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極寒天氣下的冬季柴油發(fā)電機組冷啟動(dòng)性能 |
摘要：由于柴油機屬于壓燃式點(diǎn)火系統，所以柴油發(fā)電機組的啟動(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，而當冷卻液溫度過(guò)低，發(fā)動(dòng)機將很難缸內著(zhù)火燃燒。因此，康明斯公司一般對于在北方地區用戶(hù)，在柴油發(fā)電機組設備出廠(chǎng)前，通常為其裝配一套全自動(dòng)智能水套電加熱器系統，以便解決在冬季使用柴油機啟動(dòng)難的隱患問(wèn)題。
一、冷啟動(dòng)難的原因
柴油機冷啟動(dòng)困難是指在低溫環(huán)境下，柴油發(fā)電機在啟動(dòng)時(shí)出現困難或需要較長(cháng)時(shí)間才能啟動(dòng)的現象，如圖1所示。這是因為在低溫條件下，柴油的粘度增加，燃燒性能下降，導致燃油噴射不均勻、燃燒不完全，從而影響了柴油發(fā)電機的啟動(dòng)。
1、低溫柴油霧化不良
柴油在低溫下會(huì )發(fā)生結晶，導致燃油流動(dòng)性降低，使得燃油供應不足。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)電機啟動(dòng)。發(fā)動(dòng)機的燃油流動(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(mǎn)足柴油機啟動(dòng)的要求。
3、渦輪增壓器滯后
柴油發(fā)電機的渦輪增壓器在低溫環(huán)境下，由于機械摩擦增加，渦輪葉片的轉動(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，電池的儲電能力會(huì )降低，電池電量不足時(shí)會(huì )導致啟動(dòng)困難。
5、機油粘度變大
機油粘度變大導致柴油機在啟動(dòng)時(shí)，曲軸轉動(dòng)所需的轉矩增大，從而轉速變低，直接造成了點(diǎn)火困難。
6、起動(dòng)轉速低
起動(dòng)轉速在低溫條件下明顯下降的原因，主要由于機油粘度增大及蓄電池電力輸出功率急驟下降，導致在壓縮行程中散熱時(shí)間長(cháng)，加上機體、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 冬季柴油機難啟動(dòng)現象 |
圖2 柴油機冷啟動(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)到柴油機的金屬部件中，導致燃燒效率降低。以下為康明斯公司為用戶(hù)介紹的低溫下使用柴油發(fā)電機組的防范措施。
1、使用低粘度機油
由于低溫機油粘度會(huì )增加摩擦力，此外，極低的溫度也會(huì )增加柴油機機油的粘度或流動(dòng)阻力。這會(huì )導致柴油機中運轉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)改變其柴油機機油的等級（粘度）來(lái)做好在較低環(huán)境溫度下運行的準備。為適應較低溫度，改變機油的等級也是很常見(jiàn)的，具體機油等級選用請查看圖3。即使使用低粘度油液，柴油機在剛剛起動(dòng)后可能仍需要 80% 以上的可用扭矩，以使柴油機抵抗所有的寄生負載。
2、縮小設備尺寸
過(guò)去，特定功率和扭矩與柴油機的排量緊密相關(guān)?，F在，康明斯公司所設計和開(kāi)發(fā)的小型柴油機能夠提供大型柴油機的功率和扭矩。然而，盡管小型柴油機能夠在正常工作溫度下為機器提供動(dòng)力，但其在極寒條件下冷起動(dòng)的性能尚且無(wú)法達到原始設備制造商（OEM，Original Equipment Manufacturer）的目標。
3、采用電噴機型
柴油發(fā)電機組的啟動(dòng)系統主要靠的是起動(dòng)并達到其運行速度，操作員依靠柴油機的能力在各種條件下起動(dòng)和重新起動(dòng)機器，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，您的柴油機將面臨一些獨特的挑戰。因此，康明斯公司開(kāi)發(fā)的新款電噴柴油發(fā)電機可在 -20°C（4°F）時(shí)迅速起動(dòng)，并在幾秒鐘內達到目標轉速，同時(shí)克服在這種極低溫度下所特有的不良情況。
趨勢總是在各個(gè)行業(yè)之間相互影響。在柴油發(fā)電機組領(lǐng)域中，柴油機電噴化正成為一種流行趨勢。電噴機型可以有效解決冷啟動(dòng)困難問(wèn)題，再輔助以加熱器類(lèi)附件產(chǎn)品，可以大部分康明斯發(fā)電機組在-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)運行時(shí)，使用的最小十六烷值是45；大于于0℃運行時(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)：當燃油出現結蠟的溫度。
因此，應選用低傾點(diǎn)、低濁點(diǎn)燃油。
5、選擇高性能電池
根據冷啟動(dòng)條件下選擇相對大容量的蓄電池，并且考慮采用鎳鎘電瓶，外形結構如圖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500次以上的充放電，非常的經(jīng)濟；
（2）內阻小，可供大電流的放電，當它放電時(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）因為采用完全密封式，因此不會(huì )有電解液漏出的現象，也完全不需要補充電解液；
