柴油机加装调速器的必要性分析

柴油机加装调速器的必要性分析何贵生摘要：本文叙述了柴油机调速器的功能、基本结构及工作原理，按结构和工作原理进行分类，分别介绍了不同柴油机调速器的优缺点，在不同的调速器中凸显出在柴油机中加装调速器的重要性同时简述了柴油机调速器的发展、应用概况及趋势。

关键词：柴油机；调速器；燃油调节系统前言自从1860年，莱诺依尔发明第一台大气压力式内燃机以来，人类历史上动力设备的发展就开始了崭新的篇章。

内燃机给人类的生产、生活带来了非凡的便利。

到了1897年，内燃机的发展上了一个新的台阶，德国工程师鲁道夫狄赛尔，发明了有史以来的第一台柴油机，在一个多世纪的发展过程中，柴油机技术先后出现了三次质的飞跃：第一次是在20世纪20年代用机械式喷油系统代替了蓄压式喷油系统；第二次是在20世纪50年代发展起来的增压技术；第三次则是从20世纪70年代以来一直蓬勃发展的柴油机电子控制技术。

在这三次飞跃中，以电子控制技术的发展影响最大、意义最深远。

柴油机的电子控制技术应用有多个方面，尤其是柴油机电子调速装置等。

本文介绍的即是有关调速器在柴油机中的重要性。

1 调速器的功能柴油机调速系统是指能根据负荷变化情况自动调节喷油泵循环供油量，协助操作人员稳定柴油机转速的装置。

柴油机上均要用到调速装置，这是柴油机自身的特点——由扭矩速度特性及喷油泵速度特性所决定的。

柴油机转速变化时，可燃混合气的数量、成分变化不大。

因此通过燃烧产生的扭矩变化也不大。

柴油机扭矩速度特性的这一特点，使柴油机在负荷(阻力矩)略有变化时，会引起其转速很大的变化。

在操作人员不能及时操纵加速踏板改变喷油泵循环供油量的情况下，柴油机或因负荷(阻力矩)增大而转速迅速下降，以至熄火；或因负荷(阻力矩)减少而转速立即升高，甚至出现超速运转及“飞车”现象。

另一方面，从喷油泵的速度特性对柴油机转速的影响来看：当柴油机负荷(阻力矩)减少而转速立即升高时，需要减少循环供油量，而喷油泵却相反的增大循环供油量(原因是随着柴油机转速升高，喷油泵柱塞套油孔的节流作用加大，使油泵供油始点提前，供油终点延迟，柱塞副泄漏时间减少)。

可燃混合气成分由稀趋向合适，质量得到改善，燃烧速度加快，促使柴油机转速越来越高。

反之，当柴油机负荷(阻力矩)增大转速降低时，需要循环供油量相应增加，而喷油泵却又减少了供油量，使可燃混合气成分变稀，质量变差，燃烧速度变慢，促使柴油机转速降低。

可见，喷油泵的这一特性进一步降低了柴油机转速的稳定性。

因此，为了使柴油机在负荷变化的情况下，在需要的某一转速下运转，防止意外熄火和超速运行，柴油机上必须安装调速装置，以保证柴油机的稳定运行。

2 调速器的种类按功能来分类，柴油机调速器可分为单极调速器、两极调速器、全程调速器和全程两极组合式调速器。

按结构和工作原理来分类，柴油机调速器可以分为：机械式调速器、液压式调速器和电子调速器。

2．1 机械式最早的机械式调速器是1784年由James发明的离心式机械调速器。

目前广泛应用的机械式调速器(如图1所示)是直接利用飞锤旋转时产生的离心力与调速器弹簧回位力之间的平衡的原理来实现调速过程的，当转速变化时，飞锤的转动即转变为滑套及其相连接的喷油泵齿杆的移动，以达到调节喷油泵循环供油量的目的。

由于飞锤旋转时产生的离心力是反映转速的最直接信号，再加上这种机械式调速器结构比较简单，工作也十分可靠，且已积累了长期的使用与维修经验，目前仍在柴油机特别是中小功率柴油机上得到广泛的应用。

