新聞主題	常溫與低溫下柴油發(fā)電機的啟動(dòng)帶載能力測試

 

摘要∶起動(dòng)性能是柴油發(fā)電機的重要性能指標之一，起動(dòng)過(guò)程承接柴油機從靜止到運轉的過(guò)渡，其維持的時(shí)間很短，一般只有幾秒。在這段時(shí)間內，經(jīng)歷柴油機運行狀態(tài)的巨大改變，必須能夠在快速的工況變化中調整控制參數，以滿(mǎn)足柴油機起動(dòng)過(guò)程中的各種需求。其啟動(dòng)性能直接影響柴油發(fā)電機的工作可靠性、使用壽命及其排放性能。起動(dòng)的必要條件是必須提供足夠大的起動(dòng)力矩、起動(dòng)轉速、氣缸壓力和溫度以及預潤滑程度。如果上述條件之一惡化，則會(huì )發(fā)生起動(dòng)困難?？得魉构驹诒疚闹?/span>對常低溫下的柴油發(fā)電機起動(dòng)需求的差異進(jìn)行了比較，通過(guò)實(shí)測柴油機常溫、低溫起動(dòng)時(shí)的轉速和啟動(dòng)電壓，提出了柴油機低溫起動(dòng)特性要求。

 

一、起動(dòng)機的仿真

 

1、起動(dòng)機的數學(xué)模型

      起動(dòng)機的電壓表達方程式為

      電樞電流隨時(shí)間的變化為

 

式中，ε為電樞反電動(dòng)勢；U_N為蓄電池額定電壓；R₀為蓄電池內阻；R_b為電刷接觸電阻；R_a為電樞繞組；L_a為電樞電感；i_a為電樞電流。

      起動(dòng)機的轉矩方程式為

      結合上面的式子得出：

 

式中，T為起動(dòng)機的電磁轉矩；T_L為負載力矩；R_ω為旋轉阻尼系數；ω為起動(dòng)機的角速度；J為起動(dòng)機的轉子轉動(dòng)慣量。

      起動(dòng)機的輸出功率P為

 

式中，p為極對數；N為每相繞組師數；φ為每極磁通量。

      由上式知：輸出功率由電樞繞組感應電動(dòng)勢E和電樞電流I_a兩部分來(lái)決定，它與p、N、α_p、φ和I_a等參數有關(guān)。

2、起動(dòng)機的電磁場(chǎng)仿真

      起動(dòng)機采用的是永磁材料的直流電動(dòng)機，做二維靜態(tài)電磁場(chǎng)模型假設：

（1）磁瓦等效為兩側有面電流的永磁鐵，永磁材料的磁化曲線(xiàn)相當于其退磁曲線(xiàn)在第一象限原點(diǎn)位置的鏡像。

（2）以電樞鐵心與磁瓦平均軸向長(cháng)度作為起動(dòng)機計算長(cháng)度，機殼的截面積保持不變。

（3）電樞繞組與定子之間沒(méi)有相對運動(dòng)，電樞繞組電流均勻分布在線(xiàn)圈之中，電刷位于幾何中心線(xiàn)上。

（4）計算起動(dòng)機的二維場(chǎng)，矢量磁位只有軸向分量；

（5）采用XY軸坐標，考慮曲度效應，用三節點(diǎn)三角形單元換分模型網(wǎng)格。

（6）轉子鐵心和定子機殼的磁化曲線(xiàn)為單值函數，定子的外殼和轉子內徑處的矢量磁位為0，滿(mǎn)足第一類(lèi)狄里克利邊界條件。

      起動(dòng)機的基本方程和邊界條件為

式中，δ為外加電流密度；μ₁、μ₂分別為永磁材料和鐵心的磁導率；J_e為永磁材料的兩側的面電流；L為永磁鐵側面弧長(cháng)。

      定轉子兩部分通過(guò)氣隙解耦聯(lián)系在一起，轉子的旋轉以轉動(dòng)轉子的有限元網(wǎng)格實(shí)現，考慮時(shí)間的因素，動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)場(chǎng)方程為

