柴油发电机的负荷速度特性及曲线图
发布时间：2024-03-19 点击：470
柴油发电机的速度特性
速度特性是指柴油发电机在正常工作条件下，负荷一定时，柴油发电机的性能指标随其转速的变化特性。这里，柴油发电机的正常工作条件是指柴油发电机的冷却水温和润滑油温度正常（80℃），点火时期和空燃比调节到最佳状态。而负荷一定是指控制柴油发电机负荷的条件一定。此时，通过调节测功器的负载，改变柴油发电机的转速，读取不同转速下柴油发电机的性能指标，并根据性能指标随转速的变化规律，绘出柴油发电机在该负荷条件下的一组速度特性曲线。而所要测量的柴油发电机性能指标，有柴油发电机的动力性指标（pe、ttq）、经济性指标（b、be）和排放特性指标（co、hc、nox及pm等的排放量）等。
由于负荷设定的条件不同，柴油发电机的速度特性又分为全负荷速度特性（外特性）和部分负荷速度特性。全负荷速度特性是指控制负荷的加速踏板位置处在最大位置时的速度特性，由此评价柴油发电机在各转速下的最大做功能力，所以只有一条曲线。而部分负荷速度特性是指加速踏板位置处在小于全负荷的任一位置时的速度特性，所以有许多条曲线。由于柴油发电机中进入气缸的是纯空气，因此фc的大小只提供产生多大转矩的可能性，而实际输出的转矩的大小主要取决于每个循环的实际喷射量δg。根据充气效率的定义фc＝m1/ms和过量空气系数的定义фc＝m1/（δgl0），将式（7-19）的转矩式改写为
......................(公式1)
式中，δg为循环喷射量（g/循环）；k5为常数，即k5＝k2l0/ms；ms为进气状态下充满气缸工作容积的空气量（kg）；m1为实际进入气缸的空气量（kg）；l0为1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量（kg/kg）。
一、全负荷速度特性（外特性）
在柴油发电机上普及电控技术以后，实现了数字化控制。传统的机械式柴油发电机外特性可定义为将油量调节机构（如加速踏板或油量调节拉杆位置）固定在额定功率循环供油量位置时，柴油发电机性能随转速的变化特性。但是数字化控制以后，加速踏板位置仅仅是一种信号，不直接控制喷射量。所以，电控柴油发电机的全负荷速度特性可定义为，在已确定各转速下最大喷射量的条件下，柴油发电机的性能指标随转速的变化特性。对发电用柴油发电机，在确定各转速下的最大喷射量时，需要考虑根据各转速下所能输出的最大转矩所对应的最大喷射量，以及根据各转速下所允许的烟度排放限定值确定的最大喷射量。这里的烟度限定值为当前推行的排放法规中规定的限定值。由于这两种方式确定的最大喷射量有可能不相同，所以在实际控制过程中，通过ecu进行最小化处理，选择两者之间的较小值并设定为该转速下的最大喷射量。
1．ttq历程分析
由于柴油发电机无节气门的节流损失，进气流动阻力小，所以фc随转速的变化曲线比较缓慢。但是根据发电用柴油发电机性能要求所设计的进气管系和配气相位，其фc也是在某一低转速下出现峰值，低于或高于该转速，фc都有所下降。这种фc的变化特性，为燃油喷射量及气缸的做功能力提供了依据。对电控柴油发电机，由于喷射量的设定相对独立，而不受机械式喷油泵的供油速度特性的影响。因此，基于фc的特性，基本上根据目标转矩特性设定最大喷射量。
现代发电用柴油发电机基本上都采用废气涡轮增压和电控高压喷射技术。对废气涡轮增压而言，一般在柴油发电机的高速区比较容易实现增压，因此高速时气缸的做功能力得到提高。但是在低速时由于柴油发电机的排气流量较小，涡轮增压器转速较低，增压程度不够，所以为了提高低速转矩需要加大喷射量。因此，在外特性上循环喷射量的变化特性如图1b中的δgf曲线所示，在低速区δgf随n的增加而增加；当n升高到增压器正常工作区以后，随n的增加δgf有减小的趋势。因此，在低速区ηi和ηm变化不大，但δgf增加，所以ttq迅速增加到最大值。增压柴油发电机受缸内最高爆发压力的限制，使得最大ttq，所对应的转速范围较宽，即外特性转矩曲线存在平顶区，然后随n的进一步增加，δgf基本保持不变或有所减小，而ηi和ηm降低明显，所以ttq也随n升高而降低（图1）。
