摘要： 速度特性是指柴油发电机在正常工作条件下，负荷一定时，柴油发电机的性能指标随其转速的变化特性。这里，柴油发电机的正常工作条件是指柴油发电机的冷却水温和润滑油温度正常，点火时期和空燃比调节到最佳状态。而负荷一定是指控制柴油发电机负荷的条件一定。此时，通过调节测功器的负载，改变柴油发电机的转速，读取不同转速下柴油发电机的性能指标，并根据性能指标随转速的变化规律，绘出柴油发电机在该负荷条件下的一组速度特性曲线。而所要测量的柴油发电机性能指标，有柴油发电机的动力性指标、经济性指标和排放特性指标等。由于负荷设定的条件不同，柴油发电机的速度特性又分为全负荷速度特性（外特性）和部分负荷速度特性。由于柴油发电机中进入气缸的是纯空气，因此Фc的大小只提供产生多大转矩的可能性，而实际输出的转矩的大小主要取决于每个循环的实际喷射量Δg。本文围绕速度特性的基本概念与分类、全负荷速度特性、部分负荷速度特性三个方面进行系统论述，为柴油发电机的选型、匹配和运行控制提供参考。
一、速度特性的基本概念与分类
1. 速度特性的定义与试验条件
（1）速度特性的定义
速度特性是指柴油发电机在正常工作条件下，负荷一定时，柴油发电机的性能指标随其转速的变化特性。速度特性反映了柴油发电机在不同转速下的动力性、经济性和排放特性，是柴油发电机性能分析和匹配选型的重要依据。
（2）正常工作条件
这里，柴油发电机的正常工作条件是指柴油发电机的冷却水温和润滑油温度正常（80℃），点火时期和空燃比调节到最佳状态。冷却水温和润滑油温度正常是保证柴油发电机各部件处于正常工作温度范围的前提；点火时期和空燃比调节到最佳状态是保证燃烧过程正常进行的前提。
（3）负荷一定的含义
而负荷一定是指控制柴油发电机负荷的条件一定。对于机械式柴油发电机，负荷一定是指供油量调节机构的位置固定；对于电控柴油发电机，负荷一定是指负荷率固定在某一值上。负荷条件的确定方式不同，速度特性的定义方式也有所不同。
（4）测量方法
此时，通过调节测功器的负载，改变柴油发电机的转速，读取不同转速下柴油发电机的性能指标，并根据性能指标随转速的变化规律，绘出柴油发电机在该负荷条件下的一组速度特性曲线。测功器能够模拟实际负载并测量柴油发电机的输出转矩和转速，是速度特性试验的核心设备。
2. 性能指标的分类
（1）动力性指标
所要测量的柴油发电机性能指标，有柴油发电机的动力性指标，包括有效功率Pe和输出转矩Ttq。有效功率反映柴油发电机单位时间内对外输出的有用功，输出转矩反映柴油发电机对外输出的旋转力矩。
（2）经济性指标
经济性指标包括燃油消耗量B和燃油消耗率be。燃油消耗量反映柴油发电机单位时间内的燃油消耗总量，燃油消耗率反映柴油发电机单位有效功率的燃油消耗量，是评价柴油发电机经济性的核心指标。
（3）排放特性指标
排放特性指标包括CO、HC、NOx及PM等的排放量。随着排放法规的日益严格，排放特性指标在柴油发电机性能评价中的重要性不断提高。
3. 速度特性的分类
（1）分类依据
由于负荷设定的条件不同，柴油发电机的速度特性又分为全负荷速度特性（外特性）和部分负荷速度特性。分类的依据是负荷设定条件的不同，全负荷速度特性对应最大负荷条件，部分负荷速度特性对应小于最大负荷的任一负荷条件。
（2）全负荷速度特性
全负荷速度特性是指控制负荷的加速踏板位置处在最大位置时的速度特性，由此评价柴油发电机在各转速下的最大做功能力，所以只有一条曲线。全负荷速度特性是柴油发电机标定功率和最大转矩的依据。
（3）部分负荷速度特性
而部分负荷速度特性是指加速踏板位置处在小于全负荷的任一位置时的速度特性，所以有许多条曲线。部分负荷速度特性反映柴油发电机在实际运行中不同负荷条件下的性能表现。
