發(fā)動機特性曲線分析與建議

孫好文，隋明政，董海果

（中石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，河南鄭州 450042）

0 引言

在石油工程作業(yè)中，發(fā)動機燃料消耗是一項重要成本，如何使發(fā)動機經(jīng)濟、高效運行顯得越來越重要。發(fā)動機高效、經(jīng)濟運行涉及到很多方面，如發(fā)動機的選型、功率的匹配、員工的責任心及操作技能以及公司的制度執(zhí)行力等，本文僅從發(fā)動機的特性曲線進行分析，以得出合理的發(fā)動機經(jīng)濟運行工況來降低燃料消耗成本。

1 發(fā)動機的分類與特點

1.1 發(fā)動機的分類

石油工程用發(fā)動機主要有車用發(fā)動機和工程機械用發(fā)動機，如通用運輸車輛和固井、壓裂、連續(xù)油管作業(yè)機等底盤車的發(fā)動機屬于車用發(fā)動機，固井車、壓裂車、混砂車等臺上發(fā)動機以及泥漿泵、發(fā)電機組用發(fā)動機就屬于工程機械用發(fā)動機，這些發(fā)動機多數(shù)使用柴油。本文僅分析車用和工程機械用渦輪增壓柴油發(fā)動機。

1.2 車用發(fā)動機的特點

（1）工況復雜多變，有時重載、有時空載，這就要求發(fā)動機儲備功率大，以克服陡坡、泥濘等惡劣路況的行駛阻力。

（2）發(fā)動機長距離爬坡冷卻效果差。

（3）對發(fā)動機的排放和噪聲要求較嚴格。

1.3 工程機械用發(fā)動機的特點

（1）要求發(fā)動機連續(xù)運轉(zhuǎn)的可靠性要高。由于大多數(shù)發(fā)動機運行時轉(zhuǎn)速變化小，發(fā)電機組用發(fā)動機基本恒定轉(zhuǎn)速。

（2）發(fā)動機散熱冷卻性能要求高，沒有車用發(fā)動機迎風自然散熱冷卻條件。

（3）對尾氣排放的要求不高。

2 發(fā)動機的特性曲線分析

發(fā)動機的主要參數(shù)有額定功率、最大扭矩、比油耗（發(fā)動機在1 h內(nèi)輸出1 kW的有效功率所消耗的燃油質(zhì)量）以及壓縮比、排量等。發(fā)動機功率、扭矩曲線、比油耗與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系以曲線表示，則此曲線稱為發(fā)動機特性曲線。發(fā)動機特性曲線主要分為外特性曲線和萬有特性曲線兩種。

2.1 車用發(fā)動機特性曲線分析

2.1.1 發(fā)動機外特性曲線

發(fā)動機外特性曲線是指發(fā)動機全負荷時所測出來的隨著轉(zhuǎn)速變化的功率、扭矩及油耗曲線。外特性曲線是通過試驗測得的。發(fā)動機的外特性曲線只反映了發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的最大功率和扭矩，更多的工況不在最大功率和最大扭矩。圖1是某型號發(fā)動機外特性曲線，最大功率為266 kW（2000 r/min），最大扭矩為1550 N·m（1300 r/min）。

圖1 某型號發(fā)動機外特性曲線

2.1.2 發(fā)動機的萬有特性曲線

發(fā)動機的萬有特性曲線是以發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為橫坐標，以該轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的扭矩為縱坐標，畫出許多條等油耗曲線和等功率曲線，組成萬有特性曲線。萬有特性曲線也是通過試驗測得的，是一條前面高后面低的斜線，經(jīng)濟范圍運行的等比油耗曲線呈“U”形，比油耗越高曲線越平緩。

圖2是某發(fā)動機萬有特性曲線，其中最上面一條曲線是不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大扭矩的連線，它就是發(fā)動機外特性扭矩曲線；一圈一圈的實線是等比油耗曲線，虛線部分是等功率曲線。等比油耗曲線和等功率曲線可以有很多條、無數(shù)條，兩種曲線的交匯點就是某轉(zhuǎn)速某功率時的比油耗值。

