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新聞主題 |
極寒天氣下的冬季柴油發(fā)電機(jī)組冷啟動(dòng)性能 |
摘要：由于柴油機(jī)屬于壓燃式點(diǎn)火系統(tǒng)，所以柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)需要具備一定的溫度條件。在冬天遇到氣溫偏低的時(shí)候，冷卻液溫度可能不足以提供啟動(dòng)所需的熱能，而當(dāng)冷卻液溫度過(guò)低，發(fā)動(dòng)機(jī)將很難缸內(nèi)著火燃燒。因此，康明斯公司一般對(duì)于在北方地區(qū)用戶，在柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)備出廠前，通常為其裝配一套全自動(dòng)智能水套電加熱器系統(tǒng)，以便解決在冬季使用柴油機(jī)啟動(dòng)難的隱患問(wèn)題。
一、冷啟動(dòng)難的原因
柴油機(jī)冷啟動(dòng)困難是指在低溫環(huán)境下，柴油發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)困難或需要較長(zhǎng)時(shí)間才能啟動(dòng)的現(xiàn)象，如圖1所示。這是因?yàn)樵诘蜏貤l件下，柴油的粘度增加，燃燒性能下降，導(dǎo)致燃油噴射不均勻、燃燒不完全，從而影響了柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)。
1、低溫柴油霧化不良
柴油在低溫下會(huì)發(fā)生結(jié)晶，導(dǎo)致燃油流動(dòng)性降低，使得燃油供應(yīng)不足。同時(shí)，低溫下柴油的粘度增加，不利于噴射和燃燒，進(jìn)一步影響了柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流動(dòng)示意圖如圖2所示。
2、高壓油泵供油不足
低溫下，柴油的粘度增加，增加了高壓油泵供油的阻力，使得高壓油泵的供油能力下降，無(wú)法滿足柴油機(jī)啟動(dòng)的要求。
3、渦輪增壓器滯后
柴油發(fā)電機(jī)的渦輪增壓器在低溫環(huán)境下，由于機(jī)械摩擦增加，渦輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增加，使得增壓效果減弱，無(wú)法提供足夠的進(jìn)氣量，影響了啟動(dòng)。
4、電池電量不足
低溫下，電池的儲(chǔ)電能力會(huì)降低，電池電量不足時(shí)會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)困難。
5、機(jī)油粘度變大
機(jī)油粘度變大導(dǎo)致柴油機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)所需的轉(zhuǎn)矩增大，從而轉(zhuǎn)速變低，直接造成了點(diǎn)火困難。
6、起動(dòng)轉(zhuǎn)速低
起動(dòng)轉(zhuǎn)速在低溫條件下明顯下降的原因，主要由于機(jī)油粘度增大及蓄電池電力輸出功率急驟下降，導(dǎo)致在壓縮行程中散熱時(shí)間長(zhǎng)，加上機(jī)體、缸蓋與壓縮空氣間的溫差大，散失的熱量多，使壓縮終了的空氣溫度與壓力比常溫情況下要低。
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圖1 冬季柴油機(jī)難啟動(dòng)現(xiàn)象 |
圖2 柴油機(jī)冷啟動(dòng)燃油流動(dòng)性差 |
二、冷啟動(dòng)難的解決方法
柴油發(fā)電機(jī)通過(guò)壓縮點(diǎn)火產(chǎn)生扭矩（活塞會(huì)壓縮空氣，升高空氣溫度），因此當(dāng)燃油噴射到空氣中時(shí)，它會(huì)點(diǎn)燃并燃燒。在極低的溫度下，壓縮產(chǎn)生的熱量會(huì)迅速散發(fā)到柴油機(jī)的金屬部件中，導(dǎo)致燃燒效率降低。以下為康明斯公司為用戶介紹的低溫下使用柴油發(fā)電機(jī)組的防范措施。
1、使用低粘度機(jī)油
由于低溫機(jī)油粘度會(huì)增加摩擦力，此外，極低的溫度也會(huì)增加柴油機(jī)機(jī)油的粘度或流動(dòng)阻力。這會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)中運(yùn)轉(zhuǎn)部件之間的摩擦增大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，操作員通常會(huì)通過(guò)改變其柴油機(jī)機(jī)油的等級(jí)（粘度）來(lái)做好在較低環(huán)境溫度下運(yùn)行的準(zhǔn)備。為適應(yīng)較低溫度，改變機(jī)油的等級(jí)也是很常見(jiàn)的，具體機(jī)油等級(jí)選用請(qǐng)查看圖3。即使使用低粘度油液，柴油機(jī)在剛剛起動(dòng)后可能仍需要 80% 以上的可用扭矩，以使柴油機(jī)抵抗所有的寄生負(fù)載。
2、縮小設(shè)備尺寸
過(guò)去，特定功率和扭矩與柴油機(jī)的排量緊密相關(guān)?，F(xiàn)在，康明斯公司所設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的小型柴油機(jī)能夠提供大型柴油機(jī)的功率和扭矩。然而，盡管小型柴油機(jī)能夠在正常工作溫度下為機(jī)器提供動(dòng)力，但其在極寒條件下冷起動(dòng)的性能尚且無(wú)法達(dá)到原始設(shè)備制造商（OEM，Original Equipment Manufacturer）的目標(biāo)。
