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柴油发电机频率响应特性曲线 |
摘要：柴油机在不同的工况下，各主要指标是变化的。要找出它们的变化规律，必须在发动机测功器上进行试验，测出在不同工况下的数据，并绘制成曲线表示其变化关系。这些曲线称为柴油机特性曲线。在衡量柴油机的动力性和经济性时，常用的特性曲线有负荷特性曲线、频率特性曲线和调速特性曲线等。柴油机试验时，如将柴油机喷油泵的供油拉杆（油门）固定在某一位置上，并调节作用在飞轮上的阻力扭矩（即发动机的负荷），发动机的转速必将发生变化。这样可将测得的数据绘制成发动机的有效扭矩Me、有效功率Ne和耗油率ge随转速n而变化的关系曲线，称为柴油机的速度特性曲线。
一、什么是发动机特性曲线图
大家在读各种柴油发电机厂商的宣传资料中会发现有发动机特性曲线（也有叫发动机工况图），将发动机功率、转矩与发动机曲轴转速之间的函数关系以曲线表示，此曲线称为发动机转速特性曲线或简称为发动机特性曲线，如图1所示；如果柴油机高压油泵在最大供油量位置，此特性曲线称为发动机外特性曲线；如果部分供油，称为发动机部分负荷特性曲线。
从试验图2可以看出，转速在1500转/分情况下，发动机扭矩和功率分别达到最大值，这是两个决定发动机性能的主要参数。代表了发动机实时功率，单位是千瓦，它决定了发动机到底能产生多大的能量。图1中的ge是指比油耗量，单位是克/每千瓦小时，它反映的是发动机发动机每发出1kW功率，运行1h的耗油量；n1.....n5就是发动机的实时转速，单位转/每分钟；理清了每个坐标轴上数字的意义，下一步就是了解发动机的特性曲线图给我们吐露的信息。
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图1 柴油机外特性曲线 |
图2 柴油机有效功率试验曲线 |
二、柴油机特性
我们已知表征柴油机性能的主要指标有平均有效压力、有效扭矩、有效功率、有效耗油率、平均指示压力等。运转中的这些柴油机性能指标是随着柴油机运转工况的不同而变化的。柴油机的主要性能指标和工作参数（如排气温度、最高爆发压力、增压压力等）随运转工况变化的规律称为柴油机的特性。如果把这种变化规律在坐标轴上用曲线的形式表示出来，这种曲线即称为柴油机的特性曲线。有了特性曲线，掌握了柴油机的特性，就可以合理利用柴油机的一系列特性，知道我们在使用柴油机时如何提高其可靠性、使用寿命，以及如何节油。如在各种使用条件下决定其极限允许使用范围，选择其最佳工作点，检查其工作质量（性能指标、工作参数）是否良好等。
对于特定的柴油机在运转中可能使柴油机有效功率发生变化的参数只有平均有效压力和转速，它们是两个可以互相独立的基本参数。由此，根据平均有效压力和转速的变化情况可将柴油机的特性进行分类。
1、速度特性
当平均有效压力不变（测定时是将油量调节机构固定，平均有效压力在实际上是略有变化的），柴油机的性能参数随转速变化的关系。
测定速度特性时，将喷油泵油量调节杆固定，然后改变柴油机外负荷以改变其转速，使柴油机在最高允许转速和最低稳定转速之间各不同的转速下稳定运转，并测量各转速下的功率、扭矩（或平均有效压力）、有效耗油率和排气温度等。将测得的数据整理在以转速为横坐标的图上，即得到柴油机的速度特性曲线。
（1）全负荷速度特性
由于喷油泵油量调节机构固定的位置不同，即泵的有效行程不同，每循环的供油量不同，所测得的特性曲线也不同。如果把油量调节机构固定在标定位置（相当于柴油机在标定转速下发出标定功率的供油量）时，所测得的柴油机特性称为全负荷速度特性（习惯上亦称为外特性）。
（2）部分负荷速度特性
当油量调节机构固定在比标定位置小的位置时所测得的柴油机特性称为部分负荷速度特性（亦称部分特性）。
（3）超负荷速度特性
我国国家GB规范规定，柴油机超负荷功率为标定功率的110%，柴油机必须允许在超负荷功率下至少连续运转1小时。此时，油量调节机构所处的位置即为实际运转中允许达到的极限位置。在柴油机油量调节机构中装设有限制块，以防止油量调节机构在运转中超过这个极限位置。当油量调节机构固定在这一极限位置时所测得的速度特性称为超负荷速度特性。在这种情况下，由于喷油泵的调节机构在最大供油位置上，所以汽缸内的温度和压力都很高，致使机件受到很大的热负荷和机械负荷，工作条件恶劣。因此，按此特性工作的时间是有限制的。
