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设备装配与整机调试 |
柴油发电机燃油系统调速器的原理和调整步骤 |
摘要：调速器是柴油发电机组燃油系统一个重要的部件，以保证柴油发电机组正常运行。柴油机的不同转速是通过改变循环喷油量来获得的，而改变柴油机的油量调节机构，使其转速调节到规定的转速范围内称柴油机调速。为此必须装设专门的调速装置，以便根据柴油机负载的变化自动调节供油量，维持其规定的转速范围。康明斯公司在本文中阐述了柴油发电机组调速的原理和必要性、调速器的类型和性能指标以及机械调速器的调整方法。
一、调速器的工作原理
柴油机机械调速器位置如图1所示。当柴油机在一定载荷和一定转速下运转时，感应元件旋转的离心力，通过推力盘与调速弹簧压缩推力及运动机件的摩擦力相平衡紫油的供给量不变因而机器的转速稳定。如果载荷同轻机。器转速便会升后感应元件所产牛的心力墙加。推力盘的推力则大干调速弹需的压缩推力。感应元件治两个斜盘的斜面向外飞出。而血使推力盘通过控制板带动油门拉杆向减少油量的方向移动，减少了供油量，以适应减轻了的载荷，直至感应元件的离心力与调速弹簧的推力再次平衡为止。如果载荷增加、由于原有供油量已不够使用，引起机器转速降低，感应元件所产生的离心力小干弹的压缩推力。迫使感应元件向外收缩，推力盘通过控制板带动油门拉杆向增加油量方向移动。增大了供油量以活应载荷的增加。直至感应元件的离心力与弹筋压缩推力取得新的平衡时为止。转速的调整可通过改变油门操纵杆的位置来实现。
此时与它联动的调速叉迫使调速器弹簧的压缩推力改变、调速器就能自动地把油门拉到相适应的位置，得到理想的转速。调节轴前端的校正弹簧是为了当柴油机因超载而造成转速下降时，能多供给一些柴油，以增加储备扭矩，提高适应性。即当转速下降时，由于飞球座的离心力减小，使调速弹簧产生一个剩余压力，压缩校正弹簧，使油泵调节拉杆向前移动R达到了挡加供油一的日的。校正单离题与永片之门间的D移动出能改变校正油量佰饭越大校正佰越大。若校正弹笔压缩素。则没有校正量。机器得不到储备扭矩。丧失掉对超季荷的适应能力。校正弹带的刚度和自中长度，因配用的机型不同而有不同规格，因此是不能互换使用的。高速限制螺钉旋进时，可使高转速降低，反之转速便可以更高。怠速限制螺钉旋进时，可使低速升高、反之则可使转速更低。调节轴（亦称油量限制螺钉）旋进时油量增加、反之油量减少。
1、调速器
结构如图2所示。从字面上看是调速的，实质上产是调节发动材机扭矩的。根据外加负荷变化的要求，通过改变供油量，调节柴油发电机的输出扭矩，使它与变化后的外加负荷相平衡，使柴油发电机的转速重新得到稳定。
2、调速手柄的主要作用
选定柴油发电机的工作转速。调速手柄扳到某一位置固定不动，调速单簧的预拉力一定，作业时柴油发电机的转速由调速单簧预拉力所决定，也固定为某一数值。当负荷变化时，调速器力图使柴油发电机转速保持为固定的数值，不使转速的变化超出一定范围。
3、自动调节转速的条件
柴油发电机的负荷是在空载与全载范围内变化，发动超负荷时调速器不起作用。当柴油发电机的负荷由空载逐渐增加阳时，调速杠杆逐渐向增加供油量的方向转动柱塞，当柴油发电机达到全负荷.柱塞便转到最大供油由量的极限位置。此后负荷再增加，调速器已失去作用，不能使供油量继续加大，因而柴油发电机转速急剧下降，加上转速下降后循环供油量又随之减少，使转速一直下降到熄火。因此，在作业中要尽量避免使柴油发电机超负荷。
