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柴油發(fā)動(dòng)機的啟動(dòng)方式及輔助裝置介紹

 

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機根據用途和制造商的不同，其使用的啟動(dòng)系統也將不同，柴油發(fā)動(dòng)機常見(jiàn)的啟動(dòng)方式分為人力啟動(dòng)（手搖式）、電啟動(dòng)（蓄電池）、氣起動(dòng)和液壓?jiǎn)?dòng)等起動(dòng)馬達。其中電啟動(dòng)方式是柴油發(fā)動(dòng)機最普及的裝置，由于使用方便，維護簡(jiǎn)單且工作穩定受到市場(chǎng)的普遍接納。下面由康明斯發(fā)電機公司為你介紹柴油發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)系統工作原理、啟動(dòng)方式和輔助裝置的知識。

 

一、啟動(dòng)系統工作原理

 

      發(fā)動(dòng)機由靜止狀態(tài)轉為運轉狀態(tài)，必須依靠外力助推動(dòng)曲軸轉動(dòng)，才能得到初始的進(jìn)氣、壓縮、燃燒作功等幾個(gè)過(guò)程，產(chǎn)生動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機連續不斷地循環(huán)運轉。發(fā)動(dòng)機從靜止狀態(tài)到開(kāi)始運轉的全過(guò)程，稱(chēng)為啟動(dòng)。完成啟動(dòng)所需的一系列的裝置，稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機的啟動(dòng)系統，其原理如圖1所示。

      發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)，必須克服汽缸內被壓縮的氣體阻力和發(fā)動(dòng)機本身運動(dòng)件及附件所產(chǎn)生的各種摩擦阻力和慣性力?？朔@些阻力所需的力矩稱(chēng)為啟動(dòng)力矩。為保證發(fā)動(dòng)機順利啟動(dòng)所必需的最低轉速稱(chēng)為啟動(dòng)轉速。對于柴油發(fā)電機，在0℃以上時(shí)，要求啟動(dòng)轉速為（250～300）轉/分。由于柴油發(fā)電機壓縮比大，運動(dòng)件慣性力大，啟動(dòng)轉速也較高，因此，它的啟動(dòng)功率比同功率的汽油機大（3～4）倍。

      為了保證發(fā)動(dòng)機在任何溫度條件下都能可靠地啟動(dòng)，尤其是柴油發(fā)電機，通常采用各種便于啟動(dòng)的預熱裝置，對進(jìn)入汽缸的空氣或冷卻水套、下曲軸箱（油底殼）進(jìn)行預熱，一方可增加汽缸內空氣的起燃溫度，一方面使各潤滑而的機油不致粘滯，減小引動(dòng)時(shí)所需扭矩。在柴油發(fā)電機上還裝減壓機構便于啟動(dòng)。以電啟動(dòng)系統為例，結構如圖2所示。起動(dòng)機的主要組成如下：

1、直流電動(dòng)機

      用于將蓄電池輸入的電能轉換為驅動(dòng)發(fā)動(dòng)機轉動(dòng)的機械動(dòng)力(電磁轉矩)。

2、傳動(dòng)機構

      用于將電動(dòng)機的動(dòng)力(電磁轉矩)傳遞給發(fā)動(dòng)機飛輪，并在發(fā)動(dòng)機起動(dòng)后自動(dòng)斷開(kāi)發(fā)動(dòng)機向起動(dòng)機的逆向動(dòng)力傳遞。

3、電磁開(kāi)關(guān)

      控制起動(dòng)機驅動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機飛輪的嚙合與分離以及電動(dòng)機電路的通斷。

 

圖1  起動(dòng)機工作原理圖

圖2  起動(dòng)機結構圖

 

二、啟動(dòng)方式

1、人力啟動(dòng)

（1）手搖式啟動(dòng)

