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、速度特性曲线和调速特性曲线等。本文系统阐述了柴油机特性曲线的定义与分类——速度特性（全负荷速度特性/外特性、部分负荷速度特性、超负荷速度特性）、负荷特性（转速不变时性能参数随负荷变化的关系）及调速特性（取决于调速器工作性能，标出有效扭矩/平均有效压力/有效功率与转速的关系）；详细解析了发动机特性曲线图的坐标含义（横坐标为转速n/r/min，纵坐标为有效扭矩Me/N·m、有效功率Ne/kW及比油耗ge/g/(kW·h)）；给出了各特性的工程应用——外特性曲线反映发动机最大动力输出能力（转速1500 r/min时扭矩和功率分别达最大值），负荷特性用于确定最佳经济工作点，调速特性用于评估调速器性能；介绍了频率响应曲线的工程意义——随负载增加曲线斜率变陡，达到限制曲线后负载再增加将导致频率下降，操作员应使机组运行状态始终处于曲线的合适位置并监控频率和电压。本文可为柴油机特性曲线的理解与工程应用提供技术参考。
一、什么是发动机特性曲线图
在柴油发电机厂商的宣传资料中，发动机特性曲线（也称发动机工况图）是将发动机功率、转矩与发动机曲轴转速之间的函数关系以曲线表示，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。
1. 特性曲线图的坐标参数解读
1）横坐标——转速（）：横坐标表示发动机曲轴的实时转速，单位是转/分钟（r/min）。图中通常标注等若干特征转速点，覆盖从最低稳定转速到最高允许转速的整个工作范围。对于发电用柴油机，额定转速通常为1500 r/min（对应50 Hz）或1800 r/min（对应60 Hz）。
2）纵坐标——有效扭矩（）：纵坐标表示发动机输出的有效扭矩，单位是牛·米（N·m）。有效扭矩是衡量发动机旋转力大小的参数，它直接反映了柴油机克服外界阻力（拖动发电机转子旋转）的能力。从试验图2可以看出，在1500 r/min时发动机扭矩达到最大值，这是决定发动机性能的核心参数之一。
3）纵坐标——有效功率（）：纵坐标同时表示发动机的有效功率，单位是千瓦（kW）。功率是单位时间内所做的功，代表了发动机产生能量的速率。功率与扭矩和转速的关系为：
式中为有效功率（kW），为有效扭矩（N·m），为转速（r/min）。从图2可以看出，在1500 r/min时发动机功率也达到最大值，这是另一个决定发动机性能的主要参数。
4）纵坐标——有效燃油消耗率（）：比油耗是指有效燃油消耗率，单位是克/每千瓦小时（g/(kW·h)）。它反映发动机每发出1 kW功率、连续运行1小时所消耗的燃油量。该数值越低，表示发动机的经济性越好。在特性曲线中，曲线通常呈先降后升的形态——在经济转速区间达到最低点，过高或过低的转速都会使油耗率升高。
2. 外特性曲线与部分负荷特性曲线的区别
1）外特性曲线（全负荷速度特性）：当喷油泵油量调节机构固定在标定位置（相当于标定转速下发出标定功率的供油量）时，所测得的曲线称为外特性曲线。它反映了发动机在“全油门”状态下所能输出的最大功率和扭矩，是评价发动机动力性能的基准曲线。
2）部分负荷特性曲线（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（即部分供油），所测得的曲线称为部分负荷特性曲线。它反映了发动机在非全油门状态下的性能表现，对于实际运行中经常处于部分负荷的发电机组具有重要参考价值。
3）超负荷速度特性：当油量调节机构固定在110%标定功率对应的极限供油位置时，所测得的特性称为超负荷速度特性。此工况下柴油机必须在超负荷功率下至少连续运转1小时，机件承受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严格限制的。
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所提供的信息。
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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
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。运转中这些性能指标随柴油机运转工况的不同而变化。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。把这种变化规律在坐标轴上用曲线形式表示出来，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，知道如何提高其可靠性、使用寿命以及如何节油。
对于特定的柴油机，在运转中可能使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略有变化），柴油机的性能参数随转速变化的关系称为速度特性。
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（外特性）：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）。该特性反映了发动机的最大动力输出能力。
