柴油发电机的工况与特性
发布时间：2024-03-20 点击：207
柴油发电机的工况与特性
柴油发电机作为动力机械，主要为其他工作机械提供必要的动力。对发电机组而言，柴油发电机作为发电机组心脏，其输出特性直接影响发电机组的行驶特性。因此了解和掌握柴油发电机的性能，对有效利用动力源，以及提高整车性能具有重要的意义。而柴油发电机的输出特性主要通过其动力性指标、经济性指标及排放性能指标等随柴油发电机使用工况的变化特性来描述。所以，研究柴油发电机特性的主要目的在于正确评价柴油发电机的特性，为发电机组或其他工作机械正确选用动力源提供依据。同时，通过对柴油发电机特性的评价与分析，为进一步改进柴油发电机的性能使之与整车（或工作机械）性能良好匹配提供有效途径。
对于柴油发电机特性，主要通过柴油发电机各项性能指标随工况的变化特性来研究，包括柴油发电机的负荷特性、速度特性及万有特性等。所以，要研究柴油发电机特性，首先需要了解或具备以下几个概念，即柴油发电机的工况、柴油发电机的试验台架、柴油发电机的试验方法及柴油发电机特性的分析方法等。
柴油发电机的工况，是指柴油发电机运行的状态，常用柴油发电机转速n和负荷表示。其中转速表示柴油发电机的工作频率，而负荷则表示柴油发电机对外做功的能力，主要用输出转矩ttq或平均有效压力pme。表示，其中ttq∝pme。柴油发电机输出的有效功率为
pe∝ttqn∝pmen ............................(公式1)
柴油发电机的输出功率，是表征柴油发电机工况特征的重要综合指标。但是由式（公式1）可知，输出功率相同，不等于工况相同。由于工况不同，柴油发电机工作状态，即燃烧放热过程不同。因此，在相同功率下，柴油发电机的经济性和排放特性不一样。所以，正确认识柴油发电机的工况，或在发电机组行驶过程中柴油发电机输出功率相同的条件下，如何正确选择其工况，对改善整车性能具有重要意义。
根据柴油发电机的工作原理和结构特点，其工况是限定在最低稳定转速nmin、最高转速nmax及在各工作转速下所能输出的最大功率（外特性功率曲线）所包围的范围内。最低稳定转速又称为怠速转速，此时向气缸供给的混合气量最少，只供克服柴油发电机内部摩擦损失和驱动附件等用所必要的燃料，而对外输出功等于零。所以，若柴油发电机转速低于此转速时，由于飞轮等运动件的储存能量小，导致柴油发电机转速波动过大，不能正常稳定运行。而柴油发电机的最高转速主要受到来自充气效率、机械损失和曲柄连杆机构惯性力的影响。高转速时由于流动损失增加，充气效率迅速下降，同时活塞组的往复惯性力和曲轴的旋转惯性力增加，摩擦损失增加，直接危及柴油发电机的工作可靠性。因此，每一台柴油发电机都限定其允许的最高使用转速，即额定转速nn。所以，柴油发电机的实际工作范围就限定在最低转速和额定转速范围内的小于或等于外特性功率曲线的区域内。根据不同工作机械上柴油发电机的使用条件不同，将柴油发电机的工况分为三大类。
1．恒速工况
恒速工况是指柴油发电机的转速保持不变，而功率随负载而变化的工况（图1中曲线1）。例如发电用柴油发电机的工况，为了保证发电机工作频率稳定，要求柴油发电机转速稳定不变，而功率随发电机负荷（用电量）的大小而变化。恒速工况的特例是柴油发电机运转过程中转速和负荷均保持不变，这种工况称为点工况（图公式1中的a点）。如柴油发电机带动排灌用水泵工作时，除起动和过渡工况以外，一般都按点工况运行。
图1 柴油发动机工况分类
2．线工况
