新聞主題	高原低溫對柴油發(fā)電機的影響

 

摘要：隨著(zhù)國家“西部大開(kāi)發(fā)”戰略的實(shí)施，適合高原使用的主用電源越來(lái)越受到重視，而最受高原影響的柴油發(fā)動(dòng)機是否具備穩定性能也越來(lái)越受到關(guān)注。本文以某高原低溫地區康明斯柴油發(fā)電機為例，對其具體柴油發(fā)電機冷啟動(dòng)性能和運行故障進(jìn)行分析。研究表明，高原低溫地區的柴油發(fā)電機在使用時(shí)，除了要克服低溫缺氧問(wèn)題，還必須按康明斯技術(shù)應用指南進(jìn)行安裝，才能保證設備處于正常運行狀態(tài)，確保整個(gè)供電電源處于安全有效狀態(tài)。

 

一、高原環(huán)境對柴油機性能的影響

 

      由于西方國家高原面積較少且海拔較低，對柴油發(fā)動(dòng)機在高原工作的相關(guān)問(wèn)題研究較少，美國最高峰惠特尼山4418m，俄羅斯最高峰厄爾布魯士峰5600m，自然他們就不會(huì )研制為高原作戰而專(zhuān)門(mén)設計的裝備。我國高原面積遼闊，工程建設和交通運輸車(chē)輛經(jīng)常變海拔工作，所以科研工作者圍繞著(zhù)發(fā)動(dòng)機的高原適應問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。由于外界氣壓、氣溫和沙塵等條件的影響，導致存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1、低氣溫對柴油機的影響

      隨著(zhù)海拔的升高，大氣溫度逐漸降低，致使柴油機粘度增加，起動(dòng)阻力拒增大，燃油消耗率增加。海拔升高，溫度隨之降低，蓄電池內部化學(xué)反應變慢，內阻增大，端電壓降低，導致放電率下降，致使啟動(dòng)力矩降低。并且燃油粘度增加，形成的混合氣質(zhì)量差，柴油機的燃燒會(huì )受到影響。

（1）啟動(dòng)性能的影響

      環(huán)境溫度是影響冷起動(dòng)性能的主要原因之一。較低的環(huán)境溫度直接對缸內壓縮溫度壓力產(chǎn)生不利影響。環(huán)境溫度過(guò)低還將造成燃油噴霧過(guò)程惡化。研究表明，冷起動(dòng)條件下的缸內氣體密度與正常工況相比較低，這將導致燃油噴射破碎距離增大，霧化性能變差，附壁燃油量增多。低溫燃燒曲線(xiàn)如圖1所示。

（2）噴油正時(shí)的影響

      噴油正時(shí)是影響冷起動(dòng)過(guò)程缸內混合氣形成及著(zhù)火性能的重要因素。在冷起動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機轉速較低，雖然缸內壓縮壓力和溫度較低造成滯燃期變長(cháng)，但相同噴油持續時(shí)間所需要曲軸轉角則變小，這時(shí)，適當推遲噴油，有利于燃油的霧化蒸發(fā)，使得冷起動(dòng)性能提高。若過(guò)早噴油時(shí)，缸內的壓力溫度很低，導致滯燃期較長(cháng)，且使得燃油噴射貫穿距離變長(cháng)，將導致嚴重的燃油附壁現象。而當噴油時(shí)刻靠后，則使得滯燃期延伸到膨脹行程中，這時(shí)活塞下行，缸內容積逐漸增大，混合氣的焰前反應速率減緩，滯燃期將拉長(cháng)，使得著(zhù)火時(shí)刻落在膨脹行程中遠離上止點(diǎn)的位置，造成燃燒著(zhù)火性能變差。若噴油時(shí)刻過(guò)于靠后，甚至會(huì )導致混合氣在膨脹行程中的焰前反應中止，無(wú)法著(zhù)火燃燒，出現失火現象。柴油機不同海撥全負荷噴油量分布如圖2所示。