3、采用電噴機(jī)型
柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)系統(tǒng)主要靠的是起動(dòng)并達(dá)到其運(yùn)行速度，操作員依靠柴油機(jī)的能力在各種條件下起動(dòng)和重新起動(dòng)機(jī)器，包括在北方冬季情況下 -20°C（-4°F）的極寒溫度。在如此低的溫度下，您的柴油機(jī)將面臨一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。因此，康明斯公司開(kāi)發(fā)的新款電噴柴油發(fā)電機(jī)可在 -20°C（4°F）時(shí)迅速起動(dòng)，并在幾秒鐘內(nèi)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，同時(shí)克服在這種極低溫度下所特有的不良情況。
趨勢(shì)總是在各個(gè)行業(yè)之間相互影響。在柴油發(fā)電機(jī)組領(lǐng)域中，柴油機(jī)電噴化正成為一種流行趨勢(shì)。電噴機(jī)型可以有效解決冷啟動(dòng)困難問(wèn)題，再輔助以加熱器類附件產(chǎn)品，可以大部分康明斯發(fā)電機(jī)組在-40°C寒冷條件下進(jìn)行正常工作。
4、選用十六烷值較高的燃油
低于0℃時(shí)運(yùn)行時(shí)，使用的最小十六烷值是45；大于于0℃運(yùn)行時(shí)，使用的最小十六烷值是40。影響燃油性能的兩個(gè)主要的要素是：
（1）傾點(diǎn)：傾點(diǎn)是燃油能夠流動(dòng)時(shí)的溫度；
（2）濁點(diǎn)：當(dāng)燃油出現(xiàn)結(jié)蠟的溫度。
因此，應(yīng)選用低傾點(diǎn)、低濁點(diǎn)燃油。
5、選擇高性能電池
根據(jù)冷啟動(dòng)條件下選擇相對(duì)大容量的蓄電池，并且考慮采用鎳鎘電瓶，外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。與鉛酸蓄電池比，低溫條件下受溫度影響更小，同時(shí)還具備以下特點(diǎn)：
（1）鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，非常的經(jīng)濟(jì)；
（2）內(nèi)阻小，可供大電流的放電，當(dāng)它放電時(shí)電壓的變化很小，作為直流電源是一種質(zhì)量極佳的電池；
（3）因?yàn)椴捎猛耆芊馐剑虼瞬粫?huì)有電解液漏出的現(xiàn)象，也完全不需要補(bǔ)充電解液；
（4）與其他種類電池相比之下，鎳鎘電池可耐過(guò)充電或放過(guò)電，操作簡(jiǎn)單方便；
（5）長(zhǎng)時(shí)間的放置下也不會(huì)使性能劣化，當(dāng)十分充完電后即可恢復(fù)原來(lái)的特性；
（6）可使用在很廣的溫度范圍內(nèi)；
（7）因?yàn)樗捎媒饘偃萜鞫鞒?，有機(jī)械性的堅(jiān)固；
（8）鎳鎘電池在非常嚴(yán)格的品質(zhì)管理下被制造完成，有非常優(yōu)良的品質(zhì)性賴性。
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圖3 柴油發(fā)電機(jī)SAE潤(rùn)滑油等級(jí)表 |
圖4 鎳鎘蓄電池結(jié)構(gòu)示意圖 |
6、加裝水套加熱器
柴油機(jī)的啟動(dòng)一般是熱啟動(dòng)，如果長(zhǎng)期進(jìn)行低溫啟動(dòng)，尤其是在氣候寒冷的季節(jié)或地域，會(huì)影響柴油機(jī)的使用壽命；對(duì)于采用液體加熱的柴油發(fā)電機(jī)，可以通過(guò)預(yù)先開(kāi)啟液體加熱器，使柴油機(jī)預(yù)熱到常溫后，再啟動(dòng)柴油機(jī)；如圖5所示，柴油機(jī)預(yù)熱時(shí)僅打開(kāi)柴油機(jī)第一回水閥1和加熱器進(jìn)水閥，形成柴油機(jī)水套和液體加熱器之間的水路循環(huán)。
水套加熱器是一種常用的加熱裝置，水套加熱器的主要作用是在低溫環(huán)境下為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和潤(rùn)滑油提供預(yù)熱，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在寒冷環(huán)境中順利啟動(dòng)和工作。在低溫環(huán)境下，冷卻液和潤(rùn)滑油可能會(huì)凝結(jié)成固態(tài)，失去潤(rùn)滑或冷卻效果，從而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，在這種情況下，水套加熱器就顯得尤為重要。水套加熱器通過(guò)電加熱器、電動(dòng)水泵等組件工作，將冷卻液加熱至適宜溫度，從而避免這種情況發(fā)生。
7、加裝燃油加熱器
