、机械效率的统计数据
提高柴油机功率和经济性的措施
提高柴油机的功率和经济性是轮机人员应予以特别重视的问题。
如前所述，供入汽缸的燃油完全燃烧时放出的热量称燃油的总发热量。在能量转换的过程中，它只有一部分转换为有效功，其它的分别成为热损失和机械损失。
***热损失包括排气损失、燃烧不完全损失、散热损失、漏气损失、流动阻力损失等。 ***机械损失包括摩擦损失、带动辅助机械的损失、泵气损失等。
减少各种损失对提高柴油机的功率和经济性都有好处。如能在保持各种损失不加大的情况下，提高柴油机的作功强度和作功频率，即提高其强载度，则柴油机的功率将增加。
一．提高强载度的主要措施
为提高循环作功强度，应有更多的空气充入汽缸或提高汽缸内空气的利用程度从而能燃烧
更多的燃料。其具体措施有：
1．采用增压技术和对增压空气进行中间冷却：
由于空气的压力压力提高、温度降低，密度得到一贯，可增加充气量。这是强化柴油机的有效措施。目前，增压压力游乐很大的提高，一级增压的增压压力可达到0。3~0。4Mpa ；二级增压时可高达0。5~0。7Mpa 。
2．改善燃油与空气的混合以减小燃烧过量空气系数。
3．改善换气过程，提高空气系数，若燃烧空气过量系数不变，即可多喷油燃烧，提高平均有效压力。
***为提高作功频率，可提高转速或采用二冲程循环。
二．提高经济性的主要措施
基本原则是减少各项神农氏，具体措施有：
1．提高循环热效率：
如提高最高爆发压力，采用可变定时喷油泵（附和降低时供油提前），柴油机降低功率使用等。当采用可变定时喷油泵或降低柴油机使用功率的措施时，循环最高压力维持在标定工况时的水平，不随负荷减小而降低，由于平均有效压力降低，因此压力升高比提高，热效率增大。
2．采用长行程或超长行程并适当降低转速：
该措施除了提高螺旋桨的效率外，对柴油机来说，能增加燃烧时间，减少散热损失（因为汽缸容积加大，散热面积相对减小），从而提高了热效率。
3．改善燃油的喷射、混合和燃烧，使燃油在上止点附近迅速而完全地燃烧。
4．优化增压系统，提高增压器效率：
如低速柴油机普遍采用定压系统，排气阀可晚开而增加膨胀功；采用高效增压器，能改善换气质量，而且加大扫气压差使泵气损失减小（即换气过程正功增加）。
5．改善换气过程，提高空气系数，使燃烧过量空气系数加大，改善燃烧，四冲程柴油机的泵气损失亦可减少。
6．减少散热损失，如适当提高冷却水温度，
7．采用效率增强器：
即利用废气能量驱动动力涡轮并将动力涡轮的功率传送到曲轴上，这实际上是对废气能量的利用，该方法可将燃油消耗率降低约5g/（kW ·h ）。
8．提高机械效率。
柴油机的热平衡
柴油机的热平衡就是用试验的方法确定燃料的总发热量分配于有效功和各种损失的情况，研究热平衡的目的是：
1．了解热量分配情况，为提高柴油机的经济性指明方向，也便于废热利用的研究；
2．为冷却系统和排气系统提供原始数据，如冷却水泵、冷却器和废气锅炉所需的原始数据等。
3。预估新型强化柴油机高温零件的热负荷是否过高。
热平衡试验在柴油机稳定运转时进行，为了实际测量的方便，将热平衡中的各个热量分为4个部分：
1． 转化为有效功的热当量。柴油机的有效功率由测功器测定。
2． 废气热损失，即废气带走的热量，在四冲程非增压柴油机中等于排气的焓与进入汽缸
内的空气的焓两者之差。
3． 冷却热损失：即传给冷却介质的热量，包括润滑油带走的热量，因为润滑油带走轴承
中摩擦发生的热量，因此包含了一部分机械损失。若冷却系统有几个分开的系统，应分别计算后累计。
4． 余项损失：即除了废气热损失和冷却热损失外未能包括进去的各种损失，有不完全燃
烧损失、部分机械损失（未被冷却介质带走的摩擦热、驱动辅助机械消耗的热量等、柴油机表面传给大气的热量、废气动能以及对各项损失估算不准确而产生的误差等等。