（3）燃料特性的影響

      燃料特性對冷起動(dòng)過(guò)程的影響主要是由十六烷值和揮發(fā)性決定的。燃料的揮發(fā)性較好時(shí)，有利于缸內可燃混合氣的形成，提高發(fā)動(dòng)機的著(zhù)火燃燒性能。十六烷值則主要影響混合氣的滯燃期。當十六烷值由50變到60時(shí)，其對滯燃期的影響很??；而當十六烷值降到50以下時(shí)，滯燃期將隨十六烷值的降低而迅速增大。

（4）壓縮比的影響

      壓縮比是影響缸內壓縮壓力和溫度的一個(gè)最重要的影響因素。提高壓縮比，增大缸內壓縮終了的壓力和溫度，一方面有利于改善燃油噴霧性能，減小燃油附壁量，促進(jìn)油滴蒸發(fā)；另一方面則有利于提高混合氣焰前反應速率，縮短滯燃期。較高的壓縮壓力和溫度能夠有效縮短混合氣的滯燃期，且可以顯著(zhù)減小燃油的附壁量。雖然提高壓縮比有利于改善柴油機的冷起動(dòng)性能，但實(shí)際壓縮比的選擇時(shí)必須綜合考慮發(fā)動(dòng)機的經(jīng)濟性、排放及強度。目前，在高增壓大功率柴油機中，為了限制發(fā)動(dòng)機的最高爆壓，多采用了降低壓縮比的方式，這將導致冷起動(dòng)性能變差。

（5） 缸內累積燃油的影響

      缸內累積的附壁燃油對實(shí)際壓縮比產(chǎn)生一定的影響，且由于附壁燃油的蒸發(fā)，將使得缸內總的燃油蒸汽濃度增大，這些因素將有利于促進(jìn)缸內混合氣的著(zhù)火。，在冷起動(dòng)過(guò)程中，前一不著(zhù)火或著(zhù)火性能較差循環(huán)中滯留燃油的蒸發(fā)，將對下一循環(huán)的燃空比產(chǎn)生一定的影響，從而影響該循環(huán)缸內混合氣的著(zhù)火燃燒性能。

 

圖1 柴油機低溫燃燒曲線(xiàn)圖

圖2  柴油機不同海撥全負荷噴油量分布圖

 

2、 低氣壓對柴油機的影響

      隨著(zhù)海拔的升高，大氣壓力下降，導致柴油機燃燒室氣密度下降，過(guò)量空氣系數降低，燃燒過(guò)程緩慢，熱效率利用較低，導致柴油機排放量增加，動(dòng)力性能下降。

      另外“開(kāi)鍋”現象也是我們要注意的，一般柴油發(fā)動(dòng)機冷卻水的溫度是在90℃左右，但隨著(zhù)海拔的升高，氣壓逐漸降低，冷卻液的沸點(diǎn)也在逐漸降低，所以低氣壓的情況下極容易出現“開(kāi)鍋”，導致柴油機機體過(guò)熱，燃燒異常，摩擦磨損加劇，進(jìn)而使柴油機整體性能下降，甚至縮短使用壽命，所以有必要保持一定的冷卻水溫度。

3、沙塵對柴油機的影響

      新疆西藏部分地區年降水稀少，空氣干燥，蒸發(fā)量大，此時(shí)空氣中塵土含量可達15g/m³，空氣中灰塵較多，大量的顆粒就會(huì )在濾清器外表面上堆積，引起進(jìn)氣壓力降低，充氣量嚴重不足，造成發(fā)動(dòng)機功率下降。長(cháng)時(shí)間在此環(huán)境中工作會(huì )使沙塵進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機內部，使發(fā)動(dòng)機各機件磨損加劇，縮短使用壽命。另外，高原的強紫外線(xiàn)也會(huì )加速機組表面橡膠、塑料、油漆等高分子老化，龜裂。