      能量函數為

      在分析起動(dòng)機的靜態(tài)磁場(chǎng)時(shí)，以起動(dòng)機的定子外殼和轉子軸作為邊界條件，24V恒定電壓作為激勵源，起動(dòng)機的靜態(tài)磁場(chǎng)分布如圖1所示。在起動(dòng)機的磁場(chǎng)分布中，定子的內殼和轉子中心軸外側的磁場(chǎng)分布比較密集，起動(dòng)機產(chǎn)生的漏磁通比較小，由圖中磁場(chǎng)分布線(xiàn)系數可以看到起動(dòng)機的磁場(chǎng)分布強弱。

      起動(dòng)機的瞬態(tài)分析時(shí)，考慮蓄電池提供的端電壓是一個(gè)動(dòng)態(tài)量，對蓄電池提供的端電壓變化狀況作一定的假設：起動(dòng)機槽內每股導線(xiàn)數為128，起動(dòng)機的極數為4極，所以起動(dòng)機的轉子內有4條支路進(jìn)行電壓換向，起動(dòng)機的瞬態(tài)磁場(chǎng)分布如圖2所示。起動(dòng)機帶負載運動(dòng)，瞬間定子內殼的磁力線(xiàn)較密，磁場(chǎng)容易飽和；圖中永磁體上閉合區域的漏磁通明顯較靜態(tài)磁場(chǎng)的漏磁通大。

 

圖1  柴油發(fā)電機起動(dòng)機靜態(tài)磁場(chǎng)分布

圖2  柴油發(fā)電機起動(dòng)機瞬態(tài)磁場(chǎng)分析圖

 

 

二、常溫下啟動(dòng)性能試驗

      由于柴油發(fā)電機起動(dòng)內容較為復雜，在工程實(shí)際中除通過(guò)公式對氣缸內壓力、溫度進(jìn)行估算外還可實(shí)際測量柴油發(fā)電機起動(dòng)轉速、啟動(dòng)電機電壓及氣缸內壓縮壓力，評估柴油發(fā)電機氣缸內混合氣點(diǎn)火條件是否具備。本文以康明斯某型號柴油發(fā)電機及其啟動(dòng)電機為例進(jìn)行試驗測試。

1、常溫不發(fā)火拖動(dòng)測試

      為直觀(guān)判定啟動(dòng)電機在特定發(fā)動(dòng)機上使用時(shí)的起動(dòng)能力，對啟動(dòng)電機拖動(dòng)柴油發(fā)電機的工作狀態(tài)進(jìn)行測試，在柴油發(fā)電機不發(fā)火狀態(tài)時(shí)，對柴油發(fā)電機轉速、啟動(dòng)電機電壓進(jìn)行監控，以判定啟動(dòng)電機起動(dòng)能力是否滿(mǎn)足柴油發(fā)電機的最低起動(dòng)轉速要求。本試驗用柴油發(fā)電機的拖動(dòng)轉速情況和常溫狀態(tài)啟動(dòng)電機的拖動(dòng)扭矩曲線(xiàn)需記錄在案。在啟動(dòng)電機純拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，還可對缸內壓縮壓力進(jìn)行監控，以判定缸內氣休是否滿(mǎn)足發(fā)火溫度要求。試驗用柴油發(fā)電機在啟動(dòng)電機拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)的缸內壓縮壓力測量結果也需記錄。

2、試驗的注意事項

      在康明斯發(fā)電機組常溫冷態(tài)情況下（非增壓柴油發(fā)電機組不低于5℃，增壓柴油發(fā)電機組不低于10℃），利用柴油發(fā)電機組的啟動(dòng)裝置，按照使用說(shuō)明書(shū)規定的方法，啟動(dòng)柴油發(fā)電機組三次，每?jì)纱沃g的時(shí)間間隔為10min，三次啟動(dòng)中，有一次啟動(dòng)成功即為合格。在試驗過(guò)程中應注意以下幾點(diǎn)：