船用柴油机在标定工况下的热平衡数据一般为：
转化为有效功的热当量：30~55%；
废气热损失：23~40%；
冷却热损失：20~33%；
余项损失：5~10%。
柴油机废气和冷却水带走的热量占燃料总发热量的50%以上，研究回收这一部分对柴油机来说是余热的能量，对提高整个动力装置的经济性、节约能源有着重要的意义。
废气的温度较高，在涡轮出口处一般都在600~650K以上，属于较高品位热能；冷却水的温度较低，约350~360K，属于低品位热能。余热的回收利用应按热能品质，分别情况，合理利用。一般情况下，余热回收可分为下列几种系统：
1．作为热能利用的系统：
如以废气余热作为废气锅炉或经济器的热源，产生蒸汽，利用冷却水余热作为淡水发生器、舵机室加热和杂用加热等系统的热源。
2．作为电能利用的节能系统：
如利用废气驱动的发电机系统，以主机冷却水作热源的氟里昂涡轮发电系统。
3．作为推进功率利用的节能系统：
如利用从废气或冷却水余热回收的电能带动电动机、通过齿轮或皮带输入主推进系统，即轴带电动机系统。从废气余热回收的电能有时通过辅助螺旋桨输入主推进系统，称辅助推进系统。
***在排气系统上安装了废气锅炉或经济器后会增加排气阻力，应控制阻力不要过大。 注：有关详细资料请参阅《船舶柴油机》教材P210~216页。
柴油机的工作循环和主要性能指标
柴油机是将燃油的化学能转变为热能并将热能转变为机械能的动力机械，而这种能量的转换是在柴油机的每一个工作循环中完成的。因此，工作循环完成的情况将直接影响到能量转换的完善程度，而柴油机的主要性能指标则是表示工作循环完成情况的参数。对工作循环及工作过程进行分析和研究，可以了解影响柴油机性能的主要因素，掌握提高其性能的基本途径和具体措施。
柴油机的工作循环
一．柴油机的两种示功图
研究柴油机汽缸内的工作过程，首先要用仪表测量出能正确反映汽缸内实际情况的实验数据。最常见的是测量汽缸的压力。因为容易测量且测得工质压力后，利用热力学的基本公式，还能求出工质温度、内能、计算焓、功和热量等热力参数，这样就可以去分析各循环了。 ***表示奇怪内工质压力变化的图形称为示功图。其中包括p-V 示功图和p-∮示功图两种形式，现结合柴油机的实际情况加以说明。
1．p-V 示功图：
汽缸内的工质压力随汽缸容积变化的图形叫p-V 示功图，又称压力-容积图，也可看做压力与活塞位置的函数关系。该图上曲线保围的面积相当于工质在一个循环内对活塞作的功，因此，习惯上称为示功图。
2．p-∮示功图：
汽缸内的工质压力随曲柄转角变化的图形叫p-∮示功图。P-V 示功图不适于研究燃烧过程，因为燃烧过程发生在上止点附近，此时活塞运动速度（相当于汽缸容积变化速率）很慢，难以从p-V 图上看出这一区间内压力变化的特点。瑞以曲柄转角为横坐标就清楚了，这等于把上止点附近的压力变化图形展开，故又称展开示功图，在柴油机的性能研究中得到广泛的应用。
二．柴油机的理想循环
在柴油机中，为了连续实现燃料化学能——热能——机械能的转换，需不断重复由进气、压缩、膨胀、燃烧和排气五个过程的循环，其时间进行情况十分复杂。为了能用热力学的基本理论和公式分析研究柴油机的循环，需将实际循环理想化和抽象化。基于热力学基本理论建立起来的柴油机循环称为理想循环并对它作了如下几点假定：
（1）工质为理想气体：
其分子量与比热同纯空气在物理标准状态时的相同。在整个循环中，比热和化学成分不变。燃料的燃烧过程用外界热源向工质加热过程代替，其方式可以是定容或定压或定容与定压混合过程；
（2）循环为闭口体系：
不更换工质，其数量也不变，故没有进、排气过程与气体的漏泄；
（3）压缩与膨胀过程为绝热过程：
与外界没有热交换，也不存在摩擦；
（4）废气排出带走热量的过程用工质向外界冷源放热过程代替。