（4）两种特性的关系
全负荷速度特性是部分负荷速度特性的包络线，部分负荷速度特性位于全负荷速度特性之下。两种特性共同构成柴油发电机完整的速度特性体系，为柴油发电机的匹配选型和运行控制提供全面依据。
4. 转矩与喷射量的关系
（1）充气效率与过量空气系数
由于柴油发电机中进入气缸的是纯空气，因此Фc的大小只提供产生多大转矩的可能性，而实际输出的转矩的大小主要取决于每个循环的实际喷射量Δg。根据充气效率的定义Фc＝m1/ms和过量空气系数的定义Фc＝m1/（ΔgL0），将转矩式改写为：
式中，Δg为循环喷射量（g/循环）；K5为常数，即K5＝K2L0/ms；ms为进气状态下充满气缸工作容积的空气量（kg）；m1为实际进入气缸的空气量（kg）；L0为1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量（kg/kg）。
（2）质调节与量调节的区别
柴油发电机采用质调节方式，即通过改变循环喷射量来调节输出转矩，而进气量基本不变。这与汽油机采用量调节方式（通过节气门改变进气量来调节输出功率）有本质区别。质调节方式使柴油发电机具有较高的压缩比和热效率。
（3）充气效率对转矩的影响
充气效率Фc反映气缸充气质量的好坏，Фc越大，气缸内可供燃烧的空气越多，产生较大转矩的可能性越大。但实际输出转矩还取决于循环喷射量Δg，Δg越大，实际输出的转矩越大。
（4）常数K5的物理意义
常数K5＝K2L0/ms综合反映了柴油发电机的结构参数和进气状态。其中，K2为与柴油发电机结构有关的常数，L0为理论空气量，ms为进气状态下充满气缸工作容积的空气量。K5的数值由柴油发电机的设计和进气状态决定。
二、全负荷速度特性（外特性）
在柴油发电机上普及电控技术以后，实现了数字化控制。传统的机械式柴油发电机外特性可定义为将油量调节机构（如加速踏板或油量调节拉杆位置）固定在额定功率循环供油量位置时，柴油发电机性能随转速的变化特性。但是数字化控制以后，加速踏板位置仅仅是一种信号，不直接控制喷射量。所以，电控柴油发电机的全负荷速度特性可定义为，在已确定各转速下最大喷射量的条件下，柴油发电机的性能指标随转速的变化特性。对发电用柴油发电机，在确定各转速下的最大喷射量时，需要考虑根据各转速下所能输出的最大转矩所对应的最大喷射量，以及根据各转速下所允许的烟度排放限定值确定的最大喷射量。这里的烟度限定值为当前推行的排放法规中规定的限定值。由于这两种方式确定的最大喷射量有可能不相同，所以在实际控制过程中，通过ECU进行最小化处理，选择两者之间的较小值并设定为该转速下的最大喷射量。柴油机外特性曲线如图1所示。
1. Ttq历程分析
（1）充气效率的变化特性
由于柴油发电机无节气门的节流损失，进气流动阻力小，所以Фc随转速的变化曲线比较缓慢。但是根据发电用柴油发电机性能要求所设计的进气管系和配气相位，其Фc也是在某一低转速下出现峰值，低于或高于该转速，Фc都有所下降。这种Фc的变化特性，为燃油喷射量及气缸的做功能力提供了依据。
（2）电控柴油发电机的喷射量设定
对电控柴油发电机，由于喷射量的设定相对独立，而不受机械式喷油泵的供油速度特性的影响。因此，基于Фc的特性，基本上根据目标转矩特性设定最大喷射量。这种独立的喷射量控制方式，使电控柴油发电机能够更精确地控制转矩输出。
（3）增压柴油发电机的低速转矩提升
现代发电用柴油发电机基本上都采用废气涡轮增压和电控高压喷射技术。对废气涡轮增压而言，一般在柴油发电机的高速区比较容易实现增压，因此高速时气缸的做功能力得到提高。但是在低速时由于柴油发电机的排气流量较小，涡轮增压器转速较低，增压程度不够，所以为了提高低速转矩需要加大喷射量。
