发动机特性曲线分析与建议

2022-07-12孙好文隋明政董海果

设备管理与维修 2022年7期

孙好文，隋明政，董海果

（中石化华北石油工程有限公司井下作业分公司，河南郑州 450042）

0 引言

在石油工程作业中，发动机燃料消耗是一项重要成本，如何使发动机经济、高效运行显得越来越重要。发动机高效、经济运行涉及到很多方面，如发动机的选型、功率的匹配、员工的责任心及操作技能以及公司的制度执行力等，本文仅从发动机的特性曲线进行分析，以得出合理的发动机经济运行工况来降低燃料消耗成本。

1 发动机的分类与特点

1.1 发动机的分类

石油工程用发动机主要有车用发动机和工程机械用发动机，如通用运输车辆和固井、压裂、连续油管作业机等底盘车的发动机属于车用发动机，固井车、压裂车、混砂车等台上发动机以及泥浆泵、发电机组用发动机就属于工程机械用发动机，这些发动机多数使用柴油。本文仅分析车用和工程机械用涡轮增压柴油发动机。

1.2 车用发动机的特点

（1）工况复杂多变，有时重载、有时空载，这就要求发动机储备功率大，以克服陡坡、泥泞等恶劣路况的行驶阻力。

（2）发动机长距离爬坡冷却效果差。

（3）对发动机的排放和噪声要求较严格。

1.3 工程机械用发动机的特点

（1）要求发动机连续运转的可靠性要高。由于大多数发动机运行时转速变化小，发电机组用发动机基本恒定转速。

（2）发动机散热冷却性能要求高，没有车用发动机迎风自然散热冷却条件。

（3）对尾气排放的要求不高。

2 发动机的特性曲线分析

发动机的主要参数有额定功率、最大扭矩、比油耗（发动机在1 h内输出1 kW的有效功率所消耗的燃油质量）以及压缩比、排量等。发动机功率、扭矩曲线、比油耗与发动机转速之间的函数关系以曲线表示，则此曲线称为发动机特性曲线。发动机特性曲线主要分为外特性曲线和万有特性曲线两种。

2.1 车用发动机特性曲线分析

2.1.1 发动机外特性曲线

发动机外特性曲线是指发动机全负荷时所测出来的随着转速变化的功率、扭矩及油耗曲线。外特性曲线是通过试验测得的。发动机的外特性曲线只反映了发动机不同转速下的最大功率和扭矩，更多的工况不在最大功率和最大扭矩。图1是某型号发动机外特性曲线，最大功率为266 kW（2000 r/min），最大扭矩为1550 N·m（1300 r/min）。

图1 某型号发动机外特性曲线

2.1.2 发动机的万有特性曲线

发动机的万有特性曲线是以发动机的转速为横坐标，以该转速下对应的扭矩为纵坐标，画出许多条等油耗曲线和等功率曲线，组成万有特性曲线。万有特性曲线也是通过试验测得的，是一条前面高后面低的斜线，经济范围运行的等比油耗曲线呈“U”形，比油耗越高曲线越平缓。

图2是某发动机万有特性曲线，其中最上面一条曲线是不同转速对应的最大扭矩的连线，它就是发动机外特性扭矩曲线；一圈一圈的实线是等比油耗曲线，虚线部分是等功率曲线。等比油耗曲线和等功率曲线可以有很多条、无数条，两种曲线的交汇点就是某转速某功率时的比油耗值。

图2 某型号发动机万有特性曲线（高效区）

2.1.3 发动机万有特性曲线分析

（1）图2中比油耗最低的区域就是该发动机最高效的工作区间，同时发动机的扭矩（相当于功率输出）也在此区域内。经济转速区间约125～1500 r/min，最大扭矩接近峰值水平，最低扭矩接近对用转速峰值的80%，此时功率输约200 kW、为额定功率输出的80%左右，可以满足大部分工况的动力需求。

（2）适当放宽发动机经济转速至1130～1630 r/min，此时比油耗（即燃油消耗率）为202 g/（kW·h），比最经济比油耗198 g/（kW·h）略高3.5%，认为在比较经济运行区域。在此范围发动机输出功率多数在100 kW以上，达到最大输出功率的40%以上，可以满足更多工况对发动机的动力需求。

（3）比较经济运行时的扭矩大致在对应转速最大扭矩（最大功率）的50%以上，即负荷率（发动机某一转速的输出功率与同转速下最大功率的比值称为负荷率）在50%以上。

（4）发动机输出功率小于100 kW时，逐步远离经济运行区域。如发动机输出功率只有50 kW，最低比油耗是212 g/（kW·h），转速900～1000 r/min时最大比油耗是350 g/（kW·h），2100 r/min时的比油耗较950 r/min时增加64.8%，发动机转速越高、比油耗越高，离经济运行区域越远。显然，需要低功率输出时，较低的转速就能满足功率需求，高转速时发动机负荷率过低比油耗显著增加。负荷率过低则比油耗显著增加，例如，经济转速1300 r/min时输出功率只有10 kW，比油耗为350 g/（kW·h），极端情况是发动机任何转速的空转不对外做功、输出功率为零，比油耗无穷大。

（5）发动机转速越高，离经济运行区域越远，即使是发动机功率超过100 kW。例如，发动机输出功率为150 kW，发动机在1250～1450 r/min时的比油耗最低是199 g/（kW·h），在2050 r/min时的比油耗是230 g/（kW·h）、较1250 r/min的比油耗增加15.6%。