由于飞锤所产生的调节力在低速时较小，故这种调速器只适用于高速的中小功率柴油机，对大型柴油机，由于油量调节机构磨擦阻力较大，加之柴油机转速不高，若再采用纯机械式飞锤，势必要增加飞锤与调速质量与尺寸，使调速器的结构十分笨重而导致灵敏度降低。

为此，在大型柴油机上就需要采用其他的调速器来担当此任，液压式调速器即可胜任之。

图12.2 液压式早在二十世纪6O年代，美国W公司推出电--液调速器，它由转速传感器，电子控制器和电液执行器组成，这就是最早的电--液式调速器(如图2所示)。

目前广为应用的液压式调速器，实际上都是液压与机械结构或液压与电子控制结合的调速器。

在大型柴油机上大多采用这种间接作用式液压调速器，即机械与液压相结合的组合式调速器。

其中，转速感应元件仍采用离心式飞锤，其功能只是将转速变化的信息转换为控制液压机构滑阀的运动，而调节力的放大、连接喷油泵齿杆的助力活塞的运动、齿杆运动信号或转速的反馈以及其他许多附加功能，均由液压系统来完成。

液压调速器具有结构紧凑、功能齐全、调节精度高(能实现恒速调速)等许多优点，因而广泛应用于大型(船舶、机车与电站等用途的)柴油机上，但液压调速器的结构复杂，制造精度要求与成本均较高，因而在中小功率柴油机上未得到推广应用。

图22.3 电子式随着柴油机技术，特别是电控技术的发展，对柴油机的调速技术也有了新的要求。

结构紧凑、功能齐全、调节精度高、性能可靠、制造精度要求高和成本较低的电子调速器就应运而生了。

在电子调速器中，不采用离心飞锤作为转速感应元件，而是用各种电测方法来确定转速的大小，而且转速的测量、设定、比较与调节均采用电子控制，因此整个系统具有很高的响应速度与调节精度，也易于准确地实现恒速调速，能够满足柴油发电机组的无差并联运行的要求，因此是一种有发展前途的调速器。

目前，无论是在中小功率柴油，还是在大型柴油机上均已有正式产品。

图3即为海茵茨曼--成都E型模拟式电子调速器的基本系统框图4 。

现阶段研究的电子调速器多采用位移控制方式，它的特点是在原来机械控制循环油量和喷油正时的基础上，用线位移或角位移的电磁执行机构、伺服电机执行机构或电磁--液压执行机构来控制循环供油量(喷油泵齿杆位移)，还可以用改变柱塞预行程的办法，改变喷油正时和供油速率，从而满足高压喷射中高速大负荷和低怠速工况对喷油过程的不同要求。

图3图4３调速器的工作指标调速器的性能好坏直接影响柴油机运转的稳定性和可靠性。

调速器装机后，应对柴油机进行突变负荷试验，以分析调速器的工作性能。

评定调速器性能有两种工作指标：动态指标和静态指标。

3.1 动态指标动态指标用来评价调速系统过渡过程的性能指标。

具体是由瞬时调速率和稳定时间来完成实现的。

a) 瞬时调速率δ1 :突加全负荷瞬时调速率:突减全负荷瞬时调速率:突加全负荷瞬时调速率突减,全负荷瞬时调速我国有关规范要求发电柴油机的突加全负荷调速率和突减全负荷调速率不得大于10%。

b)稳定时间t s :指从突加（或突减）全负荷后，转速刚偏离最高空转转速（或全负荷稳定转速）的波动范围到转速恢复到全负荷稳定转速（或最高空载转速）的波动范围为止所需时间。