因此，这样的理想循环是一个闭口体系的可逆热力循环，在能量转换过程中只有冷源损失，对四冲程柴油机和二冲程柴油机都适用。由于对工质所做的假定，有人称它为空气标准循环。
柴油机的理想循环有四种：
（1）混合加热循环：
其过程包括：绝热压缩——混合加热（定容加热和定压加热）——绝热膨胀——定容放热。一般柴油机按此循环工作。
（2）定容加热循环：
与混合加热循环的区别是只有定容加热过程而没有定压加热过程。高速强载柴油机或柴油机在低负荷工作时，即近似按此循环工作。
（3）定压加热循环：
此循环只有定压加热过程而没有定容加热过程。早期的空气喷射式柴油机以及现代高增压柴油机为防止循环最高压力过高而采用定压燃烧方式工作时的柴油机即近似按此循环工作。
（4）继续膨胀混合加热循环：
工质一直膨胀到循环始点，然后定压放热。***若在柴油机汽缸内实现这种循环，汽缸势必做的很长。依次令膨胀分两部分完成。一部分在汽缸内完成，一部分在燃气涡轮内完成。它相当于柴油机与燃气涡轮联合装置的工作。如果涡轮直接带动压气机进行增压，则理想循环略有改变；压缩过程亦分压气机内压缩和柴油机内压缩两步。此即脉冲式废气涡轮增压柴油机的理想循环。
***上述四种理想循环亦可依次称为萨巴蒂（Sabathe ）循环、奥托（Otto ）循环、狄塞尔（Diesel ）循环和修正的阿特金逊（Atkinson ）循环。
通过对理想循环的分析，得出一个重要的结论：
（1）加大压缩比，由于循环最高温度提高，工质膨胀比扩大，因此热效率增加。但是，其提高率随压缩比加大而逐渐降低，而循环最高压力迅速上升。所以压缩比对热效率和机械负荷均有较大的影响；
（2）如果其它条件不变，只增大压力升高比，则循环最高温度增高，循环温差增大，热效率提高，但循环最高压力亦升高。若仅是初膨胀比加大，则工质膨胀不充分，膨胀终点压力、温度均升高，热效率下降。在混合加热循环中，当加一定时，若压力升高比上升，初膨胀比必然下降（定压加热量减少），因此热效率、循环始点的压力增高；反之则降低。混合加热循环中压力升高比和初膨胀比的分配反映加热规律即燃烧规律。由上述分析可知，燃烧不仅要“完全”，还应在靠近上止点的区间发生即“及时”。
***综合上述压缩比和压力升高比对热效率的影响不难看出，提高循环最高压力是改善经济性的有效措施。
（3）柴油机在理想情况下对热量的最大利用率可用各类理想循环的热效率表示，按其实际使用的压缩比计算为0。7左右。在实际上虽然达不到，但可作为改进柴油机性能的根据。
（4）提高循环最高压力、压力升高比、初膨胀比和热效率，均可加大平均理论压力。循环最高压力与柴油机进气总管压力成正比，因此采用增压以提高充入汽缸的空气压力能够加大平均理论压力。
***以上热力学结论对改进柴油机性能有重要的指导意义，但用于柴油机时应注意考虑实际因素的限制，权衡利弊，综合分析而定。
三．柴油机的实际循环
柴油机的实际循环和理想循环之间是有差别的。
***首先，实际循环是一个开口热力体系，而不是闭口热力体系。因为它需要通过进、排气过程更换工质——排出废气，吸进新鲜空气，以保证循环反复进行。这样，工质性质会改变，并且存在流动阻力损失。
***第二，关于加热与放热过程。对工质的加热实际上是将燃油喷入汽缸燃烧，将燃油的化学能转变为工质的热能，使其温度升高。因此存在不完全损失。由于燃烧速度的有限性（尽管很大）以及与活塞运动速度不一致，因此燃烧过程中的压力、容积均在改变，燃烧亦会延续到膨胀过程，放热乃随废气排出进行。
***第三，工质的数量和成分变化，这是由于进、排气过程更换工质、燃烧、高温分解与低温复合作用以及漏气等原因造成的。比热亦随工质的成分和温度而变。
***第四，各个工作过程进行时，存在着热交换和摩擦。
*****由上述而知，实际循环和过程都不是可逆的；从能量转换的角度看，除了冷源损失外，还有不可逆损失即不完全燃烧、热交换、漏气和流动阻力等欺压热损失。
*******因此，柴油机的循环不可能达到理想循环的热效率和平均压力。
分析和研究实际循环的各个过程。
