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新聞主題 |
極寒天氣下的冬季柴油發電機組冷啟動性能 |
摘要：由于柴油機屬于壓燃式點火系統，所以柴油發電機組的啟動需要具備一定的溫度條件。在冬天遇到氣溫偏低的時候，冷卻液溫度可能不足以提供啟動所需的熱能，而當冷卻液溫度過低，發動機將很難缸內著火燃燒。因此，康明斯公司一般對于在北方地區用戶，在柴油發電機組設備出廠前，通常為其裝配一套全自動智能水套電加熱器系統，以便解決在冬季使用柴油機啟動難的隱患問題。
一、冷啟動難的原因
柴油機冷啟動困難是指在低溫環境下，柴油發電機在啟動時出現困難或需要較長時間才能啟動的現象，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，從而影響了柴油發電機的啟動。
1、低溫柴油霧化不良
柴油在低溫下會發生結晶，導致燃油流動性降低，使得燃油供應不足。同時，低溫下柴油的粘度增加，不利于噴射和燃燒，進一步影響了柴油發電機啟動。發動機的燃油流動示意圖如圖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，無法滿足柴油機啟動的要求。
3、渦輪增壓器滯后
柴油發電機的渦輪增壓器在低溫環境下，由于機械摩擦增加，渦輪葉片的轉動阻力增加，使得增壓效果減弱，無法提供足夠的進氣量，影響了啟動。
4、電池電量不足
低溫下，電池的儲電能力會降低，電池電量不足時會導致啟動困難。
5、機油粘度變大
機油粘度變大導致柴油機在啟動時，曲軸轉動所需的轉矩增大，從而轉速變低，直接造成了點火困難。
6、起動轉速低
起動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間長，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 冬季柴油機難啟動現象 |
圖2 柴油機冷啟動燃油流動性差 |
二、冷啟動難的解決方法
柴油發電機通過壓縮點火產生扭矩（活塞會壓縮空氣，升高空氣溫度），因此當燃油噴射到空氣中時，它會點燃并燃燒。在極低的溫度下，壓縮產生的熱量會迅速散發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介紹的低溫下使用柴油發電機組的防范措施。
1、使用低粘度機油
由于低溫機油粘度會增加摩擦力，此外，極低的溫度也會增加柴油機機油的粘度或流動阻力。這會導致柴油機中運轉部件之間的摩擦增大。為了解決這個問題，操作員通常會通過改變其柴油機機油的等級（粘度）來做好在較低環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
過去，特定功率和扭矩與柴油機的排量緊密相關。現在，康明斯公司所設計和開發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力，但其在極寒條件下冷起動的性能尚且無法達到原始設備制造商（OEM，Original Equipment Manufacturer）的目標。
3、采用電噴機型
柴油發電機組的啟動系統主要靠的是起動并達到其運行速度，操作員依靠柴油機的能力在各種條件下起動和重新起動機器，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，康明斯公司開發的新款電噴柴油發電機可在 -20°C（4°F）時迅速起動，并在幾秒鐘內達到目標轉速，同時克服在這種極低溫度下所特有的不良情況。
趨勢總是在各個行業之間相互影響。在柴油發電機組領域中，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困難問題，再輔助以加熱器類附件產品，可以大部分康明斯發電機組在-40°C寒冷條件下進行正常工作。
4、選用十六烷值較高的燃油
低于0℃時運行時，使用的最小十六烷值是45；大于于0℃運行時，使用的最小十六烷值是40。影響燃油性能的兩個主要的要素是：
（1）傾點：傾點是燃油能夠流動時的溫度；
（2）濁點：當燃油出現結蠟的溫度。
因此，應選用低傾點、低濁點燃油。
5、選擇高性能電池
根據冷啟動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，同時還具備以下特點：
（1）鎳鎘電池可重復500次以上的充放電，非常的經濟；
（2）內阻小，可供大電流的放電，當它放電時電壓的變化很小，作為直流電源是一種質量極佳的電池；
（3）因為采用完全密封式，因此不會有電解液漏出的現象，也完全不需要補充電解液；
（4）與其他種類電池相比之下，鎳鎘電池可耐過充電或放過電，操作簡單方便；
