發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分公司，河南鄭州 450042）

0 引言

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

1 發動機的分類與特點

1.1 發動機的分類

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

1.2 車用發動機的特點

（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）發動機長距離爬坡冷卻效果差。

（3）對發動機的排放和噪聲要求較嚴格。

1.3 工程機械用發動機的特點

（1）要求發動機連續運轉的可靠性要高。由于大多數發動機運行時轉速變化小，發電機組用發動機基本恒定轉速。

（2）發動機散熱冷卻性能要求高，沒有車用發動機迎風自然散熱冷卻條件。

（3）對尾氣排放的要求不高。

2 發動機的特性曲線分析

發動機的主要參數有額定功率、最大扭矩、比油耗（發動機在1 h內輸出1 kW的有效功率所消耗的燃油質量）以及壓縮比、排量等。發動機功率、扭矩曲線、比油耗與發動機轉速之間的函數關系以曲線表示，則此曲線稱為發動機特性曲線。發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 車用發動機特性曲線分析

2.1.1 發動機外特性曲線

發動機外特性曲線是指發動機全負荷時所測出來的隨著轉速變化的功率、扭矩及油耗曲線。外特性曲線是通過試驗測得的。發動機的外特性曲線只反映了發動機不同轉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 某型號發動機外特性曲線

2.1.2 發動機的萬有特性曲線

發動機的萬有特性曲線是以發動機的轉速為橫坐標，以該轉速下對應的扭矩為縱坐標，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是某發動機萬有特性曲線，其中最上面一條曲線是不同轉速對應的最大扭矩的連線，它就是發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、無數條，兩種曲線的交匯點就是某轉速某功率時的比油耗值。

圖2 某型號發動機萬有特性曲線（高效區）

2.1.3 發動機萬有特性曲線分析

（1）圖2中比油耗最低的區域就是該發動機最高效的工作區間，同時發動機的扭矩（相當于功率輸出）也在此區域內。經濟轉速區間約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）適當放寬發動機經濟轉速至1130～1630 r/min，此時比油耗（即燃油消耗率）為202 g/（kW·h），比最經濟比油耗198 g/（kW·h）略高3.5%，認為在比較經濟運行區域。在此范圍發動機輸出功率多數在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動機的動力需求。

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

（4）發動機輸出功率小于100 kW時，逐步遠離經濟運行區域。如發動機輸出功率只有50 kW，最低比油耗是212 g/（kW·h），轉速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%，發動機轉速越高、比油耗越高，離經濟運行區域越遠。顯然，需要低功率輸出時，較低的轉速就能滿足功率需求，高轉速時發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，經濟轉速1300 r/min時輸出功率只有10 kW，比油耗為350 g/（kW·h），極端情況是發動機任何轉速的空轉不對外做功、輸出功率為零，比油耗無窮大。

（5）發動機轉速越高，離經濟運行區域越遠，即使是發動機功率超過100 kW。例如，發動機輸出功率為150 kW，發動機在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，發動機中等轉速變速箱高擋位要比發動機高轉速變速箱中等擋位省油，原因是發動機中等轉速變速箱高擋位時發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）不同車用發動機的萬有特性有所差別。圖3是另外一型號車用柴油發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動機的萬有特性曲線。大量試驗研究和實踐表明，車用發動機在負荷率為50%～90%、轉速在額定轉速50%～80%時比油耗較低，運行較為經濟，且最經濟的運行區域的發動機負荷率不低于75%。負荷率過低，任何轉速運行都不經濟，因此在實際運行中要避免“大馬拉小車”問題。

圖3 另外一型號的發動機萬有特性曲線

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

（9）遠離最高轉速和過低負荷率，因為這樣不僅比油耗較高，還會損壞發動機。

2.2 工程機械用發動機特性曲線分析

圖4是卡特皮勒3512-B發動機外特性曲線。許多2000型壓裂車車臺配置該發動機，額定轉速為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發動機外特性曲線

（1）該扭矩曲線中，發動機轉速超過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速一般在1500 r/min左右，該轉速對應的功率能滿足滿足壓裂工況（泵的負荷率要求不高于60%）。

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

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

2.3 發動機比油耗分析

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，可以在發動機轉速1900 r/min掛三擋，此時發動機負荷率為50.5%，也可以在發動機轉速1600 r/min掛四擋，此時發動機負荷率為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是發動機全負荷時比油耗最低的經濟轉速，此時泵四擋發動機負荷率較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，可以在發動機轉速1900 r/min掛二擋，此時發動機負荷率為49.6%，也可以在發動機轉速1600 r/min掛三擋，此時發動機負荷率為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動機，即中等轉速高擋位較高轉速中擋位省油。

（4）從泵壓50 MPa、60 MPa兩種工況分析來看，即使采用發動機1600 r/min轉速提高一個擋位來提高發動機的負荷率，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動機的負荷率；②壓裂車冷卻系統不從底盤發動機取力；③建議降低發動機的功率，這主要是因為，壓裂車要滿足車輛上戶相關質量要求，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%。從發動機使用角度來看，最佳工況應該是負荷率為60%～80%，此時比油耗較低、發動機工作最佳，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，進行臺上發動機選型時建議適當降低發動機功率。

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

（6）固井車柱塞泵等與壓裂車柱塞泵類似。

2.4 卡特皮勒發電機組比油耗情況

卡特皮勒3516C發電機組的動力屬于工程機械用發動機，發電機組功率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發動機的分析基本吻合。

表3 3516C發電機組不同負荷率比油耗情況

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

3 結論與建議

（1）對于車用發動機，車輛行駛過程中發動機在中轉速高擋位行駛油耗較低，應盡量以經濟車速行駛。

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動機取力時，因所需功率較小，發動機在1000～1300 r/min的中速運轉較為經濟。

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

（4）對于固井車、壓裂車等臺上發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，發動機轉速1600 r/min較1900 r/min預計省油5%以上。無論負荷大小，沒有必要將發動機轉速固定在額定轉速。

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

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