新聞主題	柴油發電機的速度特性

 

速度特性是指柴油發電機在正常工作條件下，負荷一定時，柴油發電機的性能指標隨其轉速的變化特性。這里，柴油發電機的正常工作條件是指柴油發電機的冷卻水溫和潤滑油溫度正常（80℃），點火時期和空燃比調節到最佳狀態。而負荷一定是指控制柴油發電機負荷的條件一定。此時，通過調節測功器的負載，改變柴油發電機的轉速，讀取不同轉速下柴油發電機的性能指標，并根據性能指標隨轉速的變化規律，繪出柴油發電機在該負荷條件下的一組速度特性曲線。而所要測量的柴油發電機性能指標，有柴油發電機的動力性指標（P_e、T_tq）、經濟性指標（B、b_e）和排放特性指標（CO、HC、NO_x及PM等的排放量）等。

 

由于負荷設定的條件不同，柴油發電機的速度特性又分為全負荷速度特性（外特性）和部分負荷速度特性。全負荷速度特性是指控制負荷的加速踏板位置處在最大位置時的速度特性，由此評價柴油發電機在各轉速下的最大做功能力，所以只有一條曲線。而部分負荷速度特性是指加速踏板位置處在小于全負荷的任一位置時的速度特性，所以有許多條曲線。由于柴油發電機中進入氣缸的是純空氣，因此Ф_c的大小只提供產生多大轉矩的可能性，而實際輸出的轉矩的大小主要取決于每個循環的實際噴射量Δg。根據充氣效率的定義Ф_c＝m₁/m_s和過量空氣系數的定義Ф_c＝m₁/（ΔgL₀），將式（7-19）的轉矩式改寫為

 

 

......................(公式1)

 

 

式中，Δg為循環噴射量（g/循環）；K₅為常數，即K₅＝K₂L₀/m_s；m_s為進氣狀態下充滿氣缸工作容積的空氣量（kg）；m₁為實際進入氣缸的空氣量（kg）；L₀為1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量（kg/kg）。

 

一、全負荷速度特性（外特性）

 

在柴油發電機上普及電控技術以后，實現了數字化控制。傳統的機械式柴油發電機外特性可定義為將油量調節機構（如加速踏板或油量調節拉桿位置）固定在額定功率循環供油量位置時，柴油發電機性能隨轉速的變化特性。但是數字化控制以后，加速踏板位置僅僅是一種信號，不直接控制噴射量。所以，電控柴油發電機的全負荷速度特性可定義為，在已確定各轉速下最大噴射量的條件下，柴油發電機的性能指標隨轉速的變化特性。對發電用柴油發電機，在確定各轉速下的最大噴射量時，需要考慮根據各轉速下所能輸出的最大轉矩所對應的最大噴射量，以及根據各轉速下所允許的煙度排放限定值確定的最大噴射量。這里的煙度限定值為當前推行的排放法規中規定的限定值。由于這兩種方式確定的最大噴射量有可能不相同，所以在實際控制過程中，通過ECU進行最小化處理，選擇兩者之間的較小值并設定為該轉速下的最大噴射量。

 

1．T_tq歷程分析

 

由于柴油發電機無節氣門的節流損失，進氣流動阻力小，所以Ф_c隨轉速的變化曲線比較緩慢。但是根據發電用柴油發電機性能要求所設計的進氣管系和配氣相位，其Ф_c也是在某一低轉速下出現峰值，低于或高于該轉速，Ф_c都有所下降。這種Ф_c的變化特性，為燃油噴射量及氣缸的做功能力提供了依據。對電控柴油發電機，由于噴射量的設定相對獨立，而不受機械式噴油泵的供油速度特性的影響。因此，基于Ф_c的特性，基本上根據目標轉矩特性設定最大噴射量。

 