4、调速器调速性能
工作正常的调速器，在工作转速范围内，调速器手柄固定在任意一个位置时，当外界载荷变化调速器能随之自动地调节油量大小，控制柴油发电机在一定的转速范围内运转，不应有发涩或卡住的现象。油量控制拉杆在调速器还没起作用时应是稳定的，不允许有抖动现象，但在怠速运转时，由于喷油泵柱塞泵油的振动而引起拉杆微量料动是允许的。
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图1 燃油泵总成系统图 |
图2 调速器内部组成 |
二、调速器的类型和优缺点
柴油机调速器可以从两个维度分类：一是按工作原理（如何调节），二是按调节范围（何时调节）。以下是主要类型及其优缺点对比。
1、按工作原理分类
（1）机械式：
利用飞锤/飞球的离心力直接推动油量调节机构。
① 优点：结构最简单，工作可靠；无需外部电源；成本低，维护方便。
② 缺点：调节精度较低（稳态调速率±3%~5%）；响应速度慢；存在“静不灵区”影响灵敏度。
③ 应用场景：广泛用于单机功率较小、对转速精度要求不高的场合，如农用机械、小型发电机。
（2）液压式：
飞块感应转速变化，控制液压伺服机构（动力活塞）产生强大推力来调节供油。
① 优点：输出力矩大，调节精度高（稳定调速率可到0），通用性强，稳定性好。
② 缺点：结构复杂，对制造工艺和油品清洁度要求高，成本较高。
③ 应用场景：大功率、重负载柴油机，如船舶主机、大型发电机组及高污染粉尘环境。
（3）气动式：
利用膜片感知进气管真空度变化，将其转换为机械动作调节供油。
① 优点：结构简单，在低速小负荷时灵敏度较高。
② 缺点：进气管内加装节流阀会增加进气阻力，导致功率下降；调节精度和响应速度有限。
③ 应用场景：目前应用较少，仅见于部分小功率柴油机。
（4）电子式
转速传感器采集信号，电子控制单元（ECU）分析处理后控制执行器（电机/电磁铁）调节油量。
① 优点：调节精度极高（±0.25%~1%），动态响应快，.功能丰富（并机、自动补偿等）。
② 缺点：依赖稳定电源，需防电磁干扰，结构复杂，成本高，维护需专业设备。
③ 应用场景：对转速精度和动态性能要求高的现代高端设备，如数据中心备用电源、通信基站、并联运行发电机组及高原特殊环境。
2、按调节范围分类
（1）单程式
仅在设定的某一固定转速（通常是标定转速）下起作用。
① 优点：结构最简单，能保证单一工况转速恒定。
② 缺点：无法适应变转速工作需求。
③ 应用场景：工作转速基本不变的恒速设备，如驱动发电机。
（2）两极式
只控制最低怠速和最高额定转速。中间转速由操作员直接控制。
① 优点：在保证怠速稳定和防止超速（飞车）的前提下，保留了操作员对油门最直接的响应。
② 缺点：中间转速不能自动稳定，需人为不断调整。
③ 应用场景：主要用于对操作体验有一定要求的中小型汽车、卡车。
（3）全程式
在柴油机从怠速到最高转速的整个工作范围内都能自动起作用，可使发动机稳定在任意设定转速。
① 优点：极大减轻操作人员负担，提高舒适性；提高带载作业质量和效率。
② 缺点：结构相对两极式更复杂。
③ 应用场景：工况变化频繁、对稳定性要求高的设备，如工程机械、重型汽车、拖拉机、叉车及多数发电机组。
三、调速器的性能指标
评价柴油发电机组调速器的性能，不能只看它是机械式还是电子式，而是要看一系列可量化的技术指标。这些指标通常分为静态和动态两大类，共同决定了发电机组的供电质量。