1。换气过程：
为了评定换气过程的质量，常用以下几个参数作为评估的指标：
（1）残余废气指数：
残余废气指数是指换气过程结束时，汽缸内残存的废气量与充入汽缸内新鲜空气量之比。 残余废气系数上换气过程结束后废气排出的干净程度，它表示换气过程的完善程度。此数值越小，废气排的越干净即换气过程越完善。
***在标定工况下，各型柴油机的残余废气系数的数值如下：
四冲程非增压柴油机：0。03~0。06；
四冲程增压柴油机： 0。00~0。03；
二冲程气口气阀直流扫气柴油机：0。06~0。08；
二冲程回流扫气柴油机：0。05~0。15；
二冲程简单横流扫气柴油机：0。25~0。40。
从上述数值可以看到，四冲程柴油机的换气质量好于二冲程柴油机；二冲程柴油机中直流扫气效果最好，其次是回流扫气；横流扫气最差。
（2）充气系数：
充气系数是在换气过程结束时充入汽缸的实际空气量与进气状态下充满汽缸工作容积的理论空气量之比。
***“进气状态”对于不同类型的柴油机是不同的。四冲程非增压柴油机取大气状态；二冲程柴油机取扫气箱状态；增压柴油机取进气管状态。
***一般充气系数的范围：
四冲程柴油机：0。75~0。90；
二冲程直流扫气柴油机：0。80~0。90；
二冲程回流扫气柴油机：0。75~0，80。
***在标定工况下，进气终了时汽缸内的压力数据：
四冲程非增压柴油机：0。85~0，95个大气压力；
四冲程增压柴油机：0。92~1。0个大气压力；
二冲程低速柴油机：0。96~1。0个大气压力。
（3）扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数：
扫气效率的定义是：换气过程结束后，汽缸内的新鲜空气量与汽缸内全部气体量之比。 扫气系数的定义是：在一个循环中通过扫气口的全部扫气量与换气过程结束后留在汽缸内的新鲜空气量之比。
扫气过量空气系数的定义是：每个循环通过扫气口的全部扫气量与在进气状态下充满汽缸工作容积的理论空气量之比。
二冲程柴油机换气进行的好坏，是结合换气的干净程度和扫气空气的消耗两方面衡量的。扫气效率是衡量扫气干净程度的指标。扫气效率越大，标志着扫气扫得越干净。扫气效率的极限值是1。但是，单纯用换气干净程度的指标来说明二冲程柴油机换气的好坏是不全面的。因为只要用大量的空气扫气，总是能扫得干净，所以必须要考到空气的消耗。扫气系数是用来说明扫气空气消耗的相对量。而扫气过量空气系数则说明扫气空气消耗的绝对量。一般扫气系数为！。2~2。0；扫气过量空气系数为1。0~1。3。显然，扫气效率越高，扫气系数和扫气过量空气系数就越小，扫气质量就越好，换气系统越完善。
2．压缩过程：
实际压缩过程始于进气门关阀（二冲程柴油机是气口或排气门关阀）时刻，而止于燃油开始着火时。它与理想压缩过程有很大的差别，即：
（1）它的开始和终止不是在活塞止点处；
（2）不是绝热过程，气体与缸壁有着复杂的热交换。压缩初期气体因其温度低于缸壁温度而被加热，压缩多变指数大于绝热指数。由于压缩，气体温度逐渐上升，至某一时刻与缸壁温度相等，达到瞬时绝热。以后，气体温度超过缸壁温度，气体对缸壁放热。因此，实际压缩过程是一个数量和方向均在变化的热交换过程，即指数变化的多变过程。一般情况下实际压缩终点的温度较绝热压缩至此点的温度低。总的将，是汽缸内气体向汽缸壁放热。
（3）工质不是理想气体，而是实际空气与残余废气的混合物，其性质和数量也在变化。因为工质比热随其温度上升而加大，故工质绝热指数减小；漏气减少了工质数量；压缩过程末期有了燃油喷入，部分燃油蒸发并与空气发生预反应，亦改变了工质的数量和成分。