      一般在20KW以下小功率發(fā)動(dòng)機采用人力啟動(dòng)，這是最簡(jiǎn)單的啟動(dòng)方法，通常用手搖柄或索直接轉動(dòng)曲軸，使發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)。手搖啟動(dòng)裝置簡(jiǎn)單，啟動(dòng)搖把或爪輪結構只允許單向傳遞扭矩，避免發(fā)動(dòng)機反轉傷人。此方法目前主要用于柴油機的電啟動(dòng)失效情況下，而采用搖把啟動(dòng)方式。

（2）機械儲能式啟動(dòng)

      彈簧儲能起動(dòng)機也稱(chēng)彈簧馬達，外形如圖3所示。其原理是將人力多次轉動(dòng)的機械能量，以彈簧作為介質(zhì)儲存起來(lái)，一次性釋放，從而起動(dòng)發(fā)動(dòng)機，是“黑啟動(dòng)”或“癱船啟動(dòng)”的最佳解決方案，彈簧儲能起動(dòng)機可以有效的妳補電起動(dòng)的不足，保證發(fā)動(dòng)機在蓄電池虧電狀態(tài)下（蓄電池不能帶動(dòng)電起動(dòng)機，但可以正常給發(fā)動(dòng)機控制單元供電）仍然可以正常起動(dòng)。

      現有的手搖蝶形彈簧儲能起動(dòng)機主要由四大機構組成，即盤(pán)動(dòng)機構（儲能軸頭等部件）、儲能機構（彈簧、輸出主軸、齒輪等組件）、釋放機構（釋放手柄等部件）和離合機構（離合器），搖動(dòng)盤(pán)動(dòng)機構，增加彈簧的儲能，釋放能量時(shí)，釋放機構工作控制離合機構工作，使得儲能機構的輸出主軸轉動(dòng)，并通過(guò)齒輪帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機曲軸轉動(dòng)，從而達到起動(dòng)發(fā)動(dòng)機的目的。相對氣馬達及液壓馬達，彈簧儲能起動(dòng)機是一套集成的完整系統，無(wú)需依賴(lài)其他外部能源、無(wú)需維護保養的備用起動(dòng)裝置，僅需人力搖動(dòng)就可以起動(dòng)50L排量以?xún)鹊牟裼蜋C。適合于柴油機有應急起動(dòng)要求的場(chǎng)合，如軍用野戰電源、船用應急發(fā)電、搶險\救援\應急發(fā)電和水泵機組等。

2、電啟動(dòng)

      直流起動(dòng)機啟動(dòng)方法廣泛用于各種現代發(fā)動(dòng)機和各種用途的柴油發(fā)電機。這種方法是用鉛酸蓄電池作電源，由專(zhuān)用的直流啟動(dòng)起動(dòng)機拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機曲軸旋轉，將發(fā)動(dòng)機發(fā)動(dòng)起來(lái)，所以也叫“電啟動(dòng)”，外形如圖4所示。為保證啟動(dòng)可靠，延長(cháng)蓄電池的使用壽命，每次啟動(dòng)通電時(shí)間不得超過(guò)15s，連續使用不得超過(guò)3次，而且各次之間的間隙時(shí)間不少于1min。

      柴油發(fā)電機的啟動(dòng)起動(dòng)機功率Nq，其公式為

N_q=（0．02～01）N_e（kW)

式中，Ne—為柴油發(fā)電機輸出的有效功率。

      啟動(dòng)用蓄電池電壓為（12～24）V，容量為（100～200）Ah。

      電啟動(dòng)目前柴油發(fā)電機中最常見(jiàn)，最普及的起動(dòng)方式，也因其大量使用而成本相對也較低，通過(guò)電路設計可以實(shí)現遠程和自動(dòng)起動(dòng)功能。整套電起動(dòng)系統需要：電馬達，電池，控制組件、電纜，充電機等。

 

圖3  彈簧儲能起動(dòng)機示意圖

圖4  康明斯電啟動(dòng)馬達外形圖

 

3、氣啟動(dòng)

      對于功率較大的柴油發(fā)電機通常采用壓縮空氣啟動(dòng)，其方法有兩種：

（1）壓縮空氣起動(dòng)