現代發電用柴油發電機基本上都采用廢氣渦輪增壓和電控高壓噴射技術。對廢氣渦輪增壓而言，一般在柴油發電機的高速區比較容易實現增壓，因此高速時氣缸的做功能力得到提高。但是在低速時由于柴油發電機的排氣流量較小，渦輪增壓器轉速較低，增壓程度不夠，所以為了提高低速轉矩需要加大噴射量。因此，在外特性上循環噴射量的變化特性如圖1b中的Δg_f曲線所示，在低速區Δg_f隨n的增加而增加；當n升高到增壓器正常工作區以后，隨n的增加Δg_f有減小的趨勢。因此，在低速區ηi和η_m變化不大，但Δg_f增加，所以T_tq迅速增加到最大值。增壓柴油發電機受缸內最高爆發壓力的限制，使得最大T_tq，所對應的轉速范圍較寬，即外特性轉矩曲線存在平頂區，然后隨n的進一步增加，Δg_f基本保持不變或有所減小，而ηi和η_m降低明顯，所以T_tq也隨n升高而降低（圖1）。

 

2．P_e歷程分析

 

根據式（2-19）中P_e與T_tqn的關系，由于T_tq變化平坦，所以在一定轉速范圍內P_e幾乎與n呈線性增加，很難確定像汽油機那樣的峰值功率點。其結果使功率為零的最大轉速n_max非常高，若不控制就會出現飛車的危險。因此，柴油發電機設定噴射量控制MAP時，專門設定限制極限轉速的噴射量MAP圖，以防超速飛車事故。

 

3．b_e歷程分析

 

在低速區隨n的增加，氣缸內氣流強度增加，改善混合氣的形成和燃燒條件，所以ηi有所增加，而η_m變化不大，故b_e減小。當n升高到使η_i和η_m的乘積達到最大值時，b_e達到最小。然后，隨n的進一步升高，因混合氣形成和燃燒過程所占曲軸轉角增大，燃燒損失增加，η_i降低，同時η_m也降低，所以b_e逐漸增大。但在整個轉速變化范圍內b_e隨n變化不大。這也是柴油發電機經濟性好的原因之一。

 

高壓共軌增壓直噴柴油發電機外特性曲線圖

 

二、部分負荷速度特性

 

傳統的機械式柴油發電機的部分負荷速度特性定義為控制供油量的齒條（或拉桿）位置固定在小于最大供油量的某一位置時，柴油發電機的性能指標隨轉速的變化規律。但是，對數字化控制的現代電控柴油發電機而言，加速踏板的開度實際上只是代表著不同轉速下所需求的柴油發電機輸出轉矩的大小。即使加速踏板開度一定，不同轉速下的噴射量，由于性能要求不同，噴射量的標定結果也有很大的區別，因此，如何定義現代柴油發電機的部分速度特性還沒有明確規定。對質調節式柴油發電機而言，其輸出的轉矩直接與噴射量有關，所以為了分析相同負荷條件下轉速對性能的影響，這里將柴油發電機的部分負荷速度特性定義為，將負荷率固定在小于1的某一值上時，性能指標隨轉速的變化規律。這里負荷率指實際噴射量與該轉速下最大噴射量的比值。由于負荷率從零到1之間可以設為許多值，所以部分負荷速度特性曲線也有許多條。而且柴油發電機不同負荷對Ф_c基本沒有影響，所以在部分負荷下中。

 

隨n的變化特性基本上與外特性相似，只是因Δg_f不同，所以部分速度特性時的空燃比不同。因此，在高速時，負荷越大，Δg_f越多，后燃部分增加，所以熱效率下降更明顯。因此，部分負荷速度特性上T_tq隨n的變化特性為，在低速區負荷越小T_tq隨n增加的速率越快，但在高速時卻緩慢。因此，T_tq和b_e在部分負荷速度特性上，隨不同負荷形成低速區隨負荷的減小曲線間距寬、在高速區隨負荷的增加曲線更密集的曲線組。對于柴油發電機，當80％負荷時b_e隨速度變化曲線最低，即經濟性最佳，此時混合氣燃燒充分。而輸出功率曲線，由式（7-19）可知，主要取決于T_tq和n的乘積。而T_tq隨n變化平坦，且不同負荷下的曲線基本平行，所以功率曲線在低速區較密集，高速區較稀疏（圖2）。

 

柴油發電機的部分負荷速度特性曲線圖

 

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