2．pe历程分析
根据式（2-19）中pe与ttqn的关系，由于ttq变化平坦，所以在一定转速范围内pe几乎与n呈线性增加，很难确定像汽油机那样的峰值功率点。其结果使功率为零的最大转速nmax非常高，若不控制就会出现飞车的危险。因此，柴油发电机设定喷射量控制map时，专门设定限制极限转速的喷射量map图，以防超速飞车事故。
3．be历程分析
在低速区随n的增加，气缸内气流强度增加，改善混合气的形成和燃烧条件，所以ηi有所增加，而ηm变化不大，故be减小。当n升高到使ηi和ηm的乘积达到最大值时，be达到最小。然后，随n的进一步升高，因混合气形成和燃烧过程所占曲轴转角增大，燃烧损失增加，ηi降低，同时ηm也降低，所以be逐渐增大。但在整个转速变化范围内be随n变化不大。这也是柴油发电机经济性好的原因之一。
高压共轨增压直喷柴油发电机外特性曲线图
二、部分负荷速度特性
传统的机械式柴油发电机的部分负荷速度特性定义为控制供油量的齿条（或拉杆）位置固定在小于最大供油量的某一位置时，柴油发电机的性能指标随转速的变化规律。但是，对数字化控制的现代电控柴油发电机而言，加速踏板的开度实际上只是代表着不同转速下所需求的柴油发电机输出转矩的大小。即使加速踏板开度一定，不同转速下的喷射量，由于性能要求不同，喷射量的标定结果也有很大的区别，因此，如何定义现代柴油发电机的部分速度特性还没有明确规定。对质调节式柴油发电机而言，其输出的转矩直接与喷射量有关，所以为了分析相同负荷条件下转速对性能的影响，这里将柴油发电机的部分负荷速度特性定义为，将负荷率固定在小于1的某一值上时，性能指标随转速的变化规律。这里负荷率指实际喷射量与该转速下最大喷射量的比值。由于负荷率从零到1之间可以设为许多值，所以部分负荷速度特性曲线也有许多条。而且柴油发电机不同负荷对фc基本没有影响，所以在部分负荷下中。
随n的变化特性基本上与外特性相似，只是因δgf不同，所以部分速度特性时的空燃比不同。因此，在高速时，负荷越大，δgf越多，后燃部分增加，所以热效率下降更明显。因此，部分负荷速度特性上ttq随n的变化特性为，在低速区负荷越小ttq随n增加的速率越快，但在高速时却缓慢。因此，ttq和be在部分负荷速度特性上，随不同负荷形成低速区随负荷的减小曲线间距宽、在高速区随负荷的增加曲线更密集的曲线组。对于柴油发电机，当80％负荷时be随速度变化曲线最低，即经济性最佳，此时混合气燃烧充分。而输出功率曲线，由式（7-19）可知，主要取决于ttq和n的乘积。而ttq随n变化平坦，且不同负荷下的曲线基本平行，所以功率曲线在低速区较密集，高速区较稀疏（图2）。
柴油发电机的部分负荷速度特性曲线图
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由于负荷设定的条件不同，柴油发电机的速度特性又分为全负荷速度特性（外特性）和部分负荷速度特性。全负荷速度特性是指控制负荷的加速踏板位置处在最大位置时的速度特性，由此评价柴油发电机在各转速下的最大做功能力，所以只有一条曲线。而部分负荷速度特性是指加速踏板位置处在小于全负荷的任一位置时的速度特性，所以有许多条曲线。由于柴油发电机中进入气缸的是纯空气，因此фc的大小只提供产生多大转矩的可能性，而实际输出的转矩的大小主要取决于每个循环的实际喷射量δg。根据充气效率的定义фc＝m1/ms和过量空气系数的定义фc＝m1/（δgl0），将式（7-19）的转矩式改写为
......................(公式1)
式中，δg为循环喷射量（g/循环）；k5为常数，即k5＝k2l0/ms；ms为进气状态下充满气缸工作容积的空气量（kg）；m1为实际进入气缸的空气量（kg）；l0为1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量（kg/kg）。
一、全负荷速度特性（外特性）