      圖3和圖4為不同轉速、部分負荷工況下柴油機特性參數隨海拔的變化。隨著(zhù)負荷增加，柴油機過(guò)量空氣系數降低，渦前排氣溫度升高，燃油消耗量升高，有效燃油消耗率先降低后升高。隨著(zhù)負荷增加，柴油機噴油量增加，增加了混合氣中油的比例，燃燒釋放熱量增加。隨著(zhù)海拔升高，過(guò)量空氣系數下降，渦前排氣溫度增加，燃油消耗量降低，有效燃油消耗率增加。

 

1500轉速下柴油機特性變化曲線(xiàn)

1800轉速下柴油機特性變化曲線(xiàn)

 

二、高原常見(jiàn)故障現象及處理方式

 

      與普通平原對比，高原低溫地區的環(huán)境比較特殊，實(shí)際柴油發(fā)電機在工作時(shí)，會(huì )消耗更多的燃油，進(jìn)而產(chǎn)生大量熱負荷，最終對發(fā)電機的參數和功率產(chǎn)生影響。為此，相關(guān)使用人員需要根據柴油發(fā)電機所處環(huán)境，對其常見(jiàn)故障問(wèn)題進(jìn)行考慮，并制定有效的管理措施，避免為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟損失，維護高原低溫地區柴油發(fā)電機始終處于正常運行狀態(tài)。

      由于高原地區的氣壓低，空氣稀薄，含氧分量少，特別對于自然吸氣的柴油發(fā)電機，雖然柴油機基本結構相同，但各種型號的柴油機標定功率不同，因此它們在高原的能力是不一樣的。因進(jìn)氣量不足而燃燒條件變差，不能象在平原上那樣燃燒那么多的燃料而損失一些功率，電氣設備的安全運行往往受環(huán)境因素影響較大，經(jīng)常出現故障現象，如啟動(dòng)點(diǎn)火困難、渦輪增壓器冒煙等等，從而為整個(gè)發(fā)電機使用后續運行帶來(lái)極大威脅。

1、功率不足

      由于高原地區的氣壓低，空氣稀薄，含氧分量少，環(huán)境溫度低，特別對自然進(jìn)氣的柴油機，因進(jìn)氣量不足而燃燒務(wù)件變差，使柴油機不能發(fā)出原規定的標定功率（曲線(xiàn)如圖5所示）。即使柴油機基本結構相同，但各型柴油機標定功率、排量、轉速不同，因此它們在高原工作的能力是不一樣的。在高原使用時(shí)每升高1000m，功率非增壓機降低約6-10%，增壓機約為2-5%，因此在高原長(cháng)期使用時(shí)應根據當地的海拔高度，適當減小供油量（曲線(xiàn)如圖6所示）?？紤]到在高原條件下著(zhù)火廷遲的傾向，為了提高柴油機的運行經(jīng)濟性，一般推薦非增壓柴油機供油提前角應適當提前。由于海撥升高，動(dòng)力性下降，排氣溫度上升，因此用戶(hù)在選用柴油機時(shí)也應該考慮柴油機的高原工作能力，嚴格避免超負荷運行。據近年來(lái)的試驗證明，對高原地區使用的柴油機，可采用廢氣渦輪增壓的方法作為高原功率補償。通過(guò)廢氣渦輪增壓不但可彌補高原功率的不足，還可改善煙色、恢復動(dòng)力性能和降低燃油消耗率。

 

圖5  高海拔全負荷工況下柴油機功率曲線(xiàn)圖

圖6  高海拔全負荷工況下柴油機燃油消耗量曲線(xiàn)圖

 