（4）與其他種類(lèi)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(cháng)時(shí)間的放置下也不會(huì )使性能劣化，當十分充完電后即可恢復原來(lái)的特性；
（6）可使用在很廣的溫度范圍內；
（7）因為它采用金屬容器而作成，有機械性的堅固；
（8）鎳鎘電池在非常嚴格的品質(zhì)管理下被制造完成，有非常優(yōu)良的品質(zhì)性賴(lài)性。
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圖3 柴油發(fā)電機SAE潤滑油等級表 |
圖4 鎳鎘蓄電池結構示意圖 |
6、加裝水套加熱器
柴油機的啟動(dòng)一般是熱啟動(dòng)，如果長(cháng)期進(jìn)行低溫啟動(dòng)，尤其是在氣候寒冷的季節或地域，會(huì )影響柴油機的使用壽命；對于采用液體加熱的柴油發(fā)電機，可以通過(guò)預先開(kāi)啟液體加熱器，使柴油機預熱到常溫后，再啟動(dòng)柴油機；如圖5所示，柴油機預熱時(shí)僅打開(kāi)柴油機第一回水閥1和加熱器進(jìn)水閥，形成柴油機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)機冷卻液和潤滑油提供預熱，以保證發(fā)動(dòng)機在寒冷環(huán)境中順利啟動(dòng)和工作。在低溫環(huán)境下，冷卻液和潤滑油可能會(huì )凝結成固態(tài)，失去潤滑或冷卻效果，從而損壞發(fā)動(dòng)機，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，會(huì )導致柴油燃燒不完全，從而影響發(fā)電機組的正常運行。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、對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)機快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
（2）預熱發(fā)動(dòng)機。在低溫條件下，加熱器有助于發(fā)動(dòng)機快速啟動(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(zhù)改善燃油的霧化質(zhì)量，對提高發(fā)動(dòng)機冷起動(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)電機水套加熱器系統圖 |
圖6 柴油發(fā)電機燃油加熱系統示意圖 |
三、冷啟動(dòng)試驗與分析
根據上述柴油機低溫起動(dòng)困難的主要原因：機油粘度變大導致阻轉矩增大；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ν慌_柴油發(fā)電機進(jìn)行低溫起動(dòng)試驗，在-23.3 ℃情況下用SAE10W機油僅需3.7 kW的起動(dòng)功率；用SAE20W機油需7.4 kW的起動(dòng)功率；用SAE30W機油竟需11.8 kW的起動(dòng)功率。
如圖7所示，起動(dòng)機和柴油發(fā)電機的性能隨溫度變化可定性分析曲線(xiàn)。圖5中的術(shù)語(yǔ)代表含義：t—溫度(t?>t?>t?)；M?一起動(dòng)機的起動(dòng)轉矩；M?一柴油機阻轉矩；M?與M?交點(diǎn)為該溫度下柴油機所能達到的曲軸轉速。
如圖8所示，柴油機所能起動(dòng)的低溫極限值曲線(xiàn)。圖6中的術(shù)語(yǔ)代表含義：nt一起動(dòng)機能達到的起動(dòng)轉速；n?t一柴油機所需起動(dòng)轉速；nt與n?t交點(diǎn)為該起動(dòng)機能起動(dòng)柴油機的最低起動(dòng)溫度。
（1）綜上所述，單純加大起動(dòng)機功率來(lái)改善柴油發(fā)電機的低溫起動(dòng)性能將很不經(jīng)濟，故低溫起動(dòng)的環(huán)境下，柴油發(fā)電機均會(huì )采用多級機油(稠化機油)，以減少其低溫阻轉矩。
（2）針對低溫時(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，柴油機大多設計有進(jìn)氣預熱裝置，一般會(huì )采用加注起動(dòng)液以降低柴油發(fā)電機所需的起動(dòng)轉速。
（3）低溫停車(chē)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)電機所需匹配的起動(dòng)機的功率基本上與0℃時(shí)估算功率相等。
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圖7 柴油機性能隨溫度變化曲線(xiàn)圖 |
圖8 柴油機低溫起動(dòng)極限值曲線(xiàn)圖 |
總結：
基于試驗驗證，本文闡述了解決柴油機冷起動(dòng)性能的原因和解決方案。分析了不同的低溫啟動(dòng)困難原因對冷起動(dòng)的影響，表述了大排量柴油機冷啟動(dòng)時(shí)增大起動(dòng)馬達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)電機組啟動(dòng)難的措施，幫助用戶(hù)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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