新聞主題	柴油發(fā)電機頻率響應(yīng)特性曲線

 

摘要：柴油機在不同的工況下，各主要指標(biāo)是變化的。要找出它們的變化規(guī)律，必須在發(fā)動機測功器上進(jìn)行試驗，測出在不同工況下的數(shù)據(jù)，并繪制成曲線表示其變化關(guān)系。這些曲線稱為柴油機特性曲線。在衡量柴油機的動力性和經(jīng)濟(jì)性時，常用的特性曲線有負(fù)荷特性曲線、頻率特性曲線和調(diào)速特性曲線等。柴油機試驗時，如將柴油機噴油泵的供油拉桿（油門）固定在某一位置上，并調(diào)節(jié)作用在飛輪上的阻力扭矩（即發(fā)動機的負(fù)荷），發(fā)動機的轉(zhuǎn)速必將發(fā)生變化。這樣可將測得的數(shù)據(jù)繪制成發(fā)動機的有效扭矩Me、有效功率Ne和耗油率ge隨轉(zhuǎn)速n而變化的關(guān)系曲線，稱為柴油機的速度特性曲線。

 

一、什么是發(fā)動機特性曲線圖

 

      大家在讀各種柴油發(fā)電機廠商的宣傳資料中會發(fā)現(xiàn)有發(fā)動機特性曲線（也有叫發(fā)動機工況圖），將發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系以曲線表示，此曲線稱為發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線或簡稱為發(fā)動機特性曲線，如圖1所示；如果柴油機高壓油泵在最大供油量位置，此特性曲線稱為發(fā)動機外特性曲線；如果部分供油，稱為發(fā)動機部分負(fù)荷特性曲線。

      從試驗圖2可以看出，轉(zhuǎn)速在1500轉(zhuǎn)/分情況下，發(fā)動機扭矩和功率分別達(dá)到最大值，這是兩個決定發(fā)動機性能的主要參數(shù)。代表了發(fā)動機實時功率，單位是千瓦，它決定了發(fā)動機到底能產(chǎn)生多大的能量。圖1中的ge是指比油耗量，單位是克/每千瓦小時，它反映的是發(fā)動機發(fā)動機每發(fā)出1kW功率，運行1h的耗油量；n1.....n5就是發(fā)動機的實時轉(zhuǎn)速，單位轉(zhuǎn)/每分鐘；理清了每個坐標(biāo)軸上數(shù)字的意義，下一步就是了解發(fā)動機的特性曲線圖給我們吐露的信息。

 

圖1  柴油機外特性曲線

圖2  柴油機有效功率試驗曲線

 

二、柴油機特性

 

      我們已知表征柴油機性能的主要指標(biāo)有平均有效壓力、有效扭矩、有效功率、有效耗油率、平均指示壓力等。運轉(zhuǎn)中的這些柴油機性能指標(biāo)是隨著柴油機運轉(zhuǎn)工況的不同而變化的。柴油機的主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)（如排氣溫度、最高爆發(fā)壓力、增壓壓力等）隨運轉(zhuǎn)工況變化的規(guī)律稱為柴油機的特性。如果把這種變化規(guī)律在坐標(biāo)軸上用曲線的形式表示出來，這種曲線即稱為柴油機的特性曲線。有了特性曲線，掌握了柴油機的特性，就可以合理利用柴油機的一系列特性，知道我們在使用柴油機時如何提高其可靠性、使用壽命，以及如何節(jié)油。如在各種使用條件下決定其極限允許使用范圍，選擇其最佳工作點，檢查其工作質(zhì)量（性能指標(biāo)、工作參數(shù)）是否良好等。

      對于特定的柴油機在運轉(zhuǎn)中可能使柴油機有效功率發(fā)生變化的參數(shù)只有平均有效壓力和轉(zhuǎn)速，它們是兩個可以互相獨立的基本參數(shù)。由此，根據(jù)平均有效壓力和轉(zhuǎn)速的變化情況可將柴油機的特性進(jìn)行分類。

1、速度特性

      當(dāng)平均有效壓力不變（測定時是將油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定，平均有效壓力在實際上是略有變化的），柴油機的性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。