2、啟動(dòng)前預熱不足

      高原低溫區域內，柴油發(fā)電機附近的溫度往往以0℃以下為主，此時(shí)，柴油發(fā)電機水箱和內部冷卻液與環(huán)境溫度接近。在發(fā)電機處于停運狀態(tài)時(shí)，內部潤滑油全部流入底部，后續啟動(dòng)時(shí)，潤滑油也無(wú)法呈現出良好的潤滑作用，再加上周?chē)鷾囟容^低，導致金屬部件萎縮嚴重，齒輪之間的間隙變小，增加整個(gè)系統的啟動(dòng)難度。在上述故障問(wèn)題解決上，使用人員首先要做的就是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機預熱元器件檢查操作，看其是否處于正常運行狀態(tài)，之后加裝一套電熱塞以加熱柴油發(fā)動(dòng)機內的空氣-燃料混合物，使得可改善冷條件期間的發(fā)動(dòng)機起動(dòng)。發(fā)動(dòng)機汽缸中的電熱塞可升高發(fā)動(dòng)機汽缸內的溫度，使得當汽缸中的活塞接近上止點(diǎn)壓縮沖程時(shí)，汽缸內的空氣-燃料混合物可在增加的汽缸壓力下點(diǎn)燃（最高燃燒壓力曲線(xiàn)如圖7所示）。因為發(fā)動(dòng)機趨于加熱空氣-燃料混合物，所以當發(fā)動(dòng)機溫暖且被重新起動(dòng)時(shí)可停用電熱塞。

3、啟動(dòng)運行冒煙

      高原環(huán)境下的空氣稀薄，含氧量較低，發(fā)電機在冷啟動(dòng)時(shí)容易出現冒黑煙現象，排氣管還會(huì )出現水滴現象。這種黑煙的出現，往往是因為柴油機超負荷運行，或者是突然加大油門(mén)導致的。黑煙時(shí)柴油不完全燃燒的寫(xiě)照，如果柴油機負荷較大，會(huì )增加整個(gè)燃燒室溫度，再加上噴入的燃料較多，混合氣體無(wú)法充分燃燒，最終聚合成黑煙。該類(lèi)故障的解決，使用人員可以選擇定期更換空氣濾清器以及燃油濾清器，強化對渦輪增壓器的維護檢查力度，保證發(fā)電機內部的進(jìn)氣壓力和含氧量。除此之外，使用人員還要對缸體氣密性進(jìn)行檢查，避免由于漏氣問(wèn)題出現燃燒室壓力不足現象。

4、排氣管振動(dòng)斷裂

      自柴油發(fā)電機組投入應用后，往往會(huì )安裝在一個(gè)狹小空間內，通風(fēng)狀態(tài)不佳。另外，在發(fā)動(dòng)機底座設計時(shí)，還要加裝緩沖膠點(diǎn)，在散熱器封口處，還要設計無(wú)遮擋物體。若沒(méi)有滿(mǎn)足上述條件，應進(jìn)行改進(jìn)。首先，高原地區空氣稀薄，通風(fēng)條件不佳，導致排氣回路出現嚴重發(fā)熱現象。其次，發(fā)電機底座沒(méi)有設置緩沖膠墊，發(fā)電機在運行時(shí)抖動(dòng)嚴重。為此，在實(shí)際排氣回路設計時(shí)，使用人員需要將排氣主管和消音器應用三腳架固定在墻上，支撐起整個(gè)排氣回路，之后加裝中間伸縮管，展示出減震散熱效果。在末端設置消音器，避免由于高溫現象導致殼體出現斷裂或者是變薄等問(wèn)題。

5、散熱不足

      由于海撥的升高，水的沸點(diǎn)降低，同時(shí)冷卻空氣的風(fēng)壓和冷卻空氣質(zhì)量減少，以及每千瓦在單位時(shí)間內散熱量的增加，因此冷卻系統的散熱條件要比平原差。一般在高海拔地區不宜采用開(kāi)式玲卻循環(huán)，可采用加壓的閉式冷卻系統以提高高原使用時(shí)冷卻液的沸點(diǎn)，閉式循環(huán)冷卻系統結構如圖8所示。

 

圖7  高原柴油機最高燃燒壓力曲線(xiàn)圖

圖8  柴油發(fā)電機閉式冷卻系統

 

 

三、采用的改善措施及效果

 