在柴油发电机上普及电控技术以后，实现了数字化控制。传统的机械式柴油发电机外特性可定义为将油量调节机构（如加速踏板或油量调节拉杆位置）固定在额定功率循环供油量位置时，柴油发电机性能随转速的变化特性。但是数字化控制以后，加速踏板位置仅仅是一种信号，不直接控制喷射量。所以，电控柴油发电机的全负荷速度特性可定义为，在已确定各转速下最大喷射量的条件下，柴油发电机的性能指标随转速的变化特性。对发电用柴油发电机，在确定各转速下的最大喷射量时，需要考虑根据各转速下所能输出的最大转矩所对应的最大喷射量，以及根据各转速下所允许的烟度排放限定值确定的最大喷射量。这里的烟度限定值为当前推行的排放法规中规定的限定值。由于这两种方式确定的最大喷射量有可能不相同，所以在实际控制过程中，通过ecu进行最小化处理，选择两者之间的较小值并设定为该转速下的最大喷射量。
1．ttq历程分析
由于柴油发电机无节气门的节流损失，进气流动阻力小，所以фc随转速的变化曲线比较缓慢。但是根据发电用柴油发电机性能要求所设计的进气管系和配气相位，其фc也是在某一低转速下出现峰值，低于或高于该转速，фc都有所下降。这种фc的变化特性，为燃油喷射量及气缸的做功能力提供了依据。对电控柴油发电机，由于喷射量的设定相对独立，而不受机械式喷油泵的供油速度特性的影响。因此，基于фc的特性，基本上根据目标转矩特性设定最大喷射量。
现代发电用柴油发电机基本上都采用废气涡轮增压和电控高压喷射技术。对废气涡轮增压而言，一般在柴油发电机的高速区比较容易实现增压，因此高速时气缸的做功能力得到提高。但是在低速时由于柴油发电机的排气流量较小，涡轮增压器转速较低，增压程度不够，所以为了提高低速转矩需要加大喷射量。因此，在外特性上循环喷射量的变化特性如图1b中的δgf曲线所示，在低速区δgf随n的增加而增加；当n升高到增压器正常工作区以后，随n的增加δgf有减小的趋势。因此，在低速区ηi和ηm变化不大，但δgf增加，所以ttq迅速增加到最大值。增压柴油发电机受缸内最高爆发压力的限制，使得最大ttq，所对应的转速范围较宽，即外特性转矩曲线存在平顶区，然后随n的进一步增加，δgf基本保持不变或有所减小，而ηi和ηm降低明显，所以ttq也随n升高而降低（图1）。
2．pe历程分析
根据式（2-19）中pe与ttqn的关系，由于ttq变化平坦，所以在一定转速范围内pe几乎与n呈线性增加，很难确定像汽油机那样的峰值功率点。其结果使功率为零的最大转速nmax非常高，若不控制就会出现飞车的危险。因此，柴油发电机设定喷射量控制map时，专门设定限制极限转速的喷射量map图，以防超速飞车事故。
3．be历程分析
在低速区随n的增加，气缸内气流强度增加，改善混合气的形成和燃烧条件，所以ηi有所增加，而ηm变化不大，故be减小。当n升高到使ηi和ηm的乘积达到最大值时，be达到最小。然后，随n的进一步升高，因混合气形成和燃烧过程所占曲轴转角增大，燃烧损失增加，ηi降低，同时ηm也降低，所以be逐渐增大。但在整个转速变化范围内be随n变化不大。这也是柴油发电机经济性好的原因之一。
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随n的变化特性基本上与外特性相似，只是因δgf不同，所以部分速度特性时的空燃比不同。因此，在高速时，负荷越大，δgf越多，后燃部分增加，所以热效率下降更明显。因此，部分负荷速度特性上ttq随n的变化特性为，在低速区负荷越小ttq随n增加的速率越快，但在高速时却缓慢。因此，ttq和be在部分负荷速度特性上，随不同负荷形成低速区随负荷的减小曲线间距宽、在高速区随负荷的增加曲线更密集的曲线组。对于柴油发电机，当80％负荷时be随速度变化曲线最低，即经济性最佳，此时混合气燃烧充分。而输出功率曲线，由式（7-19）可知，主要取决于ttq和n的乘积。而ttq随n变化平坦，且不同负荷下的曲线基本平行，所以功率曲线在低速区较密集，高速区较稀疏（图2）。
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