      測定速度特性時，將噴油泵油量調(diào)節(jié)桿固定，然后改變柴油機外負(fù)荷以改變其轉(zhuǎn)速，使柴油機在最高允許轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之間各不同的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，并測量各轉(zhuǎn)速下的功率、扭矩（或平均有效壓力）、有效耗油率和排氣溫度等。將測得的數(shù)據(jù)整理在以轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)的圖上，即得到柴油機的速度特性曲線。

（1）全負(fù)荷速度特性

      由于噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定的位置不同，即泵的有效行程不同，每循環(huán)的供油量不同，所測得的特性曲線也不同。如果把油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在標(biāo)定位置（相當(dāng)于柴油機在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下發(fā)出標(biāo)定功率的供油量）時，所測得的柴油機特性稱為全負(fù)荷速度特性（習(xí)慣上亦稱為外特性）。

（2）部分負(fù)荷速度特性

當(dāng)油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在比標(biāo)定位置小的位置時所測得的柴油機特性稱為部分負(fù)荷速度特性（亦稱部分特性）。

（3）超負(fù)荷速度特性

      我國國家GB規(guī)范規(guī)定，柴油機超負(fù)荷功率為標(biāo)定功率的110%，柴油機必須允許在超負(fù)荷功率下至少連續(xù)運轉(zhuǎn)1小時。此時，油量調(diào)節(jié)機構(gòu)所處的位置即為實際運轉(zhuǎn)中允許達(dá)到的極限位置。在柴油機油量調(diào)節(jié)機構(gòu)中裝設(shè)有限制塊，以防止油量調(diào)節(jié)機構(gòu)在運轉(zhuǎn)中超過這個極限位置。當(dāng)油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在這一極限位置時所測得的速度特性稱為超負(fù)荷速度特性。在這種情況下，由于噴油泵的調(diào)節(jié)機構(gòu)在最大供油位置上，所以汽缸內(nèi)的溫度和壓力都很高，致使機件受到很大的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷，工作條件惡劣。因此，按此特性工作的時間是有限制的。

2．負(fù)荷特性

      當(dāng)轉(zhuǎn)速不變，定于某一設(shè)定值時，柴油機的性能參數(shù)隨負(fù)荷（平均有效壓力）變化的關(guān)系。柴油機的負(fù)荷通常是指柴油機阻力矩大小，由于平均有效壓力正比于阻力矩，常用平均有效壓力來表示負(fù)荷。負(fù)載特性可通過電渦流測功機（試驗框圖如圖3所示），測量柴油機的速度特性、負(fù)荷特性；以及對柴油機功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、空燃比、排氣溫度、燃油消耗率（如圖5所示）的測量；通過整理試驗數(shù)據(jù)點，得到柴油機的負(fù)荷特性曲線，做出相關(guān)分析總結(jié)分析對比。

圖4  柴油機負(fù)荷特性曲線試

圖5  柴油機有效燃油消耗率試驗曲線

 

 

4。調(diào)速特性

      根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速仿真試驗（如圖6所示），可以表明調(diào)速特性與上述各種柴油機特性不同，它一般并不表明柴油機內(nèi)部的工作過程有關(guān)參數(shù)的變化情況，而只標(biāo)出有效扭矩、平均有效壓力、有效功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系（曲線如圖7所示），它主要取決于調(diào)速器的工作性能。實際上油量調(diào)節(jié)機構(gòu)在固定時的平均有效壓力或有效扭矩并不是定值，這是因為：

（1）由于節(jié)流、泄漏，噴油泵每循環(huán)的噴油量隨轉(zhuǎn)速的變化略有變化。

（2）增壓柴油機指示效率（主要取決于過量空氣系數(shù)）隨轉(zhuǎn)速增加會有所增加。

（3）增壓柴油機的機械效率隨轉(zhuǎn)速增加稍有降低。但對低速柴油機（主機）來說，因其轉(zhuǎn)速低，變化范圍小，噴油泵每循環(huán)噴油量隨轉(zhuǎn)速的變化很小；其過量空氣系數(shù)很大，它的變化對熱效率影響較小；其轉(zhuǎn)速變化范圍很小，機械效率隨轉(zhuǎn)速變化可以忽略。