      壓縮空氣起動(dòng)就是具有一定壓力的壓縮空氣，再用空氣分配器將壓力為（2450～2940）kPa（25～30kgf/cm2）的高壓空氣，按照柴油發(fā)電機的工作次序送入各個(gè)汽缸，直接推動(dòng)活塞完成自行點(diǎn)火。壓縮空氣起動(dòng)的起動(dòng)能量大，啟動(dòng)迅速可靠，在緊急情況下可用壓縮空氣進(jìn)行剎車(chē)，但該裝置構造復雜，重量較重，故此法一般適用于缸徑≥150mm的柴油發(fā)電機。

（2）氣動(dòng)馬達啟動(dòng)

      氣動(dòng)馬達也稱(chēng)為風(fēng)動(dòng)馬達，是指將壓縮空氣的能量轉換為旋轉的機械能的裝置，外形如圖5所示。一般作為更復雜裝置或機器的旋轉動(dòng)力源。氣動(dòng)馬達按結構分類(lèi)為：葉片式氣動(dòng)馬達，活塞式氣動(dòng)馬達，緊湊葉片式氣動(dòng)馬達，緊湊活塞式氣動(dòng)馬達。整套氣起動(dòng)系統組成由氣馬達，油水分離裝置，控制組件，高壓管道，儲氣罐，空壓機等。

4、輔助汽油機啟動(dòng)

      工程機械用柴油機，通常采用輔助汽油機啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)先用人力啟動(dòng)汽油機再通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)柴油發(fā)電機啟動(dòng)。

5、液壓?jiǎn)?dòng)

      液壓起動(dòng)器又叫液壓起動(dòng)馬達、液壓馬達，是利用液壓能驅動(dòng)柴油機飛輪齒圈實(shí)現柴油機點(diǎn)火起動(dòng)的馬達稱(chēng)為液壓起動(dòng)器，外形如圖6所示。事實(shí)上，液壓起動(dòng)依靠的是一套完整的液壓系統，并不僅僅只是一個(gè)液壓馬達。整套系統基本包含油箱，液壓起動(dòng)馬達，液力發(fā)生裝置，過(guò)濾器，壓力計，儲能器，控制閥、高壓油管等。價(jià)格十分高昂。一般只適合于特殊的應用工況。

 

圖5  氣動(dòng)馬達結構圖

圖6  液壓起動(dòng)馬達結構圖

 

三、柴發(fā)啟動(dòng)的輔助裝置

1、減壓機構

（1）減壓機構的作用

      使氣門(mén)不受凸輪和氣門(mén)彈簧的控制而進(jìn)行啟動(dòng)，汽缸內的壓力不會(huì )因壓縮而升高，從而減小啟動(dòng)時(shí)汽缸內的壓縮阻力。

（2）減壓機構工作原理

      它用凸輪將配氣機構推杵頂起，使進(jìn)氣門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)。此機構在進(jìn)氣門(mén)挺柱的上部有一個(gè)切槽，切槽內裝有一個(gè)切邊圓柱體的減壓軸，對四缸機而言，減壓軸形狀，第一、二缸為單面切邊，第三、四缸為兩面切邊，通過(guò)減壓軸臂可操縱減壓軸位置轉換。當切邊平面朝上時(shí)，挺柱處于正常工作位置，減壓軸不起作用；當減壓軸圓柱面轉到上面時(shí)，圓柱面將挺柱抬起，使進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)，與進(jìn)氣凸輪表面脫離開(kāi)，汽缸內不再產(chǎn)生壓縮，從而達到減壓目的，實(shí)現減壓?jiǎn)?dòng)。