（6）从驾车体验也能感觉到以上的分析：一是同样车速，发动机中等转速变速箱高挡位要比发动机高转速变速箱中等挡位省油，原因是发动机中等转速变速箱高挡位时发动机负荷率高而低油耗低；二是油耗量与负荷不成正比例，同样车速，载重增加相当于负荷增加而油耗量增加较少，原因是负荷增加但比油耗在下降，有互相抵消的部分。

（7）不同车用发动机的万有特性有所差别。图3是另外一型号车用柴油发动机的万有特性曲线，分析情况与上类似。出于多种因素考虑，厂家一般也不提供发动机的万有特性曲线。大量试验研究和实践表明，车用发动机在负荷率为50%～90%、转速在额定转速50%～80%时比油耗较低，运行较为经济，且最经济的运行区域的发动机负荷率不低于75%。负荷率过低，任何转速运行都不经济，因此在实际运行中要避免“大马拉小车”问题。

图3 另外一型号的发动机万有特性曲线

（8）两个型号的发动机万有特性曲线均未列出转速900 r/min以下的万有特性曲线。发动机转速长期低于900 r/min，将导致发动机工作不良。

（9）远离最高转速和过低负荷率，因为这样不仅比油耗较高，还会损坏发动机。

2.2 工程机械用发动机特性曲线分析

图4是卡特皮勒3512-B发动机外特性曲线。许多2000型压裂车车台配置该发动机，额定转速为1900 r/min，额定功率为1678 kW，排量为51.8 L，最大扭矩8567 N·m（1400 r/min），涡轮增压。

图4 卡特皮勒3512-B发动机外特性曲线

（1）该扭矩曲线中，发动机转速超过1400 r/min扭矩就达到最大，之后非常平缓，高扭矩范围非常适合压裂工况。功率是和扭矩相对应的，1500 r/min时输出功率可以达到1345 kW，是额定功率的80.15%，而2000型压裂车配套的液力变速箱闭锁转速一般在1500 r/min左右，该转速对应的功率能满足满足压裂工况（泵的负荷率要求不高于60%）。

（2）这种工程机械用发动机的扭矩与功率曲线与车用发动机的功率扭矩曲线差别很大，原因是工况不同。车用发动机工况复杂，高扭矩范围在中等转速，而用于压裂的这类工程机械用发动机转速变化小，高扭矩范围在中高转速，工作转速也在中高转速。

（3）比油耗曲线中，怠速时比油耗最大为251 g/（kW·h），然后逐渐降低；比油耗在1600～1700 r/min时降到最低的200.4 g/（kW·h），之后缓慢升高；发动机1900 r/min时的比油耗达到207.7 g/（kW·h），较最低的200.4 g/（kW·h）增加3.64%。

（4）该发动机的外特性曲线只是反映了发动机不同转速下的最大功率、扭矩及比油耗。发动机实际工况并不在最大功率和最大扭矩，不能反映发动机的实际工况高效经济运行区间，但可以根据该发动机的外特性曲线和车用发动机万有特性曲线进行推论。

2.3 发动机比油耗分析

表1是2000型压裂车泵挡位、冲次、排量、负荷率表（三缸泵"柱塞，机械效率取85%，因六挡、七挡冲次过高，压裂中一般不用）。

（1）如果泵压50 MPa，1台2000型压裂车需提供0.85～0.9 m3/min的排量，可以在发动机转速1900 r/min挂三挡，此时发动机负荷率为50.5%，也可以在发动机转速1600 r/min挂四挡，此时发动机负荷率为61.9%，泵的负荷率基本不变（压力不变，泵负荷率随排量而变）。1600 r/min是发动机全负荷时比油耗最低的经济转速，此时泵四挡发动机负荷率较1900 r/min泵三挡高20%，且负荷率越低比油耗越高，1900 r/min泵挂三挡油耗比1600 r/min泵挂四挡增加3.64%以上。

（2）如果泵压60 MPa，1台2000型压裂车需提供0.7 m3/min左右的排量，可以在发动机转速1900 r/min挂二挡，此时发动机负荷率为49.6%，也可以在发动机转速1600 r/min挂三挡，此时发动机负荷率为59.8%，泵的负荷率基本不变（压力不变，泵负荷率随排量而变）。同理，1900 r/min泵挂二挡比油耗应比1600 r/min泵挂三挡比油耗增加3.64%以上。

（3）上面两条分析同样适用于车用发动机，即中等转速高挡位较高转速中挡位省油。

（4）从泵压50 MPa、60 MPa两种工况分析来看，即使采用发动机1600 r/min转速提高一个挡位来提高发动机的负荷率，也只在60%左右，显然还有提高的空间：①采用五缸泵来提高泵和发动机的负荷率；②压裂车冷却系统不从底盘发动机取力；③建议降低发动机的功率，这主要是因为，压裂车要满足车辆上户相关质量要求，压裂泵紧凑，单位体积输出水功率大，为延长泵的使用寿命，一般厂家使用说明书建议泵的负荷率不超过60%。从发动机使用角度来看，最佳工况应该是负荷率为60%～80%，此时比油耗较低、发动机工作最佳，但这与泵的“负荷率不超过60%”是冲突的。2500型压裂车也存在类似情况，进行台上发动机选型时建议适当降低发动机功率。

（5）压裂车工作时的发动机负荷可以通过记录泵压、排量来计算获得，通过单位时间内柴油消耗量计算出比油耗。通过现场试验获得数据来印证以上的分析，并获取更准确的数据来指导实践。

（6）固井车柱塞泵等与压裂车柱塞泵类似。