摘要：发电用柴油机的负荷特性是指当柴油机转速不变时，其性能指标随负荷的变化关系。此时因转速不变，有效功率Pe、转矩Ttq和平均有效压力pme之间互成比例关系，均可表示柴油机负荷的大小。由于汽油机和柴油机对负荷的调节方式不同，负荷特性中对负荷的表示方法也有所不同。汽油机采用“量调节”，通过节气门开度调节进入气缸的混合气量，负荷大小可用节气门开度表示；柴油机采用“质调节”，在一定转速下通过调节喷入气缸的燃油量来控制负荷，转速一定时进入气缸的空气量基本保持不变，随负荷增加喷油量加大、混合气变浓，负荷大小也可用空燃比表示。负荷特性主要研究柴油机的经济性，即输出一定功率时所消耗的燃料量，同时分析排放特性，以评价获得这些动力所造成的环境污染程度。本文分别介绍汽油机与发电用柴油机负荷特性的制取方法与变化规律，对比两者在指示热效率、机械效率及燃油消耗率方面的差异，为发电用柴油机的选型与经济运行提供理论参考。
一、汽油机的负荷特性
在试验台架上制取汽油机的负荷特性时，事先将柴油发电机预热使柴油发电机的冷却水温和机油温度达到正常温度（如80℃），并在保持不变的条件下，通过调节节气门开度的大小和测功器的负载，使柴油发电机转速稳定在设定的试验转速下。同时，在整个负荷范围内按设定步长改变柴油发电机转矩的大小，在每个试验工况点柴油发电机工作稳定后测量测功器的读数和燃料消耗量以及其他必要的排放指标。将试验测量结果，以负荷（节气门开度、Pe、Ttq及Pme均可）为变量（横坐标），绘出燃料消耗率be或其他排放指标随负荷变化的曲线，即完成负荷特性的制取工作（如图1所示）。
1. 中小负荷区间的性能变化规律
对汽油机，当负荷增加时，节气门开度增加，进气压力pn随进气流量的增多而增加。进气管多点喷射的汽油机，为了利用三效催化转化器同时净化CO、HC和NOx排放，利用氧传感器对空燃比进行反馈控制，所以随负荷的变化空燃比保持理论空燃比（α＝14.7）不变。而残余废气系数随进气量的增加而减小，残余废气（惰性气体）对燃烧过程的阻碍作用减弱，燃烧条件得到改善。所以，指示热效率ηi随负荷的增加而增加。同时，机械效率由ηm＝1-Pmm/Pmi得出，当转速一定时，摩擦损失基本保持不变，Pmm为常数，而随负荷的增加，进入气缸的可燃混合气量增多，燃烧放热量增加，所以单位气缸工作容积所做的指示功pmi增大，从而机械效率增加。因此，由式（1）知，燃料消耗率随负荷的增加迅速降低。公式如下：
其中：
—— 燃料消耗率，g/(kW·h)；
—— 指示热效率；
—— 机械效率；
—— 燃料低热值，kJ/kg。
若以有效热效率 表示，则公式可简化为：
或直接写作：
其中
2. 大负荷区间的性能变化规律
当负荷增加到大负荷时（如超过80％负荷），由于要求柴油发电机输出最大转矩，因此需要供给功率混合气。故电控汽油喷射系统的控制单元此时停止氧传感器的反馈控制，将空燃比控制在α＝12.5的功率混合气上。因此，混合气变浓，所提供的空气量小于理论上完全燃烧所需要的空气量，造成混合气燃烧不完全，使得指示热效率ηi降低。所以，燃油消耗率随负荷的增加降低到最低值以后在大负荷区随负荷的增加而增加。
图1 汽油发电机的负荷特性曲线图
二、发电用柴油机的负荷特性
发电用柴油机负荷特性的制取条件与汽油机相同，只是负荷的调节过程有所不同。发电用柴油机通常以额定转速运行，负荷变化时由调速器自动调节喷油泵的循环供油量，以维持转速稳定。对传统的机械式喷射系统的发电用柴油机，在试验台架上通过操纵喷油泵的供油拉杆（或齿杆）位置，可直接控制循环供油量Δb，达到控制喷射量的目的。而现在发电用柴油机上得到普及的电控高压喷射系统，其负荷需求信号并不直接控制喷射量，而只是作为对负荷大小需求的信息传送给ECU。ECU根据来自柴油机转速传感器的信息和负荷需求信号，通过存储在ROM中的事先通过转速和负荷的标定试验确定的喷射量的控制MAP图，读取该试验转速下对应于当前负荷需求的喷射量控制信息，由此控制喷油器的喷射持续时间（喷射脉宽），来控制喷射量。
1. 喷射量控制MAP图的标定