     改善柴油機的冷起動(dòng)性能除了對柴油機自身進(jìn)行優(yōu)化設計外，最重要的是采用低溫輔助措施。目前，柴油機都采用低溫起動(dòng)輔助措施輔助柴油機在低溫環(huán)境條件下順利起動(dòng)。低溫起動(dòng)輔助裝置主要有兩類(lèi)：應急起動(dòng)輔助裝置和升溫起動(dòng)輔助裝置：低溫起動(dòng)輔助預熱裝置主要有進(jìn)氣預熱裝置、燃燒室電熱塞、蓄電池加熱保溫裝置、燃油加熱器以及其他輔助措施等。

1、采用低溫用蓄電池

      選用免維護蓄電池，可在-40℃環(huán)境條件下正常工作。另外也可以給采用給蓄電池加裝保溫措施來(lái)降低電解質(zhì)黏度，增加蓄電池的蓄電量。

2、選擇合適的柴油標號

      不同標號的柴油理化指標不同，理論選用原則是柴油的凝點(diǎn)應該比環(huán)境溫度低5℃左右為宜，一般規定在10月份氣溫降低時(shí)加注-10#柴油，根據氣溫下降幅度和時(shí)間逐步延伸到-20#和-35#柴油。

3、選擇低溫潤滑油

      使用5W/40四季通用機油，環(huán)境溫度范圍-15℃～30℃，基本能滿(mǎn)足要求，低溫下機油粘度增加不明顯。另外在進(jìn)入冬季前提前對發(fā)電機組的防凍液冰點(diǎn)進(jìn)行檢測，冰點(diǎn)在-35℃以上的進(jìn)行更換。

4、安裝預熱裝置

      主要是通過(guò)預熱裝置在發(fā)動(dòng)機冷態(tài)啟動(dòng)前對吸入的空氣進(jìn)行加熱，提高柴油機的起動(dòng)性，即使在起動(dòng)后，依據當時(shí)的冷卻液溫度，對空氣繼續加熱一段時(shí)間，同時(shí)還可以減少柴油機爆震和冒白煙。

 

四、預熱方式優(yōu)缺點(diǎn)

 

      一般來(lái)說(shuō)，柴油發(fā)電機可通過(guò)加熱燃油和預熱氣缸的方式，可以提高柴油機的起動(dòng)性能和燃燒效率，減少磨損和排放污染物的產(chǎn)生。加熱過(guò)程和預熱裝置組成如圖9、圖10所示。

表 1       提高柴油溫度的方式和優(yōu)劣性對比

 

1、 利用冷卻液預熱柴油

      在一臺柴油發(fā)電機上安裝兩個(gè)柴油箱，一個(gè)油箱盛裝0#柴油，另外一個(gè)根據溫度盛裝負號柴油。低溫啟動(dòng)時(shí)首先接通負號柴油的箱內的負號柴油來(lái)啟動(dòng)柴油機。在發(fā)電機組正常運行后通過(guò)柴油機的冷卻液循環(huán)給0#柴油箱加熱，達到一定的溫度后切換燃油供給系統開(kāi)關(guān)，開(kāi)啟0#柴油箱，使用0#柴油正常工作。

（1）優(yōu)點(diǎn)：

      改動(dòng)量小，但需要在0#柴油箱內安裝盤(pán)管循環(huán)冷卻液來(lái)加熱柴油。

（2）缺點(diǎn)：

① 需要將燃油供給系切換到負號柴油箱并運轉一段時(shí)間，以便管路內充滿(mǎn)負號柴油，避免停機后管路內的0#柴油凝結造成堵塞，操作流程較繁瑣，因疏忽忘記切換時(shí)可能導致下次無(wú)法起動(dòng)。