1、静态指标
（1）稳定调速率δ2。
指当操纵手柄在标定供油位置时，最高空载转速nomax与标定转速nb之差同标定转速nb比值的百分数，即：
δ2=｛（nomax-nb）/nb｝×100%
稳定调速率δ2用来衡量调速器的准确性，其值愈小，表示调速器的准确性愈好。δ2在国外称速度降（Speed droop）。对单台柴油机运转允许δ2=0，表示该柴油机将不随外界负荷变化而保持恒速运转。但在几台柴油机并联工作时，为使各机负荷分配合理，各机的δ2必须相等且不得为零。对δ2的要求应根据柴油机的用途而定。我国有关规范规定，柴油发电机主机的δ2≯10%；交流发电机的δ2≯5%。
（2）转速波动率φ或转速变化率φ
转速波动率φ=｛[ncmax（ncmin）-nm]/nm｝×100%
转速变化率φ=｛（ncmax-ncmin）/nm｝×100%
式中，ncmax——测定期间的最高转速，r/min；
ncmin——测定期间的最低转速，r/min；
nm——测定期间的a平均转速，r/min，nm=（ncmax+ncmin）/2。
一般，在标定工况时φ≤（0.25~0.5）%；φ≤（0.5~1）%。
（3）不灵敏度ε
ε=｛（n1-n2）/nm｝×100%
式中，n1——柴油机转速减少时，调速器开始起作用的转速，r/min;
n2——柴油机转速增加时，调速器开始起作用的转速，r/min;
nm——柴油机平均转速，r/min，nm=（n1+n2）/2。
不灵敏度过大会引起柴油机转速不稳定，严重时会导致调速器失去作用发生飞车，一般规定在标定转速时ε≤（1.5~2）%;而在最低稳定转速时ε≤（10~13）%。
2、动态指标
（1）瞬时调速率δ
突卸全负荷瞬时调速率：
δ1=｛（nmin-nomax）/nb｝×100%
式中：nmax——突卸100%负荷时的最高瞬时转速；
nb——突卸100%负荷前的稳定转速（标定转速）。
我国有关规范要求发电柴油机的+10%; （突加50%后再加50%全负荷）≯10%。
（2）稳定时间t₅
指从突加（或突减）全负荷后转速刚偏离最高空载转速的波动范围（或标定转速的波动范围）到转速恢复到标定转速的波动范围（或最高空载转速的波动范围）为止所需时间（s）。我国有关规范规定，交流发电机t₅≯5s。
四、调速器的调整
燃油系统调速器的作用是控制柴油柴油发电机因喷油泵的速度特性而产生的工作不稳或“飞车”等现象。其工作性能不良时，会导致柴油柴油发电机熄火或工作不稳，严重时会产生“飞车”，从而发生严重的机械故障。因此在调试机械式喷油泵时，对调速器也要进行调整。
1、通用安全与操作原则
在进行任何调整前，务必牢记以下几点：
（1）安全第一：调速器调整不当可能导致柴油机“飞车”（转速失控），造成严重机械损坏甚至伤人。非专业人员请勿操作。
（2）准备工作：查阅柴油机/发电机组的技术手册，了解调速器的型号、各调整元件的功能和出厂设定值。准备好必要的工具，如转速表、万用表、螺丝刀等。对于机械调速器的调整，通常需要在专用试验台上进行。
（3）记录原始位置：调整任何可调元件（电位器、螺钉、弹簧垫片等）前，务必记录下其原始位置（如用记号笔做标记），以便调整无效或出错时能够恢复。
（4）分步调整，避免大幅变动：所有调整都应遵循“微调、观察、再调”的原则，每次调整幅度要小，并观察机组实际反应。
2、调整方法