      因此，可以認(rèn)為當(dāng)柴油機油量調(diào)節(jié)機構(gòu)位置一定時，轉(zhuǎn)速變化其平均有效壓力（或有效扭矩）不變。有效功率、平均有效壓力或有效扭矩與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。

 

圖6  柴油機轉(zhuǎn)速仿真測試

圖7  柴油機轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系曲線圖

 

 

三、頻率響應(yīng)曲線

 

      柴油發(fā)電機是為了滿足電能需求而設(shè)計的，在大多數(shù)情況下，它們運行的是交流電。在發(fā)電機工作過程中，頻率響應(yīng)曲線是一個重要的參數(shù)，因為它表明了發(fā)電機輸出電功率與電網(wǎng)電壓變化之間的相關(guān)情況。對于柴油發(fā)電機而言，頻率響應(yīng)曲線通常給出了它們對發(fā)電負(fù)載變化的響應(yīng)。這意味著在瞬態(tài)負(fù)載變化的情況下，發(fā)電機的輸出電功率和電網(wǎng)電壓的關(guān)系會發(fā)生一些改變。

      根據(jù)康明斯公司對柴油發(fā)電機組的頻率和轉(zhuǎn)速仿真試驗，曲線的形態(tài)在不同的發(fā)電機和負(fù)載類型下有所不同。在一般的情況下，隨著負(fù)載的增加，曲線的斜率越來越陡峭。當(dāng)負(fù)載達(dá)到一定程度時，曲線將會陡峭到可以稱之為“限制曲線”，這也是發(fā)電機可以輸出的最大功率。在這種情況下，負(fù)載再次增加將導(dǎo)致頻率下降，這可能會導(dǎo)致一系列負(fù)面后果，如設(shè)備故障或停電等。

（1）了解曲線的形態(tài)和特點對于預(yù)測和避免這些情況非常重要，同時對于控制發(fā)電機的生產(chǎn)和維護(hù)也至關(guān)重要。大多數(shù)發(fā)電機制造商提供了其設(shè)備的頻率響應(yīng)曲線，以供客戶參考。

（2）在日常維護(hù)和操作中，發(fā)電機的運行狀態(tài)應(yīng)該始終處于曲線的合適位置。如果太接近限制曲線，運行過程中就需要監(jiān)控頻率和電壓，確保在預(yù)定的范圍內(nèi)運行。

（3）如果發(fā)現(xiàn)任何問題，如負(fù)載過重或其他問題，操作員必須采取相應(yīng)的行動，例如更換部件或減少負(fù)載。如果這些問題不能及時解決，可能會引起嚴(yán)重的后果，例如故障、損壞甚至停電。

 

總結(jié)：

      除了上述特性以外，柴油機還有限制特性的說法，這是用來限制柴油機在各種轉(zhuǎn)速下持續(xù)運轉(zhuǎn)的功率的。有效扭矩的大小可以代表柴油機機械負(fù)荷的大小。有效扭矩大說明曲軸工作時的扭矩（扭應(yīng)力）大，說明平均有效壓力（有關(guān)零件機械應(yīng)力）大，也說明有關(guān)軸承的負(fù)荷大。所以，等扭矩限制就是進(jìn)行機械負(fù)荷限制。這樣，就可以避免柴油機因機械負(fù)荷過大而損壞。柴油機的全負(fù)荷速度特性也有上述對功率的限制。但是，對有些機型仍不夠嚴(yán)格，當(dāng)柴油機按全負(fù)荷速度特性工作時不能保證它在各種下都不超負(fù)荷。某些柴油機的平均有效壓力以及有效扭矩在轉(zhuǎn)速降低時將有所增大，這就可能使柴油機的機械負(fù)荷在較低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時超出允許值。

      因此，對柴油發(fā)電機各種響應(yīng)曲線的理解是確保柴油發(fā)電機組的可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在柴油發(fā)電機組日常生產(chǎn)和維護(hù)中，操作員們必須密切關(guān)注這些曲線，確保機器的正常運行。

 

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