2、減速機構

      在起動(dòng)機的電樞軸與驅動(dòng)齒輪之間裝有齒輪減速器的起動(dòng)機，稱(chēng)為減速起動(dòng)機，結構如圖7所示。串激式直流電動(dòng)機的功率與其轉矩和轉速成正比，可見(jiàn)，當提高電動(dòng)機轉速的同時(shí)降低其轉矩時(shí)，可以保持起動(dòng)機功率不變，故當采用高速、低轉矩的串激式直流電動(dòng)機作為起動(dòng)機，在功率相同的情況下，可以使起動(dòng)機的體積和質(zhì)量大大減小。但是，起動(dòng)機的轉矩過(guò)低，不能滿(mǎn)足起動(dòng)發(fā)動(dòng)機的要求。為此，在起動(dòng)機中采用高速、低轉矩的直流電動(dòng)機時(shí)，在電動(dòng)機的電樞軸與驅動(dòng)齒輪之間安裝齒輪減速器，可以在降低電動(dòng)機轉速的同時(shí)提高其轉矩。

3、預熱裝置

      眾所周知，柴油發(fā)電機是靠高溫高壓使柴油自燃，因此，柴油發(fā)電機啟動(dòng)時(shí)，汽缸內溫度的高低，對啟動(dòng)柴油發(fā)電機影響很大，尤其環(huán)境溫度低的情況下，影響更大，所以用直流起動(dòng)機啟動(dòng)的柴油發(fā)電機，通常在輔助燃燒室中裝設電熱裝置，以便柴油在燃燒室內容易霧化形成可燃混合氣。一般柴油發(fā)電機預熱裝置大部分采用水套加熱器，其外形結構如圖8所示。

 

圖7  啟動(dòng)馬達的二級減速機構

圖8  水套加熱器外形尺寸圖

 

四、啟動(dòng)系統改造措施

 

      發(fā)電機組的控制柜供電電源為2組24V蓄電池，每組蓄電池的容量（24V，160Ah）能滿(mǎn)足柴油發(fā)電機組啟動(dòng)要求，在蓄電池充滿(mǎn)電后每組蓄電池能保證連續啟動(dòng)3次，兩組共保證6次。2組蓄電池處于一主一備狀態(tài)，具有自動(dòng)切換功能。兩套啟動(dòng)系統的切換邏輯是通過(guò)兩組啟動(dòng)蓄電池的電壓低信號進(jìn)行切換，一主一備，啟動(dòng)過(guò)程中主用蓄電池的端電壓低于23.2V，則切換至備用蓄電池啟動(dòng)，但只要主用蓄電池的端電壓恢復至23.2V，則斷開(kāi)備用蓄電池，還是通過(guò)主用蓄電池來(lái)啟動(dòng)，當然，所有的這些切換時(shí)間，均應在柴油發(fā)電機組的一個(gè)啟機時(shí)間間隔（5S）之內。這些邏輯都是通過(guò)電控柜的繼電器來(lái)實(shí)現的。

1、啟動(dòng)成功率低及原因分析

（1）柴油機啟機系統自動(dòng)切換邏輯的因素。

       在應急柴油發(fā)電機組啟動(dòng)過(guò)程中，兩套啟機系統之間頻繁自動(dòng)切換，難以給機組提供持續的啟動(dòng)力矩，造成柴油發(fā)電機組啟機能力不強，尤其是大修解體之后，首次啟動(dòng)成功率較低。

（2）柴油機啟機系統充電裝置的因素。

      由于某些用戶(hù)充電裝置的產(chǎn)品型號陳舊，性能不穩，特別是出現過(guò)柴油發(fā)電機組啟動(dòng)蓄電池失效后檢查發(fā)現非工作狀態(tài)下初始電壓即低于24V的情況，分析認為存在充電器無(wú)法將蓄電池充足的問(wèn)題。