（5）長時間的放置下也不會使性能劣化，當十分充完電后即可恢復原來的特性；
（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管理下被制造完成，有非常優良的品質性賴性。
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圖3 柴油發電機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
柴油機的啟動一般是熱啟動，如果長期進行低溫啟動，尤其是在氣候寒冷的季節或地域，會影響柴油機的使用壽命；對于采用液體加熱的柴油發電機，可以通過預先開啟液體加熱器，使柴油機預熱到常溫后，再啟動柴油機；如圖5所示，柴油機預熱時僅打開柴油機第一回水閥1和加熱器進水閥，形成柴油機水套和液體加熱器之間的水路循環。
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境下為發動機冷卻液和潤滑油提供預熱，以保證發動機在寒冷環境中順利啟動和工作。在低溫環境下，冷卻液和潤滑油可能會凝結成固態，失去潤滑或冷卻效果，從而損壞發動機，在這種情況下，水套加熱器就顯得尤為重要。水套加熱器通過電加熱器、電動水泵等組件工作，將冷卻液加熱至適宜溫度，從而避免這種情況發生。
7、加裝燃油加熱器
當環境溫度低于0℃時，柴油的粘度會變得非常高，同時流動性也會受到影響，這時候如果直接啟動柴油發電機，會導致柴油燃燒不完全，從而影響發電機組的正常運行。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電能來加熱加熱器中的加熱元件，通過傳導、對流等方式將熱能傳遞給柴油油路，快速升溫至適宜溫度。其優點如下：
（1）提高燃油溫度。在低溫環境下，燃油粘度較大，流動性差，不利于油路流動，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，使發動機快速進入正常工作狀態。
（2）預熱發動機。在低溫條件下，加熱器有助于發動機快速啟動，減少冷啟動時的磨損，并降低油耗。
（3）改善燃油霧化質量。直接加熱方式能顯著改善燃油的霧化質量，對提高發動機冷起動性能有明顯作用。
（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 柴油發電機水套加熱器系統圖 |
圖6 柴油發電機燃油加熱系統示意圖 |
三、冷啟動試驗與分析
根據上述柴油機低溫起動困難的主要原因：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方面。康明斯公司對同一臺柴油發電機進行低溫起動試驗，在-23.3 ℃情況下用SAE10W機油僅需3.7 kW的起動功率；用SAE20W機油需7.4 kW的起動功率；用SAE30W機油竟需11.8 kW的起動功率。
如圖7所示，起動機和柴油發電機的性能隨溫度變化可定性分析曲線。圖5中的術語代表含義：t—溫度(t?>t?>t?)；M?一起動機的起動轉矩；M?一柴油機阻轉矩；M?與M?交點為該溫度下柴油機所能達到的曲軸轉速。
如圖8所示，柴油機所能起動的低溫極限值曲線。圖6中的術語代表含義：nt一起動機能達到的起動轉速；n?t一柴油機所需起動轉速；nt與n?t交點為該起動機能起動柴油機的最低起動溫度。
（1）綜上所述，單純加大起動機功率來改善柴油發電機的低溫起動性能將很不經濟，故低溫起動的環境下，柴油發電機均會采用多級機油(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氣預熱裝置，一般會采用加注起動液以降低柴油發電機所需的起動轉速。
（3）低溫停車后常會放空冷卻水，起動時重新加注熱水，或者改用冷卻液。目前很多柴油發電機都裝有油底殼加熱裝置，采用該裝置后，在-18℃低溫起動時柴油發電機所需匹配的起動機的功率基本上與0℃時估算功率相等。
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圖7 柴油機性能隨溫度變化曲線圖 |
圖8 柴油機低溫起動極限值曲線圖 |
總結：
基于試驗驗證，本文闡述了解決柴油機冷起動性能的原因和解決方案。分析了不同的低溫啟動困難原因對冷起動的影響，表述了大排量柴油機冷啟動時增大起動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電機組啟動難的措施，幫助用戶早日脫離寒冷天氣下柴發起動“老大難”的問題。
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