圖2 某型號發(fā)動機萬有特性曲線（高效區(qū)）

2.1.3 發(fā)動機萬有特性曲線分析

（1）圖2中比油耗最低的區(qū)域就是該發(fā)動機最高效的工作區(qū)間，同時發(fā)動機的扭矩（相當于功率輸出）也在此區(qū)域內(nèi)。經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)間約125～1500 r/min，最大扭矩接近峰值水平，最低扭矩接近對用轉(zhuǎn)速峰值的80%，此時功率輸約200 kW、為額定功率輸出的80%左右，可以滿足大部分工況的動力需求。

（2）適當放寬發(fā)動機經(jīng)濟轉(zhuǎn)速至1130～1630 r/min，此時比油耗（即燃油消耗率）為202 g/（kW·h），比最經(jīng)濟比油耗198 g/（kW·h）略高3.5%，認為在比較經(jīng)濟運行區(qū)域。在此范圍發(fā)動機輸出功率多數(shù)在100 kW以上，達到最大輸出功率的40%以上，可以滿足更多工況對發(fā)動機的動力需求。

（3）比較經(jīng)濟運行時的扭矩大致在對應(yīng)轉(zhuǎn)速最大扭矩（最大功率）的50%以上，即負荷率（發(fā)動機某一轉(zhuǎn)速的輸出功率與同轉(zhuǎn)速下最大功率的比值稱為負荷率）在50%以上。

（4）發(fā)動機輸出功率小于100 kW時，逐步遠離經(jīng)濟運行區(qū)域。如發(fā)動機輸出功率只有50 kW，最低比油耗是212 g/（kW·h），轉(zhuǎn)速900～1000 r/min時最大比油耗是350 g/（kW·h），2100 r/min時的比油耗較950 r/min時增加64.8%，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高、比油耗越高，離經(jīng)濟運行區(qū)域越遠。顯然，需要低功率輸出時，較低的轉(zhuǎn)速就能滿足功率需求，高轉(zhuǎn)速時發(fā)動機負荷率過低比油耗顯著增加。負荷率過低則比油耗顯著增加，例如，經(jīng)濟轉(zhuǎn)速1300 r/min時輸出功率只有10 kW，比油耗為350 g/（kW·h），極端情況是發(fā)動機任何轉(zhuǎn)速的空轉(zhuǎn)不對外做功、輸出功率為零，比油耗無窮大。

（5）發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，離經(jīng)濟運行區(qū)域越遠，即使是發(fā)動機功率超過100 kW。例如，發(fā)動機輸出功率為150 kW，發(fā)動機在1250～1450 r/min時的比油耗最低是199 g/（kW·h），在2050 r/min時的比油耗是230 g/（kW·h）、較1250 r/min的比油耗增加15.6%。

（6）從駕車體驗也能感覺到以上的分析：一是同樣車速，發(fā)動機中等轉(zhuǎn)速變速箱高擋位要比發(fā)動機高轉(zhuǎn)速變速箱中等擋位省油，原因是發(fā)動機中等轉(zhuǎn)速變速箱高擋位時發(fā)動機負荷率高而低油耗低；二是油耗量與負荷不成正比例，同樣車速，載重增加相當于負荷增加而油耗量增加較少，原因是負荷增加但比油耗在下降，有互相抵消的部分。

（7）不同車用發(fā)動機的萬有特性有所差別。圖3是另外一型號車用柴油發(fā)動機的萬有特性曲線，分析情況與上類似。出于多種因素考慮，廠家一般也不提供發(fā)動機的萬有特性曲線。大量試驗研究和實踐表明，車用發(fā)動機在負荷率為50%～90%、轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速50%～80%時比油耗較低，運行較為經(jīng)濟，且最經(jīng)濟的運行區(qū)域的發(fā)動機負荷率不低于75%。負荷率過低，任何轉(zhuǎn)速運行都不經(jīng)濟，因此在實際運行中要避免“大馬拉小車”問題。