对ROM中无控制MAP图数据或需要重新标定的发电用柴油机，首先根据如前章节所述，需要确定不同转速下对应于最大负荷需求的最大喷射量，然后根据该转速下经济性和排放性能等要求具体标定出其他负荷需求所对应的喷射量。一旦喷射量控制MAP图确定，不同转速下随负荷需求变化的喷射量变化特性就确定了。
2. 负荷特性曲线的变化规律
图2所示为发电用柴油机的负荷特性。当柴油机转速一定时，随负荷的增加，喷射量增加，但进入气缸的空气量基本保持不变，所以空燃比逐渐减小。因此，这种负荷的调节方法称为质调节。此时，ηm随负荷变化的规律与汽油机相同，随负荷的增加而增加。但ηi随负荷的变化规律却与汽油机不同。
对发电用柴油机，随负荷的增加，空燃比减小，混合气不均匀现象更为严重，混合气中空气的含量减小，不完全燃烧的倾向增加，所以ηi随负荷的增加而减小。但是，在中小负荷范围内，随负荷增加，空燃比减小时，由于发电用柴油机在整个负荷范围内的平均空燃比都大于理论空燃比，所以对ηi的影响不明显。因此，由式（1）可知，随负荷的增加，ηm增加，而ηi降低，所以be降低，但其降低速度受到限制。随负荷继续增加到使ηi和ηm的乘积达到最大值（ηiηm）max时，be达到最低。之后，继续增加负荷，则由于混合气过浓，燃烧恶化，不完全燃烧及补燃增加，ηi明显降低，而此时ηm增加不多，致使be升高，而且排气烟度也开始随负荷明显增加。
3. 烟度限值与喷射量控制
一般排放法规中明确规定了烟度的排放限定值。若继续增加负荷，可能导致烟度排放超过法规规定的限值标准。所以，在喷射量的控制MAP图中，根据烟度随喷射量增加的关系，专门设定了各转速下限制烟度的最大喷射量控制MAP图，并在实际控制时通过ECU，在相同转速下与负荷需求信号控制的最大喷射量进行比较，取其中较小的值来控制喷油器，以限制排烟。对生产企业，考虑到产品质量一致性的问题，将烟度排放限定值规定得比现行的国家标准更严格一些。对发电用柴油机而言，由于机组通常在额定转速下运行且负载相对稳定，其负荷特性曲线的最低燃油消耗率点对应的负荷区间成为机组经济运行的重要依据。
图2 柴油发电机的负荷特性曲线图
三、汽油机和柴油发电机负荷特性的区别
由于汽油机和柴油发电机混合气形成方式、负荷调节方式及燃烧方式的不同，汽油机和柴油发电机的负荷特性有所区别。
1. 指示热效率变化规律的差异
主要体现在，由于负荷调节方式不同，造成汽油机和柴油发电机的指示热效率ηi随负荷的变化规律相反。汽油机采用量调节，随负荷增加，残余废气系数减小，燃烧条件改善，ηi随负荷增加而增加；柴油发电机采用质调节，随负荷增加，空燃比减小，混合气不均匀现象加剧，不完全燃烧倾向增加，ηi随负荷增加而减小。
2. 燃油消耗率曲线的差异
因此，汽油机的燃油消耗率be随负荷变化的曲线比柴油发电机的要陡，表明汽油机经济性指标对负荷的适应性差。而柴油发电机压缩比比汽油机高，所以热效率也高，使得其燃油消耗率随负荷的变化特性既缓慢又低，表明柴油发电机的经济性比汽油机好得多，且对负荷的适应性范围也宽。
3. 节能与排放的综合比较
所以，从节能与CO2排放角度，在现有发电用柴油发电机中，柴油发电机是很有前途的一种柴油发电机。柴油发电机在中小负荷区即可获得较低的燃油消耗率，且最低燃油消耗率点对应的负荷范围较宽，适合发电机组在负载波动工况下长期运行；汽油机则因节气门节流损失与量调节特性，在部分负荷工况下经济性明显劣于柴油发电机。
总结
汽油机与柴油发电机的负荷特性差异，根源在于负荷调节方式的不同。汽油机采用量调节，通过节气门开度控制混合气量，指示热效率随负荷增加而增加，燃油消耗率曲线较陡；柴油发电机采用质调节，通过喷射量控制负荷，指示热效率随负荷增加而减小，燃油消耗率曲线平缓且数值较低。两者机械效率均随负荷增加而增加，但综合作用下，柴油发电机在中小负荷区即可获得较低的燃油消耗率，经济性与负荷适应性均优于汽油机。在电控高压喷射系统普及的今天，柴油发电机通过喷射量控制MAP图标定与烟度限值控制，进一步优化了负荷特性与排放性能。从节能与CO2排放角度，柴油发电机在发电应用领域具有明显的技术优势与发展前景。
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