① 柴油發(fā)電機組使用的燃油、潤滑油均按產(chǎn)品規范的規定；

② 柴油發(fā)電機組在試驗室或自然環(huán)境中進(jìn)行試驗；

③ 具有兩種以上啟動(dòng)方式的內燃發(fā)電柴油發(fā)電機組，每種啟動(dòng)方式應分別進(jìn)行三次，啟動(dòng)成功后即停機，10min后方可進(jìn)行下一次啟動(dòng)；

④ 按柴油發(fā)電機組使用說(shuō)明書(shū)的規定做好啟動(dòng)前的各項準備工作；

⑤ 一人記錄，一人操作柴油發(fā)電機組，啟動(dòng)過(guò)程中不允許做任何調整或更換零件；

⑥ 記錄員下達“開(kāi)始啟動(dòng)"指令后用秒表開(kāi)始計時(shí)，操作人員立即啟動(dòng)柴油發(fā)電機組；

⑦ 啟動(dòng)后柴油發(fā)電機組建立電壓，控制屏指示燈亮，可帶滿(mǎn)載穩定工作，表示啟動(dòng)成功（從下達開(kāi)始啟動(dòng)指令至柴油發(fā)電機組帶滿(mǎn)載工作的全部過(guò)程所用的時(shí)間，即為啟動(dòng)成功時(shí)間）；

⑧ 記錄環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力和啟動(dòng)成功時(shí)間。

柴油發(fā)電機組帶載測試接線(xiàn)圖

柴油發(fā)電機組負載測試系統圖

 

三、低溫啟動(dòng)性能影響與試驗

 

1、柴油機低溫起動(dòng)的影響因素

      柴油機在低溫下快速、可靠地起動(dòng)，需要可靠的起動(dòng)系統。根據起動(dòng)機的短時(shí)工作性質(zhì)，衡量起動(dòng)機性能的參數有電磁功率、輸出功率、輸出轉矩、轉速、感應電動(dòng)勢等。除了起動(dòng)機的自身結構參數外，還需要考慮環(huán)境溫度、柴油機、蓄電池的容量等因素所帶來(lái)的影響。

      低溫對柴油機起動(dòng)性能的影響主要是燃油蒸發(fā)性：

（1）環(huán)境溫度降低，燃油的粘度和密度增大，霧化不良，流動(dòng)性變差、霧化效果差，噴入缸內的燃油過(guò)多，混合氣較濃，缸內燃燒溫度低。由于柴油機起動(dòng)時(shí)轉速不高，進(jìn)氣管內的流速降低，不能形成足夠強度的空氣渦流，造成實(shí)際參與燃燒的柴油過(guò)少。且柴油機轉速低導致噴油壓力低，使油滴尺寸偏大，從而使噴油量貫穿度較大，過(guò)大的貫穿度會(huì )使燃油碰到冷的燃燒室壁，燃燒效果差，起動(dòng)困難。

（2）低溫起動(dòng)時(shí)，柴油機的摩擦非常嚴重，尤其在起動(dòng)后尚未達到平滑運轉的過(guò)程中，摩擦最大。環(huán)境溫度越低，潤滑油粘度越大，柴油機起動(dòng)阻力矩增大；混合氣壓燃困難，最低著(zhù)火轉速將提高；蓄電池能量隨之下降，內阻增加，導致起動(dòng)電壓與電流下降，提供給起動(dòng)機的電壓不足。

      此外，起動(dòng)溫度過(guò)低容易造成潤滑油的運動(dòng)粘度增加，起動(dòng)阻力矩增大；蓄電池的電壓下降，起動(dòng)機的輸出功率降低，柴油機起動(dòng)困難；柴油的不完全燃燒，排放污染物增加，嚴重污染環(huán)境。對低溫環(huán)境下起動(dòng)系統的蓄電池性能、起動(dòng)機動(dòng)力特性、柴油機排放等問(wèn)題，國內外學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究工作，然而，現有文獻中關(guān)于低溫環(huán)境下蓄電池容量與起動(dòng)阻力矩變化規律，以及柴油機、起動(dòng)機、蓄電池三者之間匹配關(guān)系的研究較少。