（3）柴油機啟機系統蓄電池容量的因素。

       鑒于以往機組大修后應急柴油發(fā)電機組啟動(dòng)試驗中，應急柴油發(fā)電機組在一個(gè)啟動(dòng)信號周期（5S）內，兩套蓄電池的電壓一共下降了12次（每套蓄電池均下降了6次），并且隨著(zhù)蓄電池供電次數的增加，蓄電池的恢復電壓（負荷切除后的電壓）逐次下降。即應急柴油發(fā)電機組啟動(dòng)后，蓄電池電壓在平均約0.4S就下降到了23.2V而導致了兩套蓄電池的切換。數據還僅是LLS柴油發(fā)電機組1次啟動(dòng)而采集的數據，而實(shí)際上蓄電池的供電是為3次正常啟動(dòng)而設計的，由此就工程實(shí)踐中負荷的要求來(lái)看目前的蓄電池容量有必要進(jìn)行擴容。蓄電池容量需要進(jìn)行擴容的另一個(gè)原因是其工作的環(huán)境因素即溫度因素。在電池溫度降低的情況下，特別是在溫度低于10℃時(shí)，其放電容量會(huì )有大幅降低。因此蓄電池工作溫度是蓄電池容量選擇中不得不考慮的一個(gè)重要因素。

2、啟動(dòng)成功率低的改進(jìn)方案

（1）改進(jìn)啟機系統的切換邏輯。

      為了驗證是否可以通過(guò)一套發(fā)電機組啟機系統就能成功完成發(fā)電機組系統的成功啟動(dòng)，在通過(guò)短接觸點(diǎn)的方式閉鎖兩套啟機系統自動(dòng)切換以實(shí)現僅通過(guò)一套啟機系統來(lái)完成啟動(dòng)。通過(guò)蓄電池電壓波形來(lái)確認兩組電池沒(méi)有進(jìn)行切換。僅用一套啟機系統進(jìn)行啟動(dòng)的試驗結果表明：在試驗過(guò)程中，僅有一套啟機系統在工作，即可一次成功啟動(dòng)。即可考慮修改兩套啟機系統之間的自動(dòng)切換邏輯，以減少2套LLS系統啟機系統的切換頻度，為L(cháng)LS柴油機系統提供了持續可靠的啟動(dòng)力矩，并保護啟動(dòng)電機免受沖擊。

（2）調整啟機系統的切換定值。

      由LIS啟機系統單套啟機系統進(jìn)行啟動(dòng)的試驗可知，單套啟機系統就能完成應急柴油發(fā)電機組的正常啟動(dòng)。由于采用PLC控制，而PLC的電源要求直流24V，范圍-15%~20%（20.4V~28.8V），啟動(dòng)蓄電池在柴油發(fā)電機組啟動(dòng)時(shí)電壓低于20.4V有可能影響柴油機啟動(dòng)性能，結合《電力工程直流系統設計技術(shù)規程》DL/T5044-2004中對于蓄電池出口端電壓在放電情況下的電壓下限的要求：專(zhuān)供動(dòng)力負荷的直流系統，應不低于直流系統標稱(chēng)電壓的87.5%。對于應急啟機系統的24V電壓而言，其端電壓的下限應為24*87.5%=21V，可考慮將啟機系統的切換電壓定值調低到21V。

 

總結：

      通過(guò)對啟動(dòng)系統一次成功率低進(jìn)而導致發(fā)電機組系統可靠性低的原因分析，提出了3大類(lèi)改進(jìn)方案：修改切換邏輯（修改電壓低切換定值和增加電壓低切換的延時(shí)環(huán)節）、充電裝置換型和蓄電池擴容。以上三種改進(jìn)方案可以相互獨立，均可以在一定程度上提高應急柴油發(fā)電機組啟動(dòng)成功率，基于經(jīng)濟性和技術(shù)可行性的考慮，優(yōu)選修改切換邏輯（增加電壓低切換的延時(shí)環(huán)節）和充電裝置換型方案，將修改切換邏輯（修改電壓低切換定值）和蓄電池擴容作為備選方案。對于出現類(lèi)似發(fā)電機組一次啟動(dòng)成功率低的電廠(chǎng)，在無(wú)條件或短期無(wú)法修改啟機邏輯和充電器換型的情況下，也可根據自身情況采用備選方案：“修改電壓低切換定值”和“蓄電池擴容”，以此提高發(fā)電機組啟動(dòng)的可靠性。

 

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