实际压缩过程的多变指数是变化的，且相当复杂。为了衡量压缩过程中汽缸内气体和缸壁之间热交换的总效果，可用简化参数即以一个指数不变的压缩过程代替实际的变指数压缩过程。注：有关资料请参阅《船舶柴油机》教材200~205页。
***压缩比是一个对柴油机性能有很大影响的重要结构参数，它可以影响柴油机的经济性、燃烧与起动以及机械负荷等方面。
（1）对经济性的影响：
在实际柴油机中，压缩比在一定范围内提高有利于经济性，但是过高反而可能使经济性下降。压缩比提高，压缩终点压力、温度增高，燃油的滞燃时间短，燃烧加快，这些均能改善经济性。但是，循环最高压力和膨胀终点压力随之提高，摩擦损失加大，过大的压缩比会导致燃烧室高度太低，不利于燃烧。上述的影响又会影响柴油机经济性，严重时最终的经济性将下降。因此，只是在某个适当的压缩比时经济性最好。
（2）对机械负荷的影响：
提高压缩比，循环最高压力和膨胀终点压力增加，但还是柴油机承受的机械负荷加大。因此，机械负荷限制了压缩比的上限。现代高增压柴油机为避免最高燃烧爆发压力过高，不断降低总压缩比（10~12），甚至出现压缩比为7~9。5的低压缩比柴油机。
（3）对燃烧和起动的影响：
从燃油的可靠自燃，良好燃烧和保证冷起动来看，压缩比不能过低，限制了压缩比的下限。因为如果膨胀终点压力过低，无法为自燃和冷起动创造必要的条件。但如前所述，压缩比过高对燃烧也不利。
***柴油机拆装和修理后，应注意保证达到说明书规定的压缩比。
***各类柴油机的压缩比范围为：
非增压柴油机：
四冲程、小型高速、分隔式：17~22；
四冲程、小型高速、直喷式：15~19；
四冲程、中型中速： 14~16
增压柴油机：
四冲程、中型中速：11。5~14。5；
二冲程、中、高速：12。5~15。5；
二冲程、大型低速：10。5~12。5。
3．燃烧过程：
燃烧是一种放热化学反应，其结果不仅使工质成分变化，切释放出燃油含有的化学能，转化为工质内能，使其温度升高。实际燃烧过程与加热过程的区别为：
（1）由于燃油喷射和燃烧并非瞬时完成，活塞又在运动，故燃烧是在压力、容积都在改变的情况下，放热规律很复杂。
（2）燃烧包含了极为复杂的物理、化学过程，工质的成分、性质都有改变，切还有许多中间产物产生。
（3）工质因燃烧和漏气，数量在发生变化。
（4）存在工质向缸壁的散热。
***柴油机燃料的化学成分主要是碳、氢、氧（符号相应为C 、H 、O ），常用质量百分比表示其含量。若忽略其它含量少的元素，则有：C+H+O=1。一般C 为0。855~0。65；H 为0。125~0。135；其余为O 。
燃料的燃烧是其中可燃元素碳、氢同空气中的氧激烈化合的氧化反应，按氧化程度可分为两类：一类是完全燃烧，碳和氢得到完全氧化；另一类为不完全燃烧，碳和氢的氧化比充分。不完全燃烧时，燃料的一部分化学能没有转变为热能，随废气排出而造成能量损失，放出的热量比完全燃烧时的少。因此，应创造条件使燃料在汽缸内完全燃烧。
燃烧过程热化学主要说明燃烧过程的一些数量问题，以1kg 燃料为基础。（这里，只讨论、研究完全燃烧的情况）。
1）完全燃烧1kg 燃料的理论空气需要量：
按化学反应方程式算得的1kg 燃料完全燃烧时所需的空气量称理论空气量，它是1kg 燃料完全燃烧时所需的最低限度空气量。
2）完全燃烧1kg 燃料的实际供给空气量：
在实际柴油机中，若按理论空气需要量向汽缸提供空气，并不能保证燃料完全燃烧。这是由于柴油机的燃料与空气混合是在汽缸内进行的，混合时间很短，加上结构上的限制，燃料雾化后不可能在燃烧室内均匀分布，故燃料与空气混合不均匀。为了保证完全燃烧，应使实际供入汽缸的空气量多于理论空气需要量。
3）燃烧过量空气系数：