线工况主要指柴油发电机输出功率与转速成一定函数关系的工况（图1中曲线2）。比较典型的就是船用柴油发电机的螺旋桨工况。此时柴油发电机的输出功率主要克服来自流体的阻力，即船舶稳定行驶时，柴油发电机输出的功率必须与螺旋桨消耗的功率相等。在螺旋桨节距一定的条件下，柴油发电机功率与转速的三次方成正比，即pe＝kn3。
3．面工况
前两种工况的共同特点是，柴油发电机输出功率和转速有一定的约束关系。而面工况（图1中阴影区域）的特点是柴油发电机输出功率和转速之间没有特定的约束关系。在柴油发电机整个工作区域内，功率p。和转速n都相对独立变化，因此柴油发电机可能运行的范围就是其实际工况变化的范围，称之为面工况。如发电用柴油发电机的工况，或其他陆地运输和作业的工作机械用柴油发电机的工况，就属于这种工况。在陆地行驶时，柴油发电机的转速取决于发电机组等陆地作业的工作机械的行驶速度，而柴油发电机的输出功率则取决于发电机组的行驶阻力。发电机组行驶阻力不仅与其行驶速度有关，而且还取决于道路情况，或拖拉机耕地时的土壤条件、推土时的推土载荷量等。
本文章主要讨论发电用柴油发电机的特性。由于发电机组使用条件比较复杂，柴油发电机运行工况不断发生变化。所以对发电用柴油发电机的性能评价，只考虑额定工况点的性能指标是不够的，还需要研究不同工况下柴油发电机性能指标的变化特性。柴油发电机的性能指标如第二章所述，有动力性指标（pe、t1g、pme）、经济性指标（燃油消耗率b。等）及排放性指标（如no，、co、hc、pm等排放量），这些指标随柴油发电机工况的变化规律称为柴油发电机的使用特性，而这些性能指标随工况的变化曲线称为特性曲线。绘制柴油发电机的特性曲线，可以直观地评价与分析柴油发电机的性能及其影响因素，是柴油发电机性能分析的重要手段。
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柴油发电机作为动力机械，主要为其他工作机械提供必要的动力。对发电机组而言，柴油发电机作为发电机组心脏，其输出特性直接影响发电机组的行驶特性。因此了解和掌握柴油发电机的性能，对有效利用动力源，以及提高整车性能具有重要的意义。而柴油发电机的输出特性主要通过其动力性指标、经济性指标及排放性能指标等随柴油发电机使用工况的变化特性来描述。所以，研究柴油发电机特性的主要目的在于正确评价柴油发电机的特性，为发电机组或其他工作机械正确选用动力源提供依据。同时，通过对柴油发电机特性的评价与分析，为进一步改进柴油发电机的性能使之与整车（或工作机械）性能良好匹配提供有效途径。
对于柴油发电机特性，主要通过柴油发电机各项性能指标随工况的变化特性来研究，包括柴油发电机的负荷特性、速度特性及万有特性等。所以，要研究柴油发电机特性，首先需要了解或具备以下几个概念，即柴油发电机的工况、柴油发电机的试验台架、柴油发电机的试验方法及柴油发电机特性的分析方法等。
柴油发电机的工况，是指柴油发电机运行的状态，常用柴油发电机转速n和负荷表示。其中转速表示柴油发电机的工作频率，而负荷则表示柴油发电机对外做功的能力，主要用输出转矩ttq或平均有效压力pme。表示，其中ttq∝pme。柴油发电机输出的有效功率为
pe∝ttqn∝pmen ............................(公式1)
柴油发电机的输出功率，是表征柴油发电机工况特征的重要综合指标。但是由式（公式1）可知，输出功率相同，不等于工况相同。由于工况不同，柴油发电机工作状态，即燃烧放热过程不同。因此，在相同功率下，柴油发电机的经济性和排放特性不一样。所以，正确认识柴油发电机的工况，或在发电机组行驶过程中柴油发电机输出功率相同的条件下，如何正确选择其工况，对改善整车性能具有重要意义。
