新聞主題	高原低溫對柴油發電機的影響

 

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

 

一、高原環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，對柴油發動機在高原工作的相關問題研究較少，美國最高峰惠特尼山4418m，俄羅斯最高峰厄爾布魯士峰5600m，自然他們就不會研制為高原作戰而專門設計的裝備。我國高原面積遼闊，工程建設和交通運輸車輛經常變海拔工作，所以科研工作者圍繞著發動機的高原適應問題進行了大量的研究。由于外界氣壓、氣溫和沙塵等條件的影響，導致存在以下幾個問題：

1、低氣溫對柴油機的影響

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

（1）啟動性能的影響

      環境溫度是影響冷起動性能的主要原因之一。較低的環境溫度直接對缸內壓縮溫度壓力產生不利影響。環境溫度過低還將造成燃油噴霧過程惡化。研究表明，冷起動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。低溫燃燒曲線如圖1所示。

（2）噴油正時的影響

      噴油正時是影響冷起動過程缸內混合氣形成及著火性能的重要因素。在冷起動過程中，發動機轉速較低，雖然缸內壓縮壓力和溫度較低造成滯燃期變長，但相同噴油持續時間所需要曲軸轉角則變小，這時，適當推遲噴油，有利于燃油的霧化蒸發，使得冷起動性能提高。若過早噴油時，缸內的壓力溫度很低，導致滯燃期較長，且使得燃油噴射貫穿距離變長，將導致嚴重的燃油附壁現象。而當噴油時刻靠后，則使得滯燃期延伸到膨脹行程中，這時活塞下行，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，使得著火時刻落在膨脹行程中遠離上止點的位置，造成燃燒著火性能變差。若噴油時刻過于靠后，甚至會導致混合氣在膨脹行程中的焰前反應中止，無法著火燃燒，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

      燃料特性對冷起動過程的影響主要是由十六烷值和揮發性決定的。燃料的揮發性較好時，有利于缸內可燃混合氣的形成，提高發動機的著火燃燒性能。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，其對滯燃期的影響很小；而當十六烷值降到50以下時，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，促進油滴蒸發；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性能，但實際壓縮比的選擇時必須綜合考慮發動機的經濟性、排放及強度。目前，在高增壓大功率柴油機中，為了限制發動機的最高爆壓，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際壓縮比產生一定的影響，且由于附壁燃油的蒸發，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缸內混合氣的著火。，在冷起動過程中，前一不著火或著火性能較差循環中滯留燃油的蒸發，將對下一循環的燃空比產生一定的影響，從而影響該循環缸內混合氣的著火燃燒性能。

 

圖1 柴油機低溫燃燒曲線圖

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，過量空氣系數降低，燃燒過程緩慢，熱效率利用較低，導致柴油機排放量增加，動力性能下降。

      另外“開鍋”現象也是我們要注意的，一般柴油發動機冷卻水的溫度是在90℃左右，但隨著海拔的升高，氣壓逐漸降低，冷卻液的沸點也在逐漸降低，所以低氣壓的情況下極容易出現“開鍋”，導致柴油機機體過熱，燃燒異常，摩擦磨損加劇，進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，蒸發量大，此時空氣中塵土含量可達15g/m³，空氣中灰塵較多，大量的顆粒就會在濾清器外表面上堆積，引起進氣壓力降低，充氣量嚴重不足，造成發動機功率下降。長時間在此環境中工作會使沙塵進入到發動機內部，使發動機各機件磨損加劇，縮短使用壽命。另外，高原的強紫外線也會加速機組表面橡膠、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。隨著負荷增加，柴油機過量空氣系數降低，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。隨著海拔升高，過量空氣系數下降，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

1800轉速下柴油機特性變化曲線

 

二、高原常見故障現象及處理方式

 

      與普通平原對比，高原低溫地區的環境比較特殊，實際柴油發電機在工作時，會消耗更多的燃油，進而產生大量熱負荷，最終對發電機的參數和功率產生影響。為此，相關使用人員需要根據柴油發電機所處環境，對其常見故障問題進行考慮，并制定有效的管理措施，避免為企業帶來更大的經濟損失，維護高原低溫地區柴油發電機始終處于正常運行狀態。

      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境因素影響較大，經常出現故障現象，如啟動點火困難、渦輪增壓器冒煙等等，從而為整個發電機使用后續運行帶來極大威脅。

1、功率不足

      由于高原地區的氣壓低，空氣稀薄，含氧分量少，環境溫度低，特別對自然進氣的柴油機，因進氣量不足而燃燒務件變差，使柴油機不能發出原規定的標定功率（曲線如圖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%，因此在高原長期使用時應根據當地的海拔高度，適當減小供油量（曲線如圖6所示）。考慮到在高原條件下著火廷遲的傾向，為了提高柴油機的運行經濟性，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，動力性下降，排氣溫度上升，因此用戶在選用柴油機時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圖

圖6  高海拔全負荷工況下柴油機燃油消耗量曲線圖

 