2、低溫試驗注意事項

      柴油發(fā)電機組應有低溫啟動(dòng)措施。在環(huán)境溫度-40℃（或-25℃）時(shí)，對功率不大于250kw的柴油發(fā)電機組應能在30min內順利啟動(dòng)，并應有在啟動(dòng)后3min內帶規定負載工作的能力；對功率大于250kw的柴油發(fā)電機組，在低溫下的啟動(dòng)時(shí)間及帶載工作時(shí)間按康明斯技術(shù)規范的規定。在試驗過(guò)程中應注意以下幾點(diǎn)：

① 柴油發(fā)電機組使用的燃油、潤滑油均按產(chǎn)品規范的規定；

② 柴油發(fā)電機組在試驗室或自然環(huán)境中進(jìn)行試驗；

③ 具有兩種以上啟動(dòng)方式的內燃發(fā)電柴油發(fā)電機組，每種啟動(dòng)方式應分別進(jìn)行三次，啟動(dòng)成功后即停機，10min后方可進(jìn)行下一次啟動(dòng)；

④ 一人記錄，一人操作柴油發(fā)電機組，啟動(dòng)過(guò)程中不允許做任何調整或更換零件；

⑤ 啟動(dòng)柴油發(fā)電機組時(shí)，采用產(chǎn)品規范規定的低溫啟動(dòng)措施，低溫啟動(dòng)措施的準備時(shí)間應計入啟動(dòng)成功的時(shí)間之內；

⑥ 記錄員下達“開(kāi)始啟動(dòng)”指令后用秒表開(kāi)始計時(shí)，操作人員立即操作低溫啟動(dòng)措施并啟動(dòng)柴油發(fā)電機組；

⑦ 啟動(dòng)后柴油發(fā)電機組建立電壓，控制屏指示燈亮，可帶25％額定負載穩定工作，表示柴油發(fā)電機組啟動(dòng)成功；

⑧ 記錄環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力和啟動(dòng)成功時(shí)間。

3、常溫與低溫下起動(dòng)差異比較

      柴油發(fā)電機低溫起動(dòng)較之常溫起動(dòng)在不使用輔助起動(dòng)裝置的情況下更難實(shí)現，其主要因素有∶

（1）低溫起動(dòng)時(shí)，氣缸內壓縮始點(diǎn)溫度低，向氣缸壁傳熱增多，由于起動(dòng)轉速低而引起漏氣量增加，從而使壓縮終點(diǎn)溫度和壓力下降，不利于混合氣的形成和燃燒。

（2）低溫時(shí)燃油粘度和密度增大，使 流動(dòng)性變差，蒸發(fā)和霧化不良，致使大部分燃油以液態(tài)存在于氣缸內，從而影響混合氣的形成，造成混合氣過(guò)稀。低溫時(shí)，柴油中的蠟質(zhì)易析出，有時(shí)會(huì )造成燃油濾清器和管路的堵塞。

（3）摩擦副中摩擦阻力的大小，主要取決于潤滑油的潤滑作用。潤滑油的粘度隨溫度的降低而大幅增加，0℃時(shí)的運動(dòng)粘度達到100℃時(shí)運動(dòng)粘度的幾千倍。潤滑油粘度大，起動(dòng)阻力就大。

（4）在低溫下蓄電池電解液的粘度和電阻值增大使蓄電池輸出電壓降低，還使起動(dòng)電流減小，造成發(fā)動(dòng)機起動(dòng)乏力。

      不同用途和型號的發(fā)動(dòng)機，其低溫起動(dòng)性能的要求不同，結合啟動(dòng)電機起動(dòng)特性測量數據，測試柴油發(fā)電機拖動(dòng)轉速和啟動(dòng)電機起動(dòng)端電壓即可計算出柴油發(fā)電機初始起動(dòng)力矩和拖動(dòng)阻力矩；結合溫度對柴油發(fā)電機阻力矩的影響，可求得低溫起動(dòng)狀態(tài)下的阻力矩，代入低溫啟動(dòng)電機特性公式可得對應溫度和阻力狀態(tài)下的柴油發(fā)電機轉速，由此簡(jiǎn)化了對柴油發(fā)電機低溫起動(dòng)系統的判定程序，從而節省了低溫標定的測試費用。

 

總結：

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