2．负荷特性
当转速不变，定于某一设定值时，柴油机的性能参数随负荷（平均有效压力）变化的关系。柴油机的负荷通常是指柴油机阻力矩大小，由于平均有效压力正比于阻力矩，常用平均有效压力来表示负荷。负载特性可通过电涡流测功机（试验框图如图3所示），测量柴油机的速度特性、负荷特性；以及对柴油机功率、转矩、转速、空燃比、排气温度、燃油消耗率（如图5所示）的测量；通过整理试验数据点，得到柴油机的负荷特性曲线，做出相关分析总结分析对比。
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图4 柴油机负荷特性曲线试 |
图5 柴油机有效燃油消耗率试验曲线 |
4。调速特性
根据柴油机转速仿真试验（如图6所示），可以表明调速特性与上述各种柴油机特性不同，它一般并不表明柴油机内部的工作过程有关参数的变化情况，而只标出有效扭矩、平均有效压力、有效功率与转速的关系（曲线如图7所示），它主要取决于调速器的工作性能。实际上油量调节机构在固定时的平均有效压力或有效扭矩并不是定值，这是因为：
（1）由于节流、泄漏，喷油泵每循环的喷油量随转速的变化略有变化。
（2）增压柴油机指示效率（主要取决于过量空气系数）随转速增加会有所增加。
（3）增压柴油机的机械效率随转速增加稍有降低。但对低速柴油机（主机）来说，因其转速低，变化范围小，喷油泵每循环喷油量随转速的变化很小；其过量空气系数很大，它的变化对热效率影响较小；其转速变化范围很小，机械效率随转速变化可以忽略。
因此，可以认为当柴油机油量调节机构位置一定时，转速变化其平均有效压力（或有效扭矩）不变。有效功率、平均有效压力或有效扭矩与转速呈线性关系。
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图6 柴油机转速仿真测试
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图7 柴油机转速与功率关系曲线图 |
三、频率响应曲线
柴油发电机是为了满足电能需求而设计的，在大多数情况下，它们运行的是交流电。在发电机工作过程中，频率响应曲线是一个重要的参数，因为它表明了发电机输出电功率与电网电压变化之间的相关情况。对于柴油发电机而言，频率响应曲线通常给出了它们对发电负载变化的响应。这意味着在瞬态负载变化的情况下，发电机的输出电功率和电网电压的关系会发生一些改变。
根据康明斯公司对柴油发电机组的频率和转速仿真试验，曲线的形态在不同的发电机和负载类型下有所不同。在一般的情况下，随着负载的增加，曲线的斜率越来越陡峭。当负载达到一定程度时，曲线将会陡峭到可以称之为“限制曲线”，这也是发电机可以输出的最大功率。在这种情况下，负载再次增加将导致频率下降，这可能会导致一系列负面后果，如设备故障或停电等。
（1）了解曲线的形态和特点对于预测和避免这些情况非常重要，同时对于控制发电机的生产和维护也至关重要。大多数发电机制造商提供了其设备的频率响应曲线，以供客户参考。
（2）在日常维护和操作中，发电机的运行状态应该始终处于曲线的合适位置。如果太接近限制曲线，运行过程中就需要监控频率和电压，确保在预定的范围内运行。
（3）如果发现任何问题，如负载过重或其他问题，操作员必须采取相应的行动，例如更换部件或减少负载。如果这些问题不能及时解决，可能会引起严重的后果，例如故障、损坏甚至停电。
总结：
除了上述特性以外，柴油机还有限制特性的说法，这是用来限制柴油机在各种转速下持续运转的功率的。有效扭矩的大小可以代表柴油机机械负荷的大小。有效扭矩大说明曲轴工作时的扭矩（扭应力）大，说明平均有效压力（有关零件机械应力）大，也说明有关轴承的负荷大。所以，等扭矩限制就是进行机械负荷限制。这样，就可以避免柴油机因机械负荷过大而损坏。柴油机的全负荷速度特性也有上述对功率的限制。但是，对有些机型仍不够严格，当柴油机按全负荷速度特性工作时不能保证它在各种下都不超负荷。某些柴油机的平均有效压力以及有效扭矩在转速降低时将有所增大，这就可能使柴油机的机械负荷在较低转速运转时超出允许值。
因此，对柴油发电机各种响应曲线的理解是确保柴油发电机组的可靠性和稳定性的关键。在柴油发电机组日常生产和维护中，操作员们必须密切关注这些曲线，确保机器的正常运行。
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