（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：国家标准规定，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。在此工况下，喷油泵调节机构在最大供油位置，气缸内温度和压力都很高，机件承受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（通常不超过1小时）。
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）变化的关系称为负荷特性。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）进行测量，包括柴油机的速度特性、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，做出相关分析总结对比。
负荷特性曲线（图4）主要用于确定柴油机在不同负荷下的经济性表现，找出最低油耗率对应的负荷区间，指导实际运行中的经济负荷选择。
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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 |
3. 调速特性
根据柴油机转速仿真试验（如图6所示），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，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 |
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。
1. 频率响应曲线的形态与特点
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）曲线的初始段（轻载区）：当发电机处于轻载或空载状态时，频率响应曲线较为平缓，频率随负载变化的幅度较小。此时发电机有较大的频率调节裕量。
2）曲线的中段（经济负载区）：随着负载的增加，曲线斜率逐渐增大，频率变化开始变得明显。此区域通常是发电机运行的经济区（约50%～80%额定负载），在保证频率稳定的同时具有较好的燃油经济性。
3）曲线的末段（重载区）：当负载接近额定值时，曲线斜率显著增大，频率对负载变化更加敏感。此时应密切关注频率和电压的变化，避免超载运行。
4）限制曲线：当负载继续增加超过额定值时，曲线变得非常陡峭，进入“限制曲线”区域。此时发电机已无额外容量来支撑负载变化，任何负载增加都会导致频率急剧下降。继续增加负载将导致频率跌破合格范围（如50 Hz系统低于47 Hz），可能引发设备跳闸或停电。
2. 频率响应曲线的工程应用
1）运行状态监控：了解曲线的形态和特点对于预测和避免异常情况非常重要，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）运行区间控制：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。建议将运行负载控制在额定功率的50%～80%之间，既保证频率稳定性，又保持较好的燃油经济性。
3）异常情况处理：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。特别是当频率降至48 Hz以下（50 Hz系统）时，应立即采取降载措施。
3. 频率响应与负载管理的实际建议
1）对于经常出现负载波动的应用场景（如工程机械、野外作业），建议配置电子调速器（稳态调速率≤0.5%），其频率响应性能优于机械调速器（稳态调速率2%～5%）。
2）在并机运行或多机并联系统中，各机组的频率响应曲线应尽可能一致，以保证负载分配均匀，避免单台机组进入限制曲线区域。
3）定期进行负载试验，实测频率响应曲线，与制造商提供的标准曲线对比，及时发现调速系统性能下降趋势。
总结
柴油机特性曲线是衡量柴油机动力性和经济性的重要工具，常用的有速度特性曲线、负荷特性曲线和调速特性曲线。速度特性分为全负荷速度特性、部分负荷速度特性和超负荷速度特性；负荷特性用于确定不同负荷下的经济性表现；调速特性取决于调速器工作性能，标出有效扭矩/有效功率与转速的关系。发动机特性曲线图的坐标含义为：横坐标转速（r/min），纵坐标有效扭矩（N·m）、有效功率（kW）和比油耗（g/(kW·h)）。频率响应曲线表明，随着负载增加曲线斜率变陡，达到限制曲线后负载再增加将导致频率下降，操作员应始终使机组运行状态处于曲线的合适位置并监控频率和电压。理解并正确应用这些特性曲线，是确保柴油发电机组可靠性、稳定性和经济性的关键，可指导选型、运行监控和故障预防。此外，柴油机还有限制特性（等扭矩限制/机械负荷限制），用于避免柴油机因机械负荷过大而损坏。对全负荷速度特性不够严格的机型，需特别注意低速运转时的机械负荷可能超出允许值。掌握这些特性曲线的含义和应用，对于柴油发电机组的日常生产和维护至关重要。
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