我国有关规范规定，交流发电机的稳定时间不得大于5s 。

3.2 静态指标a)稳定调速率δ2：指当操纵手柄在标定供油位置时，最高空载转速n 0max 与标定转速n b 之差同标定转速n b 比值的百分数。

稳定调速率用来衡量调速器的准确性，其值愈小，表示调速器的准确性愈好。

b)转速波动率Φ或转速变化率φ：用来表征在稳定运转时，柴油机转速化程度，主要是由柴油机回转力矩不均匀而引起的。

但两者的定义不同。

转速波动率Φ=转速变化率φ= 一般，在标定工况时，Φ≤(0.25~0.5)%; φ≤(0.5~1)%。

c)不灵敏度ε: 当柴油机在一定负荷下稳定运转时，由于调速机构中存在间隙、摩擦和阻%100max 02⨯-=bb n n n δ%100)(min max ⨯-m mc c n n n n %100min max ⨯-mc c n n n %100max 0min 1⨯-=-bn n n δ%100max 1⨯-=+bb n n n δ力，若转速稍有变化，调速器并不立即改变供油量。

直到转速变化量足够大时，调速器才能开始起到调节供油的作用。

这种现象称为调速器的不灵敏性。

我国用不灵敏度ε 表示不灵敏区域的大小。

不灵敏度过大，会引起柴油机转速不稳定，严重时会导致调速器失去作用发生飞车。

一般规定标定转速时， ε≤(1.5~2)%；而在最低稳定转速时，ε≤(10~13)%。

４ 调速器的发展趋势机械式调速器以飞锤旋转运动产生的离心力驱动调速机构来调节、稳定柴油机的转速，如果柴油机转速不够高，飞锤就不能产生足够的离心力来驱动调速机构。

这是机械式调速器的一个缺点。

液压式调速器结构复杂、制作精度和制作成本均较高，因而不能广泛应用于中小功率的柴油机上。

能源短缺、环保问题、微电子技术和控制理论的发展及对自动化水平要求的提高，推动了柴油机电控技术，特别是以微机为核心的数字式电子控制技术的发展。

现代控制理论、自适应控制、自学习系统等的进展使电子调速器的研究具备了更完善的理论基础。

与机械式、液压式调速器相比，电子调速器具有调节精度高、结构简单、易实现自动化等优点，是今后涮速器的主要发展方向。

科学技术的发展和社会要求的日益提高，使得机械式调速器和液压式调速器必将被电子式调速器所替代。

越来越多的科研工作者集结于电子调速器的研究领域，为柴油机电子调速器的迅猛发展推波助澜。

5 总结这次的论文设计中使我对在课堂上所学到调速器的有关知识又有了一个新的认识无论是从调速器的发展历史还是在实际工程作业中的应用。

调速器无论是在柴油机还是在汽油机中都有很重要的作用。

拖拉机的发动机经常遇到负荷变化的情况，例如拖拉机所带农具突然卸去负荷，就可能引发发动机转速的急剧上升，甚至超过允许的限度，即所谓的飞车。

而对于柴油机来说，超速就很危险，%10012⨯-=m n n n ε221n n n m +=因扭矩曲线平坦，使转速大幅上升，循环供油量又随转速增高而加大，混合气变浓，工作过程恶化，排气冒黑烟，零件过热，同时由于运动件较重，超速是产生很大的惯性力，肯能引起零件的损坏。

所以柴油机必须有防止超速的装置。

为了保证柴油机在怠速稳定和高速不飞车，我们必须在柴油机上装置调速器。

它可以根据外界负荷的变化，通过转速感应元件，自动调节喷油泵供油量，使柴油机转速保持在极小的变化范围内稳定工作。

参考文献：[1] 王钧效，房克信，陆家祥，等．柴油机电控喷油技术的发展动态[J]．国外内燃机，2001(3).[2] 刘杰．现代柴油机使用与检测[M]．北京：人民交通出版社，2000．[3] 周龙宝．内燃机学[M]．北京：机械工业出版社，2005．[4] 高书堂,高国强．柴油机燃油系统和匹配[M]，北京：北京理工大学出版社．2005．[5] 许友林，熊玲，姚智刚．电子调速器性能测试技术及发展趋势[J]．仪器仪表学报,2001.[6] 王吉华柴油机燃油喷射系统的电子控制[J]．内燃机，1997(4).[7]董敬,庄志,常思勤.汽车拖拉机发动机[M].北京:机械工业出版社.2000.。