（4）循环喷射量的变化特性
因此，在外特性上循环喷射量的变化特性在低速区Δgf随n的增加而增加；当n升高到增压器正常工作区以后，随n的增加Δgf有减小的趋势。因此，在低速区ηi和ηm变化不大，但Δgf增加，所以Ttq迅速增加到最大值。
（5）最大转矩的平顶区
增压柴油发电机受缸内最高爆发压力的限制，使得最大Ttq所对应的转速范围较宽，即外特性转矩曲线存在平顶区，然后随n的进一步增加，Δgf基本保持不变或有所减小，而ηi和ηm降低明显，所以Ttq也随n升高而降低。
2. Pe历程分析
（1）功率与转矩、转速的关系
根据Pe与Ttq、n的关系，由于Ttq变化平坦，所以在一定转速范围内Pe几乎与n呈线性增加，很难确定像汽油机那样的峰值功率点。
（2）飞车危险与限速控制
其结果使功率为零的最大转速nmax非常高，若不控制就会出现飞车的危险。因此，柴油发电机设定喷射量控制MAP时，专门设定限制极限转速的喷射量MAP图，以防超速飞车事故。限速控制是柴油发电机安全运行的重要保障。
（3）标定功率点的确定
在实际标定中，柴油发电机的标定功率点通常选择在标定转速附近，该转速下柴油发电机能够稳定输出标定功率，同时满足排放法规和可靠性要求。标定转速通常为1500r/min（50Hz）或1800r/min（60Hz）。
3. be历程分析
（1）低速区的变化
在低速区随n的增加，气缸内气流强度增加，改善混合气的形成和燃烧条件，所以ηi有所增加，而ηm变化不大，故be减小。
（2）最佳经济性点
当n升高到使ηi和ηm的乘积达到最大值时，be达到最小。这一转速点即为柴油发电机的最佳经济性点。
（3）高速区的变化
然后，随n的进一步升高，因混合气形成和燃烧过程所占曲轴转角增大，燃烧损失增加，ηi降低，同时ηm也降低，所以be逐渐增大。但在整个转速变化范围内be随n变化不大。这也是柴油发电机经济性好的原因之一。
4. 排放特性的变化
（1）NOx排放的变化
NOx排放随转速的变化受燃烧温度和高温持续时间的影响。在高速区，燃烧温度较高，NOx排放量增加；在低速区，燃烧温度较低，NOx排放量相对减少。
（2）PM排放的变化
PM排放随转速的变化受混合气形成质量和燃烧充分程度的影响。在低速区，气流强度较弱，混合气形成质量较差，PM排放量增加；在高速区，气流强度较强，混合气形成质量较好，PM排放量减少。
（3）排放控制的挑战
全负荷工况下，NOx和PM排放往往同时较高，排放控制面临较大挑战。现代柴油发电机通过电控高压喷射、废气再循环（EGR）、选择性催化还原（SCR）和颗粒捕集器（DPF）等技术，有效降低全负荷工况下的排放。
图1 高压共轨增压直喷柴油发电机外特性曲线图
三、部分负荷速度特性
传统的机械式柴油发电机的部分负荷速度特性定义为控制供油量的齿条（或拉杆）位置固定在小于最大供油量的某一位置时，柴油发电机的性能指标随转速的变化规律。但是，对数字化控制的现代电控柴油发电机而言，加速踏板的开度实际上只是代表着不同转速下所需求的柴油发电机输出转矩的大小。即使加速踏板开度一定，不同转速下的喷射量，由于性能要求不同，喷射量的标定结果也有很大的区别，因此，如何定义现代柴油发电机的部分速度特性还没有明确规定。对质调节式柴油发电机而言，其输出的转矩直接与喷射量有关，所以为了分析相同负荷条件下转速对性能的影响，这里将柴油发电机的部分负荷速度特性定义为，将负荷率固定在小于1的某一值上时，性能指标随转速的变化规律。这里负荷率指实际喷射量与该转速下最大喷射量的比值。由于负荷率从零到1之间可以设为许多值，所以部分负荷速度特性曲线也有许多条，典型的曲线如图2所示。