对1kg 燃料而言，实际供给的空气与理论空气需要量的比值称燃烧过量空气系数。***柴油机在正常工况时，燃烧过量空气系数大于理论空气需要量。
燃烧过量空气系数是一个很重要的燃烧过程参数，它对性能的影响表现在：
（1）反映汽缸容积的利用程度和燃油与空气的混合质量。当汽缸容积、进气状态和扫气系数一定时，每循环充入汽缸的空气量一定。燃烧过量空气系数小，意味着每循环能燃烧的油量多，发出的功率也大，但应以燃烧良好为前提，因此只有在燃油与空气混合好的前提下才能实现。因此，柴油机在标定工况下能以较小的燃烧过量空气系数良好运转，说明汽缸容积的利用程度高，混合质量好。
（2）对经济性的影响。燃烧过量空气系数加大，空气量相对增多，燃烧较完全与及时，可改善经济性。但是，燃烧过量空气系数过大（例如超过2。6）时再继续增加，则因混合气的浓度过低，燃烧速度很慢，后燃加剧，排气带走的热量相对增加，燃油消耗反而增加。应该指出，为获得同样的燃烧质量，混合质量不同，可以有不同的燃烧过量空气系数，即混合质量好时，燃烧过量空气系数可小些，反之则应加大。
（3）与柴油机的热负荷和排气成分有关。燃烧过量空气系数减小，每循环燃烧的油量增多，循环平均温度、最高燃烧温度和排气温度提高，而废气中氧化氮的含量因最高燃烧温度提高而增加。***燃烧过量空气系数与柴油机的型号、尺寸、增压程度、转素和燃烧室形式有关。从提高柴油机的强载度出发，希望燃烧过量空气系数值能够较小。但非增压柴油机小型高速柴油机受燃烧完善程度的限制，增压中、低速柴油机受热负荷的限制。
***各类柴油机的燃烧过量空气系数值如下：
非增压柴油机：
四冲程、小型高速、直喷式：1。3~1。7；
四冲程、小型高速、分隔式：1。2~1。6；
四冲程、小型高速、油膜式：1。1~1。5；
增压柴油机：
四冲程、高速、直喷式：1。6~2。0；
四冲程、高速、预燃室式：1。4~1。6；
四冲程、中速：1。7~2。1；
二冲程、中、低速：1。9~2。3。
4）完全燃烧1kg 燃料生成的燃烧产物数量：
燃料完全燃烧后生成的产物有：二氧化碳、水蒸气、氮和过剩空气中的氧。利用化学反应方程式同样可得1kg 燃料的燃烧产物数量。
***燃烧后汽缸内气体按kgmol 计的数量增加H/4+O/32，一般约为3%~4%。
5）最高爆发压力：
最高爆发压力表示柴油机零件所承受机械负荷的大小，同时对柴油机的经济性有重要影响。燃烧过程中汽缸内有利的升高，可用最高爆发压力与膨胀终点压力的比值，即压力升高比表示。膨胀终点压力一定时，提高最高爆发压力，压力升高比增加，定容燃烧的燃料增多，经济性提高。目前，提高最高爆发压力已成为降低燃油消耗的主要技术措施之一。船舶低速二冲程柴油机已达12。0~12。5Mpa ；中速四冲程柴油机普遍提高到13。0~15。0Mpa ；高速柴油机个别达到18。0Mpa 。但是，最高爆发压力的提高受限于机械负荷与材料水平。 ***压力升高比数值为：
直喷式柴油机为：1。15~2。20；
预燃室式柴油机为：1。25~1。40；
非增压柴油机偏向上限值；增压柴油机偏向下限值。
6）最高燃烧温度：
最高燃烧温度可以代表柴油机的热负荷，而且影响氮化物的生成。低速柴油机的最高燃烧温度一般为1500~1700K；高速柴油机为1600~2000K。
7）燃烧终点容积：
在时间柴油机中，很难准确确定燃烧终点。这里所说的燃烧终点容积是一个假定的容积，即认为燃烧从上止点开始，由定容燃烧和定压燃烧两部分组成。
4．膨胀过程：
膨胀过程是柴油机循环中的作功过程，将工质的热能涣涣为机械能。此外，其中还有部分燃料燃烧称为后燃；放出的热能虽也能转化为机械能，但效率很低。
膨胀过程的始点很难准确确定，因为气体在燃烧过程的后一阶段开始膨胀，大致可取汽缸内压力的下降开始加快的那一时刻。终点为排气阀（口）打开的时刻。实际膨胀过程与理想过程的区别为：