（1）高速启动作用点的调试：启动试验台，使喷油泵转速由低到高逐渐接近额定转速，并将喷油泵操纵臂推至最大供油位置（推到底），然后缓慢增加喷油泵转速，同时注意观察供油调节齿杆位置的变化情况。在供油调节齿杆开始向减小供油量方向移动时的转速，即为调速器高速启动作用点的转速。为保证获得规定的额定转速，而又不致过多地超过规定值，一般是将高速启动作用点的转速调至较额定转速高出10r/min为好（指凸轮轴的转速）。调整方法是改变调速弹簧预紧力。
（2）低速启动作用点的调试：启动试验台，使喷油泵在低于怠速转速下运转，然后缓慢转动操纵臂，当喷油泵刚刚开始供油时，固定操纵臂，并逐渐提高喷油泵转速，同时注意观察供油调节齿杆位置变化情况。当供油调节齿杆开始向减少供油方向移动时的转速，即为低速启动作用点的转速，其值不得高于怠速转速规定值。
（3）全负荷限位螺钉的调整：旋松全负荷限位螺钉，并使喷油泵以额定转速运转，然后将操纵臂缓慢向增加供油量方向移动，当供油调节齿杆达到最大行程时，停止移动操纵臂，这时拧入全负荷限位螺钉，使其与操纵臂上的扇形挡块相接触即可。
（4）怠速稳定弹簧的调整：由于柴油柴油发电机怠速运转时，调速器的飞块离心力很小，不能立刻将供油调节齿杆推向增加供油量方向。而怠速稳定弹簧的作用就是协助调整怠速的灵敏度。通常在稳定怠速工况时，怠速稳定弹簧应能够将供油调节齿杆向增加供油方向推进0.5mm。不符时，可通过调节怠速稳定弹簧的预紧力调整螺钉来达到。
（5）停止供油限位螺钉的调整：在怠速稳定弹簧调好后，停止喷油泵的运转，这时供油调节齿杆将向增加供油方向移动一个距离，然后转动操纵臂，使供油调节齿杆处于完全停止供油的位置，此时旋入停止供油限位螺钉，使其与操纵臂轴上的扇形挡块相接触，最后将停止供油限位螺钉的锁紧螺母拧紧。
3、动态性能验证（调整后必做）
柴油机在承受负荷情况下，可检查调速器的稳定性，调整步骤与无负荷时相同。一般只需稍许调整一下反馈指针或补偿针阀开度即可达到满意的调节。调节完毕后，应记录反馈指针位置、针阀开度和速度降数值。锁紧反馈指针位置后不要随便移动。康明斯机械型调速器没有反馈指针，因而其稳定性调节比较简单，只需从全开针阀到逐步关小针阀进行调节即可，最后仍需使针阀开度符合1/16转～2转的要求。应尽量使针阀有较大的开度以保证调速器调节迅速。
（1）空载测试：在额定转速下空载运行，观察转速是否平稳，无振荡。
（2）负载测试：这是最关键的验证步骤-。通过分级突加、突卸负载（如25%-50%-75%-100%），观察发动机转速的瞬时波动和恢复稳定的时间。性能优良的电子调速器应能做到瞬时波动小（＜2%）且在1秒内快速恢复稳定。
（3）超速保护测试：如果控制器有超速保护功能，应验证其设置是否正确。可在发动机正常运转时，通过模拟信号或降低超速设定点的方法进行测试，确保其在设定转速能可靠切断燃油。
总结：
调整柴油发电机组调速器是一项精细且需要遵循正确步骤的工作，直接关系到机组的运行稳定性、供电质量，甚至设备安全。不同类型的调速器（机械/电子）调整方法有所不同，但核心原则和注意事项是通用的。因此，调整柴油发电机组调速器的关键在于理解原理、遵守步骤、耐心微调。对于复杂的电子调速器，应优先理解每个电位器的作用；对于机械调速器，则需在专用台架上精确校准。调整的最终目标是让柴油发电机组在任何负载下都能保持频率稳定、响应迅速，从而输出高质量的电力。
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