1. 空燃比与热效率的变化
（1）空燃比的变化
随n的变化特性基本上与外特性相似，只是因Δgf不同，所以部分速度特性时的空燃比不同。负荷率越小，空燃比越大，混合气越稀；负荷率越大，空燃比越小，混合气越浓。
（2）高速时热效率的变化
因此，在高速时，负荷越大，Δgf越多，后燃部分增加，所以热效率下降更明显。后燃导致燃烧放热推迟，热量在膨胀过程中释放，不能有效转化为机械功，热效率降低。
（3）低速时热效率的变化
在低速区，负荷越小，Δgf越少，混合气越稀，燃烧温度越低，燃烧效率下降，热效率也随之降低。因此，部分负荷工况下热效率通常低于全负荷工况。
2. Ttq与be的曲线族特征
（1）低速区的变化特征
因此，部分负荷速度特性上Ttq随n的变化特性为，在低速区负荷越小Ttq随n增加的速率越快，但在高速时却缓慢。
（2）曲线族的分布特征
因此，Ttq和be在部分负荷速度特性上，随不同负荷形成低速区随负荷的减小曲线间距宽、在高速区随负荷的增加曲线更密集的曲线组。
（3）最佳经济性负荷
对于柴油发电机，当80％负荷时be随速度变化曲线最低，即经济性最佳，此时混合气燃烧充分。这一特性对柴油发电机的经济运行具有重要指导意义，实际运行中应尽量使柴油发电机在80%负荷附近运行。
（4）负荷率对经济性的影响
负荷率过低时，柴油发电机在低效区运行，燃油消耗率升高；负荷率过高时，后燃增加，热效率下降。因此，合理选择负荷率是提高柴油发电机经济性的重要措施。
3. 功率曲线的分布特征
（1）功率与转矩、转速的关系
而输出功率曲线，主要取决于Ttq和n的乘积。
（2）曲线分布特征
而Ttq随n变化平坦，且不同负荷下的曲线基本平行，所以功率曲线在低速区较密集，高速区较稀疏。
（3）功率曲线的应用
功率曲线的分布特征为柴油发电机的负载匹配提供了依据。在实际运行中，应根据负载的功率需求选择合适负荷率下的功率曲线，确保柴油发电机在高效区运行。
4. 排放特性的变化
（1）NOx排放的变化
部分负荷工况下，燃烧温度较低，NOx排放量通常低于全负荷工况。但在高负荷率区域，燃烧温度仍然较高，NOx排放量可能接近全负荷水平。
（2）PM排放的变化
部分负荷工况下，混合气形成质量较差，PM排放量可能高于全负荷工况。特别是在低负荷率区域，燃烧温度低，氧化反应不充分，PM排放量显著增加。
（3）排放控制的策略
部分负荷工况下的排放控制策略包括：优化喷射策略，改善混合气形成质量；采用废气再循环（EGR），降低燃烧温度，减少NOx排放；采用颗粒捕集器（DPF），捕集PM排放。通过综合运用这些技术，可以有效降低部分负荷工况下的排放。
图2 柴油发电机的部分负荷速度特性曲线图
总结
柴油发电机速度特性分为全负荷速度特性和部分负荷速度特性。全负荷速度特性反映柴油发电机在各转速下的最大做功能力，只有一条曲线；部分负荷速度特性反映不同负荷率下性能随转速的变化规律，有多条曲线。电控柴油发电机的全负荷速度特性定义为在已确定各转速下最大喷射量的条件下性能指标随转速的变化特性，最大喷射量通过ECU在最大转矩对应喷射量和烟度限定值对应喷射量之间取较小值确定。Ttq在低速区迅速增加到最大值后存在平顶区，Pe在一定转速范围内与n呈线性增加，be在ηi和ηm乘积最大时达到最小。部分负荷速度特性中，Ttq和be形成低速区间距宽、高速区间距密的曲线族，80%负荷时经济性最佳。理解速度特性对柴油发电机的选型、匹配和运行控制具有重要意义。
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