根据柴油发电机的工作原理和结构特点，其工况是限定在最低稳定转速nmin、最高转速nmax及在各工作转速下所能输出的最大功率（外特性功率曲线）所包围的范围内。最低稳定转速又称为怠速转速，此时向气缸供给的混合气量最少，只供克服柴油发电机内部摩擦损失和驱动附件等用所必要的燃料，而对外输出功等于零。所以，若柴油发电机转速低于此转速时，由于飞轮等运动件的储存能量小，导致柴油发电机转速波动过大，不能正常稳定运行。而柴油发电机的最高转速主要受到来自充气效率、机械损失和曲柄连杆机构惯性力的影响。高转速时由于流动损失增加，充气效率迅速下降，同时活塞组的往复惯性力和曲轴的旋转惯性力增加，摩擦损失增加，直接危及柴油发电机的工作可靠性。因此，每一台柴油发电机都限定其允许的最高使用转速，即额定转速nn。所以，柴油发电机的实际工作范围就限定在最低转速和额定转速范围内的小于或等于外特性功率曲线的区域内。根据不同工作机械上柴油发电机的使用条件不同，将柴油发电机的工况分为三大类。
1．恒速工况
恒速工况是指柴油发电机的转速保持不变，而功率随负载而变化的工况（图1中曲线1）。例如发电用柴油发电机的工况，为了保证发电机工作频率稳定，要求柴油发电机转速稳定不变，而功率随发电机负荷（用电量）的大小而变化。恒速工况的特例是柴油发电机运转过程中转速和负荷均保持不变，这种工况称为点工况（图公式1中的a点）。如柴油发电机带动排灌用水泵工作时，除起动和过渡工况以外，一般都按点工况运行。
图1 柴油发动机工况分类
2．线工况
线工况主要指柴油发电机输出功率与转速成一定函数关系的工况（图1中曲线2）。比较典型的就是船用柴油发电机的螺旋桨工况。此时柴油发电机的输出功率主要克服来自流体的阻力，即船舶稳定行驶时，柴油发电机输出的功率必须与螺旋桨消耗的功率相等。在螺旋桨节距一定的条件下，柴油发电机功率与转速的三次方成正比，即pe＝kn3。
3．面工况
前两种工况的共同特点是，柴油发电机输出功率和转速有一定的约束关系。而面工况（图1中阴影区域）的特点是柴油发电机输出功率和转速之间没有特定的约束关系。在柴油发电机整个工作区域内，功率p。和转速n都相对独立变化，因此柴油发电机可能运行的范围就是其实际工况变化的范围，称之为面工况。如发电用柴油发电机的工况，或其他陆地运输和作业的工作机械用柴油发电机的工况，就属于这种工况。在陆地行驶时，柴油发电机的转速取决于发电机组等陆地作业的工作机械的行驶速度，而柴油发电机的输出功率则取决于发电机组的行驶阻力。发电机组行驶阻力不仅与其行驶速度有关，而且还取决于道路情况，或拖拉机耕地时的土壤条件、推土时的推土载荷量等。
本文章主要讨论发电用柴油发电机的特性。由于发电机组使用条件比较复杂，柴油发电机运行工况不断发生变化。所以对发电用柴油发电机的性能评价，只考虑额定工况点的性能指标是不够的，还需要研究不同工况下柴油发电机性能指标的变化特性。柴油发电机的性能指标如第二章所述，有动力性指标（pe、t1g、pme）、经济性指标（燃油消耗率b。等）及排放性指标（如no，、co、hc、pm等排放量），这些指标随柴油发电机工况的变化规律称为柴油发电机的使用特性，而这些性能指标随工况的变化曲线称为特性曲线。绘制柴油发电机的特性曲线，可以直观地评价与分析柴油发电机的性能及其影响因素，是柴油发电机性能分析的重要手段。
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