（1）它的开始和终止不是在活塞止点处。
（2）不是绝热过程，存在着气体向缸壁的散热（因为气体温度高于缸壁温度）和漏气。另外还有后燃和低温复合现象。后燃爱膨胀过程初期比较强烈，以后逐渐减弱直至消失。
（3）工质不是理想气体，而是燃烧产物，其成分、比热和数量因后燃、低温复合、漏气、温度降低而不断变化，汽缸内的状态不均匀。
膨胀过程也是一个变指数多变过程。开始后后燃比较强烈，放出的热量超过气体对缸壁的散热量，因此仍然是气体得到热量，多变指数小于绝热指数。以后燃烧逐渐减弱直至小时，多变指数主要取决于散热，从而加大到等于和大于绝热指数。
用一个指数不变的多变过程代替时间的指数不断加大的膨胀过程，使两者的起点状态和终点状态相同，或是两者的起点状态和整个过程的膨胀功相等。这一不变的多变指数称等价膨胀多变指数。
***等价膨胀多变指数与散热情况有关，后燃多或散热少，等价膨胀多变指数值小；反之，则等价膨胀多变指数值大。
各类柴油机的等价膨胀多变指数：
高速柴油机（活塞不冷却）：1。20~1。24；
中速柴油机（活塞不冷却）：1。20~1。28；
中速柴油机（活塞冷却）：1。25~1。30；
低速柴油机（活塞冷却）：1。27~1。30。
柴油机的主要性能指标
柴油机的主要性能指标包括动力性和经济性两个方面的指标。它们既是反映柴油机工作循环完善程度的参数，更始评估柴油机性能的主要依据。
一。平均指示压力
柴油机单位汽缸工作容积每循环所作的指示功，称平均指示压力，它是柴油机每循环的作功强度。但要注意的是：平均指示压力是强载度指标，而非工质状态参数。
二．平均有效压力
柴油机单位汽缸工作容积每循环所作的有效功，称平均有效压力。
三．指示功率
柴油机在单位时间内所作的指示功，称指示功率。
四．有效功率
柴油机在单位时间内输出的有效功，成有效功率。
五．机械效率
柴油机有效功率和指示功率的比值称机械效率。
六。强化系数
通常用强化系数来衡量柴油机的强载程度。在此系数中，不仅包括了循环的作功强度，而且包括了作功频率。可用于同类柴油机的比较。
七．指示热效率和燃油消耗率
为获得单位指示功（一般是1kW ·h ）所消耗的燃油数量称指示燃油消耗率，单位为g/（kW ·h ）。
八．有效热效率和有效燃油消耗率
柴油机发出的有效功的热当量与所消耗燃料的总发热量的比值称有效热效率，即：为获得单位有效功（一般是1kW ·h ）所消耗的燃油数量称有效燃油消耗率。
指示燃油消耗率、热效率、有效燃油消耗率、有效热效率、机械效率的统计数据
提高柴油机功率和经济性的措施
提高柴油机的功率和经济性是轮机人员应予以特别重视的问题。
如前所述，供入汽缸的燃油完全燃烧时放出的热量称燃油的总发热量。在能量转换的过程中，它只有一部分转换为有效功，其它的分别成为热损失和机械损失。
***热损失包括排气损失、燃烧不完全损失、散热损失、漏气损失、流动阻力损失等。 ***机械损失包括摩擦损失、带动辅助机械的损失、泵气损失等。
减少各种损失对提高柴油机的功率和经济性都有好处。如能在保持各种损失不加大的情况下，提高柴油机的作功强度和作功频率，即提高其强载度，则柴油机的功率将增加。
一．提高强载度的主要措施
为提高循环作功强度，应有更多的空气充入汽缸或提高汽缸内空气的利用程度从而能燃烧
更多的燃料。其具体措施有：
1．采用增压技术和对增压空气进行中间冷却：
由于空气的压力压力提高、温度降低，密度得到一贯，可增加充气量。这是强化柴油机的有效措施。目前，增压压力游乐很大的提高，一级增压的增压压力可达到0。3~0。4Mpa ；二级增压时可高达0。5~0。7Mpa 。
2．改善燃油与空气的混合以减小燃烧过量空气系数。
3．改善换气过程，提高空气系数，若燃烧空气过量系数不变，即可多喷油燃烧，提高平均有效压力。