當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，柴油的粘度會(huì)變得非常高，同時(shí)流動(dòng)性也會(huì)受到影響，這時(shí)候如果直接啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，會(huì)導(dǎo)致柴油燃燒不完全，從而影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，配置燃油加熱器就變得尤為重要。如圖6所示，燃油加熱器的工作原理是利用發(fā)電能來(lái)加熱加熱器中的加熱元件，通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流等方式將熱能傳遞給柴油油路，快速升溫至適宜溫度。其優(yōu)點(diǎn)如下：
（1）提高燃油溫度。在低溫環(huán)境下，燃油粘度較大，流動(dòng)性差，不利于油路流動(dòng)，加熱器可以提升燃油溫度，降低其黏度，從而提高燃油的噴射性能和燃燒性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
（2）預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)。在低溫條件下，加熱器有助于發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)，減少冷啟動(dòng)時(shí)的磨損，并降低油耗。
（3）改善燃油霧化質(zhì)量。直接加熱方式能顯著改善燃油的霧化質(zhì)量，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能有明顯作用。
（4）降低污染物排放。加熱后的燃油燃燒更充分，有助于減少有害氣體和污染物的排放。
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圖5 柴油發(fā)電機(jī)水套加熱器系統(tǒng)圖 |
圖6 柴油發(fā)電機(jī)燃油加熱系統(tǒng)示意圖 |
三、冷啟動(dòng)試驗(yàn)與分析
根據(jù)上述柴油機(jī)低溫起動(dòng)困難的主要原因：機(jī)油粘度變大導(dǎo)致阻轉(zhuǎn)矩增大；柴油霧化不良，壓縮終了的空氣溫度與壓力比常溫情況下要低三個(gè)方面?？得魉构緦?duì)同一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行低溫起動(dòng)試驗(yàn)，在-23.3 ℃情況下用SAE10W機(jī)油僅需3.7 kW的起動(dòng)功率；用SAE20W機(jī)油需7.4 kW的起動(dòng)功率；用SAE30W機(jī)油竟需11.8 kW的起動(dòng)功率。
如圖7所示，起動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)的性能隨溫度變化可定性分析曲線。圖5中的術(shù)語(yǔ)代表含義：t—溫度(t?>t?>t?)；M?一起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；M?一柴油機(jī)阻轉(zhuǎn)矩；M?與M?交點(diǎn)為該溫度下柴油機(jī)所能達(dá)到的曲軸轉(zhuǎn)速。
如圖8所示，柴油機(jī)所能起動(dòng)的低溫極限值曲線。圖6中的術(shù)語(yǔ)代表含義：nt一起動(dòng)機(jī)能達(dá)到的起動(dòng)轉(zhuǎn)速；n?t一柴油機(jī)所需起動(dòng)轉(zhuǎn)速；nt與n?t交點(diǎn)為該起動(dòng)機(jī)能起動(dòng)柴油機(jī)的最低起動(dòng)溫度。
（1）綜上所述，單純加大起動(dòng)機(jī)功率來(lái)改善柴油發(fā)電機(jī)的低溫起動(dòng)性能將很不經(jīng)濟(jì)，故低溫起動(dòng)的環(huán)境下，柴油發(fā)電機(jī)均會(huì)采用多級(jí)機(jī)油(稠化機(jī)油)，以減少其低溫阻轉(zhuǎn)矩。
（2）針對(duì)低溫時(shí)柴油霧化不良，壓縮終了的空氣溫度與壓力比常溫情況下要低，柴油機(jī)大多設(shè)計(jì)有進(jìn)氣預(yù)熱裝置，一般會(huì)采用加注起動(dòng)液以降低柴油發(fā)電機(jī)所需的起動(dòng)轉(zhuǎn)速。
（3）低溫停車后常會(huì)放空冷卻水，起動(dòng)時(shí)重新加注熱水，或者改用冷卻液。目前很多柴油發(fā)電機(jī)都裝有油底殼加熱裝置，采用該裝置后，在-18℃低溫起動(dòng)時(shí)柴油發(fā)電機(jī)所需匹配的起動(dòng)機(jī)的功率基本上與0℃時(shí)估算功率相等。
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圖7 柴油機(jī)性能隨溫度變化曲線圖 |
圖8 柴油機(jī)低溫起動(dòng)極限值曲線圖 |
總結(jié)：
基于試驗(yàn)驗(yàn)證，本文闡述了解決柴油機(jī)冷起動(dòng)性能的原因和解決方案。分析了不同的低溫啟動(dòng)困難原因對(duì)冷起動(dòng)的影響，表述了大排量柴油機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)增大起動(dòng)馬達(dá)功率的選擇并不具有可行性，并給出了正確的防止冬天柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)難的措施，幫助用戶早日脫離寒冷天氣下柴發(fā)起動(dòng)“老大難”的問(wèn)題。
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