2、啟動前預熱不足

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

3、啟動運行冒煙

      高原環境下的空氣稀薄，含氧量較低，發電機在冷啟動時容易出現冒黑煙現象，排氣管還會出現水滴現象。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導致的。黑煙時柴油不完全燃燒的寫照，如果柴油機負荷較大，會增加整個燃燒室溫度，再加上噴入的燃料較多，混合氣體無法充分燃燒，最終聚合成黑煙。該類故障的解決，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，保證發電機內部的進氣壓力和含氧量。除此之外，使用人員還要對缸體氣密性進行檢查，避免由于漏氣問題出現燃燒室壓力不足現象。

4、排氣管振動斷裂

      自柴油發電機組投入應用后，往往會安裝在一個狹小空間內，通風狀態不佳。另外，在發動機底座設計時，還要加裝緩沖膠點，在散熱器封口處，還要設計無遮擋物體。若沒有滿足上述條件，應進行改進。首先，高原地區空氣稀薄，通風條件不佳，導致排氣回路出現嚴重發熱現象。其次，發電機底座沒有設置緩沖膠墊，發電機在運行時抖動嚴重。為此，在實際排氣回路設計時，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題。

5、散熱不足

      由于海撥的升高，水的沸點降低，同時冷卻空氣的風壓和冷卻空氣質量減少，以及每千瓦在單位時間內散熱量的增加，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式玲卻循環，可采用加壓的閉式冷卻系統以提高高原使用時冷卻液的沸點，閉式循環冷卻系統結構如圖8所示。

 

圖7  高原柴油機最高燃燒壓力曲線圖

圖8  柴油發電機閉式冷卻系統

 

 

三、采用的改善措施及效果

 

     改善柴油機的冷起動性能除了對柴油機自身進行優化設計外，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輔助措施輔助柴油機在低溫環境條件下順利起動。低溫起動輔助裝置主要有兩類：應急起動輔助裝置和升溫起動輔助裝置：低溫起動輔助預熱裝置主要有進氣預熱裝置、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降低電解質黏度，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應該比環境溫度低5℃左右為宜，一般規定在10月份氣溫降低時加注-10#柴油，根據氣溫下降幅度和時間逐步延伸到-20#和-35#柴油。

3、選擇低溫潤滑油

      使用5W/40四季通用機油，環境溫度范圍-15℃～30℃，基本能滿足要求，低溫下機油粘度增加不明顯。另外在進入冬季前提前對發電機組的防凍液冰點進行檢測，冰點在-35℃以上的進行更換。

4、安裝預熱裝置

      主要是通過預熱裝置在發動機冷態啟動前對吸入的空氣進行加熱，提高柴油機的起動性，即使在起動后，依據當時的冷卻液溫度，對空氣繼續加熱一段時間，同時還可以減少柴油機爆震和冒白煙。

 

四、預熱方式優缺點

 

      一般來說，柴油發電機可通過加熱燃油和預熱氣缸的方式，可以提高柴油機的起動性能和燃燒效率，減少磨損和排放污染物的產生。加熱過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劣性對比

 

1、 利用冷卻液預熱柴油

      在一臺柴油發電機上安裝兩個柴油箱，一個油箱盛裝0#柴油，另外一個根據溫度盛裝負號柴油。低溫啟動時首先接通負號柴油的箱內的負號柴油來啟動柴油機。在發電機組正常運行后通過柴油機的冷卻液循環給0#柴油箱加熱，達到一定的溫度后切換燃油供給系統開關，開啟0#柴油箱，使用0#柴油正常工作。

（1）優點：

      改動量小，但需要在0#柴油箱內安裝盤管循環冷卻液來加熱柴油。

（2）缺點：

① 需要將燃油供給系切換到負號柴油箱并運轉一段時間，以便管路內充滿負號柴油，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，因疏忽忘記切換時可能導致下次無法起動。

② 在遇到發電機組突發故障被動長時間停機時可能堵塞管路。

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

2、 安裝液體燃油加熱器

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

（1）優點：

① 可以與發動機及強制散熱器等輔助散熱裝置組成循環系統，也可以單獨與散熱器、除霜器等組成循環系統。

② 可以通過冷卻液同時加熱柴油箱和發動機達到工作溫度，且溫度可控。

③ 允許發電機組油箱加注低于當前環境溫度推薦標號的柴油。

（2）缺點：

① 對發電機組的管路改動較大。

② 該加熱器需要獨立的且加注符合環境溫度推薦標號的柴油。

③ 預熱時間需要10～15分鐘。

3、直接電熱塞或加熱管加熱

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

（1）優點：

      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：

① 發熱絲與柴油直接接觸，可能存在很大的風險，易導致油管老化，使用壽命短，耗電量大。

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

③ 由于柴油濾芯無法通過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題。

 

圖9  柴油機冷卻系統加熱過程示意圖

圖10  柴油發電機加熱器組成

 

總結：

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

 

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