② 在遇到發(fā)電機組突發(fā)故障被動(dòng)長(cháng)時(shí)間停機時(shí)可能堵塞管路。

③ 由于冷卻液工作溫度大約在85℃～95℃之間，發(fā)電機組正常運行時(shí)冷卻液對0#柴油箱持續加熱，無(wú)法控制溫度，容易增加油耗且有安全隱患。

2、 安裝液體燃油加熱器

      在機上安裝專(zhuān)門(mén)的液體燃油加熱器，使用12V～24V直流電源，由電動(dòng)機、燃燒室、水套體、水泵等組成。電動(dòng)機帶動(dòng)油泵、助燃風(fēng)扇及霧化器轉動(dòng)，油泵吸入的燃油經(jīng)輸油管送到霧化器，霧化后與助燃風(fēng)扇吸入的空氣在主燃燒室內混合，被電熱塞點(diǎn)燃，在后燃燒室內充分燃燒后折返，經(jīng)水套內壁的散熱片將熱量傳給水套夾層中的冷卻液介質(zhì)，被加熱介質(zhì)在水泵的作用下，在整個(gè)管路系統中循環(huán)，達到加熱的目的。

（1）優(yōu)點(diǎn)：

① 可以與發(fā)動(dòng)機及強制散熱器等輔助散熱裝置組成循環(huán)系統，也可以單獨與散熱器、除霜器等組成循環(huán)系統。

② 可以通過(guò)冷卻液同時(shí)加熱柴油箱和發(fā)動(dòng)機達到工作溫度，且溫度可控。

③ 允許發(fā)電機組油箱加注低于當前環(huán)境溫度推薦標號的柴油。

（2）缺點(diǎn)：

① 對發(fā)電機組的管路改動(dòng)較大。

② 該加熱器需要獨立的且加注符合環(huán)境溫度推薦標號的柴油。

③ 預熱時(shí)間需要10～15分鐘。

3、直接電熱塞或加熱管加熱

      使用發(fā)電機組自帶的蓄電池供電，在特制的油管內穿一根發(fā)熱絲給柴油機進(jìn)油管加熱，配合使用棒式的加熱器插進(jìn)油箱內加熱燃油，使燃油保持一定的溫度。

（1）優(yōu)點(diǎn)：

      僅需要更換燃油供給系的部分管路，不改變原機結構，不破壞油箱整體封閉性。

（2）缺點(diǎn)：

① 發(fā)熱絲與柴油直接接觸，可能存在很大的風(fēng)險，易導致油管老化，使用壽命短，耗電量大。

② 隨著(zhù)柴油的消耗，油箱內的油液面不斷下降，暴露的部分變大，無(wú)用功耗電散熱加大，而浸泡在燃油液面下的部分加熱變慢，燃油溫度不穩定，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機工作不穩定，耗能多，而且燃油加熱溫度不可調控，易使燃油變異，對發(fā)動(dòng)機有損，更不能進(jìn)行恒溫安全控制而造成耗油量增加。

③ 由于柴油濾芯無(wú)法通過(guò)該種方式加熱必須拆除，可能因為柴油內的顆粒物造成噴油器堵塞等問(wèn)題。

 

圖9  柴油機冷卻系統加熱過(guò)程示意圖

圖10  柴油發(fā)電機加熱器組成

 

總結：

      綜上所述，從實(shí)際柴油發(fā)電機故障問(wèn)題分析中可以看出，相關(guān)使用人員需要對設備運行常識等內容進(jìn)行全面了解，依照具體分析結論執行維修改進(jìn)操作。另外，還要做好消缺保養以及正確的規范操作，將設備使用價(jià)值更好的呈現出來(lái)，只有這樣，才能避免電源故障，為高原低溫區域柴油發(fā)電機運轉提供有利條件。針對在特殊工況下進(jìn)行高原冷起動(dòng)，康明斯公司在本文分析了在高原環(huán)境下柴油機冷起動(dòng)困難的原因，以及研究了影響柴油機冷起動(dòng)性能的因素。此外，還介紹了提高低溫冷起動(dòng)能力的方法與措施，為柴油機的低溫冷起動(dòng)的研究提供了方法與指導。

 

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