***为提高作功频率，可提高转速或采用二冲程循环。
二．提高经济性的主要措施
基本原则是减少各项神农氏，具体措施有：
1．提高循环热效率：
如提高最高爆发压力，采用可变定时喷油泵（附和降低时供油提前），柴油机降低功率使用等。当采用可变定时喷油泵或降低柴油机使用功率的措施时，循环最高压力维持在标定工况时的水平，不随负荷减小而降低，由于平均有效压力降低，因此压力升高比提高，热效率增大。
2．采用长行程或超长行程并适当降低转速：
该措施除了提高螺旋桨的效率外，对柴油机来说，能增加燃烧时间，减少散热损失（因为汽缸容积加大，散热面积相对减小），从而提高了热效率。
3．改善燃油的喷射、混合和燃烧，使燃油在上止点附近迅速而完全地燃烧。
4．优化增压系统，提高增压器效率：
如低速柴油机普遍采用定压系统，排气阀可晚开而增加膨胀功；采用高效增压器，能改善换气质量，而且加大扫气压差使泵气损失减小（即换气过程正功增加）。
5．改善换气过程，提高空气系数，使燃烧过量空气系数加大，改善燃烧，四冲程柴油机的泵气损失亦可减少。
6．减少散热损失，如适当提高冷却水温度，
7．采用效率增强器：
即利用废气能量驱动动力涡轮并将动力涡轮的功率传送到曲轴上，这实际上是对废气能量的利用，该方法可将燃油消耗率降低约5g/（kW ·h ）。
8．提高机械效率。
柴油机的热平衡
柴油机的热平衡就是用试验的方法确定燃料的总发热量分配于有效功和各种损失的情况，研究热平衡的目的是：
1．了解热量分配情况，为提高柴油机的经济性指明方向，也便于废热利用的研究；
2．为冷却系统和排气系统提供原始数据，如冷却水泵、冷却器和废气锅炉所需的原始数据等。
3。预估新型强化柴油机高温零件的热负荷是否过高。
热平衡试验在柴油机稳定运转时进行，为了实际测量的方便，将热平衡中的各个热量分为4个部分：
1． 转化为有效功的热当量。柴油机的有效功率由测功器测定。
2． 废气热损失，即废气带走的热量，在四冲程非增压柴油机中等于排气的焓与进入汽缸
内的空气的焓两者之差。
3． 冷却热损失：即传给冷却介质的热量，包括润滑油带走的热量，因为润滑油带走轴承
中摩擦发生的热量，因此包含了一部分机械损失。若冷却系统有几个分开的系统，应分别计算后累计。
4． 余项损失：即除了废气热损失和冷却热损失外未能包括进去的各种损失，有不完全燃
烧损失、部分机械损失（未被冷却介质带走的摩擦热、驱动辅助机械消耗的热量等、柴油机表面传给大气的热量、废气动能以及对各项损失估算不准确而产生的误差等等。
船用柴油机在标定工况下的热平衡数据一般为：
转化为有效功的热当量：30~55%；
废气热损失：23~40%；
冷却热损失：20~33%；
余项损失：5~10%。
柴油机废气和冷却水带走的热量占燃料总发热量的50%以上，研究回收这一部分对柴油机来说是余热的能量，对提高整个动力装置的经济性、节约能源有着重要的意义。
废气的温度较高，在涡轮出口处一般都在600~650K以上，属于较高品位热能；冷却水的温度较低，约350~360K，属于低品位热能。余热的回收利用应按热能品质，分别情况，合理利用。一般情况下，余热回收可分为下列几种系统：
1．作为热能利用的系统：
如以废气余热作为废气锅炉或经济器的热源，产生蒸汽，利用冷却水余热作为淡水发生器、舵机室加热和杂用加热等系统的热源。
2．作为电能利用的节能系统：
如利用废气驱动的发电机系统，以主机冷却水作热源的氟里昂涡轮发电系统。
3．作为推进功率利用的节能系统：
如利用从废气或冷却水余热回收的电能带动电动机、通过齿轮或皮带输入主推进系统，即轴带电动机系统。从废气余热回收的电能有时通过辅助螺旋桨输入主推进系统，称辅助推进系统。
***在排气系统上安装了废气锅炉或经济器后会增加排气阻力，应控制阻力不要过大。 注：有关详细资料请参阅《船舶柴油机》教材P210~216页。