圖3 另外一型號的發(fā)動機萬有特性曲線

（8）兩個型號的發(fā)動機萬有特性曲線均未列出轉(zhuǎn)速900 r/min以下的萬有特性曲線。發(fā)動機轉(zhuǎn)速長期低于900 r/min，將導致發(fā)動機工作不良。

（9）遠離最高轉(zhuǎn)速和過低負荷率，因為這樣不僅比油耗較高，還會損壞發(fā)動機。

2.2 工程機械用發(fā)動機特性曲線分析

圖4是卡特皮勒3512-B發(fā)動機外特性曲線。許多2000型壓裂車車臺配置該發(fā)動機，額定轉(zhuǎn)速為1900 r/min，額定功率為1678 kW，排量為51.8 L，最大扭矩8567 N·m（1400 r/min），渦輪增壓。

圖4 卡特皮勒3512-B發(fā)動機外特性曲線

（1）該扭矩曲線中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過1400 r/min扭矩就達到最大，之后非常平緩，高扭矩范圍非常適合壓裂工況。功率是和扭矩相對應(yīng)的，1500 r/min時輸出功率可以達到1345 kW，是額定功率的80.15%，而2000型壓裂車配套的液力變速箱閉鎖轉(zhuǎn)速一般在1500 r/min左右，該轉(zhuǎn)速對應(yīng)的功率能滿足滿足壓裂工況（泵的負荷率要求不高于60%）。

（2）這種工程機械用發(fā)動機的扭矩與功率曲線與車用發(fā)動機的功率扭矩曲線差別很大，原因是工況不同。車用發(fā)動機工況復雜，高扭矩范圍在中等轉(zhuǎn)速，而用于壓裂的這類工程機械用發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化小，高扭矩范圍在中高轉(zhuǎn)速，工作轉(zhuǎn)速也在中高轉(zhuǎn)速。

（3）比油耗曲線中，怠速時比油耗最大為251 g/（kW·h），然后逐漸降低；比油耗在1600～1700 r/min時降到最低的200.4 g/（kW·h），之后緩慢升高；發(fā)動機1900 r/min時的比油耗達到207.7 g/（kW·h），較最低的200.4 g/（kW·h）增加3.64%。

（4）該發(fā)動機的外特性曲線只是反映了發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的最大功率、扭矩及比油耗。發(fā)動機實際工況并不在最大功率和最大扭矩，不能反映發(fā)動機的實際工況高效經(jīng)濟運行區(qū)間，但可以根據(jù)該發(fā)動機的外特性曲線和車用發(fā)動機萬有特性曲線進行推論。

2.3 發(fā)動機比油耗分析

表1是2000型壓裂車泵擋位、沖次、排量、負荷率表（三缸泵"柱塞，機械效率取85%，因六擋、七擋沖次過高，壓裂中一般不用）。

（1）如果泵壓50 MPa，1臺2000型壓裂車需提供0.85～0.9 m3/min的排量，可以在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1900 r/min掛三擋，此時發(fā)動機負荷率為50.5%，也可以在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1600 r/min掛四擋，此時發(fā)動機負荷率為61.9%，泵的負荷率基本不變（壓力不變，泵負荷率隨排量而變）。1600 r/min是發(fā)動機全負荷時比油耗最低的經(jīng)濟轉(zhuǎn)速，此時泵四擋發(fā)動機負荷率較1900 r/min泵三擋高20%，且負荷率越低比油耗越高，1900 r/min泵掛三擋油耗比1600 r/min泵掛四擋增加3.64%以上。

（2）如果泵壓60 MPa，1臺2000型壓裂車需提供0.7 m3/min左右的排量，可以在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1900 r/min掛二擋，此時發(fā)動機負荷率為49.6%，也可以在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1600 r/min掛三擋，此時發(fā)動機負荷率為59.8%，泵的負荷率基本不變（壓力不變，泵負荷率隨排量而變）。同理，1900 r/min泵掛二擋比油耗應(yīng)比1600 r/min泵掛三擋比油耗增加3.64%以上。

（3）上面兩條分析同樣適用于車用發(fā)動機，即中等轉(zhuǎn)速高擋位較高轉(zhuǎn)速中擋位省油。

（4）從泵壓50 MPa、60 MPa兩種工況分析來看，即使采用發(fā)動機1600 r/min轉(zhuǎn)速提高一個擋位來提高發(fā)動機的負荷率，也只在60%左右，顯然還有提高的空間：①采用五缸泵來提高泵和發(fā)動機的負荷率；②壓裂車冷卻系統(tǒng)不從底盤發(fā)動機取力；③建議降低發(fā)動機的功率，這主要是因為，壓裂車要滿足車輛上戶相關(guān)質(zhì)量要求，壓裂泵緊湊，單位體積輸出水功率大，為延長泵的使用壽命，一般廠家使用說明書建議泵的負荷率不超過60%。從發(fā)動機使用角度來看，最佳工況應(yīng)該是負荷率為60%～80%，此時比油耗較低、發(fā)動機工作最佳，但這與泵的“負荷率不超過60%”是沖突的。2500型壓裂車也存在類似情況，進行臺上發(fā)動機選型時建議適當降低發(fā)動機功率。

（5）壓裂車工作時的發(fā)動機負荷可以通過記錄泵壓、排量來計算獲得，通過單位時間內(nèi)柴油消耗量計算出比油耗。通過現(xiàn)場試驗獲得數(shù)據(jù)來印證以上的分析，并獲取更準確的數(shù)據(jù)來指導實踐。

（6）固井車柱塞泵等與壓裂車柱塞泵類似。

2.4 卡特皮勒發(fā)電機組比油耗情況

卡特皮勒3516C發(fā)電機組的動力屬于工程機械用發(fā)動機，發(fā)電機組功率2200 kW，其不同負荷率比油耗情況見表1。

表1 2000型壓裂車泵擋位、沖次、排量、負荷率表（泵壓50 MPa）

從表3可以看出，50%的負荷率時比油耗比100%負荷率高5.08%，25%負荷率時比油耗比100%負荷率高26.88%，與壓裂用卡特皮勒3512B發(fā)動機的分析基本吻合。

表3 3516C發(fā)電機組不同負荷率比油耗情況

實際上，發(fā)電機組不會也不可能處于滿負荷狀態(tài)工作，但過低的負荷率將導致比油耗增加。

3 結(jié)論與建議

（1）對于車用發(fā)動機，車輛行駛過程中發(fā)動機在中轉(zhuǎn)速高擋位行駛油耗較低，應(yīng)盡量以經(jīng)濟車速行駛。

表2 2000型壓裂車泵擋位、沖次、排量、負荷率表（泵壓60 MPa）

（2）對于隨車起重運輸機、背罐車以及壓裂車、固井車等需要從底盤發(fā)動機取力時，因所需功率較小，發(fā)動機在1000～1300 r/min的中速運轉(zhuǎn)較為經(jīng)濟。

（3）對于車用發(fā)動機，遠離最高轉(zhuǎn)速，遠離過低負荷率，發(fā)動機過高轉(zhuǎn)速、過低負荷率不僅比油耗高，易損壞發(fā)動機。

（4）對于固井車、壓裂車等臺上發(fā)動機通過液力變速箱傳遞動力，在確保液力變速箱的閉鎖和泵功率的前提下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1600 r/min較1900 r/min預(yù)計省油5%以上。無論負荷大小，沒有必要將發(fā)動機轉(zhuǎn)速固定在額定轉(zhuǎn)速。

（5）對于固井車、壓裂車、混砂車等臺上發(fā)動機以及泥漿泵、發(fā)電機組用等石油工程機械用發(fā)動機，如果負載長期低于30%，油耗高、發(fā)動機工作不良，屬于大馬拉小車，應(yīng)盡量避免。

（6）無論是車用發(fā)動機還是工程機械用發(fā)動機，良好的潤滑條件是保證其正常工作和經(jīng)濟運行的首要條件。