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操作使用與維護保養 |
柴油發電機啟動條件和對蓄電池的要求 |
摘要：柴油發電機、起動機與蓄電池三者關系是柴油機決定所需起動機功率，起動機功率決定所需蓄電池容量。故進行起動機設計之前，對三者進行相應的匹配分析估算，比較合理地確定柴油機需配起動機的性能參數，有利于更好地為柴油機服務，有利于提高起動系統工作的可靠性、耐久性、經濟性。起動機工作的環境溫度按標準為-30~105 ℃，但由于高溫時起動困難，屬于不正常的情況，不予考慮范圍內。康明斯公司建議按-18 ℃低溫情況進行柴油機所需配套起動機的功率估算，這樣既符合絕大多數柴油機處于較惡劣環境下的工況，基本上能滿足柴油機對起動機的性能要求，又有利于起動系統的經濟性。對低于-18 ℃的低溫起動，宜由柴油發電機生產廠家針對性研究進行功率匹配。
一、柴發的啟動條件
使柴油發電機從靜止狀態過渡到工作狀態的全過程，叫柴油發電機的起動，完成起動所需要的裝置叫啟動系統，柴油機與啟動系統之間關系如圖1所示。啟動系統電路如圖2所示，其原理是起動時接通起動開關，起動電機電路通電，繼電器的吸引線圈和保持線圈通電，產生很強的磁力，吸引鐵芯左移，并帶動驅動杠桿繞其銷軸轉動，使齒輪移出與飛輪齒圈嚙合。與此同時，由于吸引線圈的電流通過電動機的繞組，電樞開始轉動，齒輪在旋轉中移出，減小沖擊。如果齒輪與飛輪齒端相對，不能馬上嚙合此時彈簧壓縮，當齒輪轉過一個角度后，齒輪與飛輪迅速嚙合。當鐵芯移動到使短路開關閉合的位置時，短路線路接通，吸引線圈被短路，失去作用，保持線圈所產生的磁力足以維持鐵芯處于開關吸合的位置。
柴油發電機的設計是在-15℃環境溫度時，不依靠低溫起動裝置能夠順利起動，因此需要起動機提供125 r/min 以上的拖動轉速。起動機電壓如為24V，柴油機起動條件如下：
（1）起動轉矩
能夠使曲轉旋轉的最低轉矩稱為起動轉矩，起動轉矩必須克服壓縮阻力和內磨擦阻力矩。起動阻力矩與柴油發電機壓縮比、溫度、機油粘度等有關。
（2）起動轉速
能使柴油發電機起動的曲軸最低轉速稱為起動轉速，在0~20℃時，柴油機的起動轉速為150~300r/min。
（3）起動輔助裝置
柴油發電機在嚴寒冬季起動困難，這是由于機油粘度增高，起動阻力矩增大，蓄電池工作能力降低，以及燃油氣化性能變壞的緣故。為使之便于起動，在冬季應設法將進氣、潤滑油和冷卻水預熱。柴油機冬季起動困難尤大。柴油機為了能在低溫下迅速可靠的起動，常采用一些用以改善燃料著火條件和降低起動轉矩的起動輔助裝置。如電熱塞、進氣預熱器、起動液噴射裝置以及減壓裝置等。
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圖1 柴油機起動機與蓄電池關系圖 |
圖2 柴油機啟動系統電路圖 |
二、柴發對啟動系統的要求
起動機是柴油發電機電啟動的必備裝置，起動機主要包括電動機、電磁開關、離合器以及減速機構，結構剖面圖如圖3所示。電動機引入來自蓄電池的電流并且使起動機的驅動齒輪產生機械運動；傳動機構將驅動齒輪嚙合入飛輪齒圈，同時能夠在發動機起動后自動脫開；啟動機電路的通斷則由一個電磁開關來控制。其中，電動機是起動機內部的主要部件，電動機包括必要的電樞、換向器、磁極、電刷、軸承和外殼等部件。
1、起動機額定功率對蓄電池的要求
當柴油發電機在-15℃以下的北方地區和在2000 m 海拔以上的高原地區使用時，應采用高容量蓄電池和低溫蓄電池，以補償起動電流因溫度下降而造成的損失。
表1 起動機功率和蓄電池容量之間的匹配參數
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起動機功率kW
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一般地區使用
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北方和高原地區使用
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蓄電池容量
AH
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冷啟動電流
AH
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蓄電池容量
AH
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冷啟動電流
AH
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3.7
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≥100
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300
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≥120
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400
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3.7
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≥120
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360
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≥150
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450
|
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4.8
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||||
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5.5
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≥135
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405
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≥165
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495
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6.6
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≥150
|
450
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≥180
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540
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8
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≥180
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500
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≥195
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600
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2 、電池連接線的要求
蓄電池和起動機之間的電纜連接如圖4所示。起動機回路允許的最大電阻為0.004 Ω，因此，正確選用電線的截面積很重要，而且要使電線布置得最短，如果電線過長，選用的截面積要相應加大，因為電路電阻過大，會造成電壓降加大，會發生起動機的齒輪嚙合不良，或者起動轉速過低，使低溫起動性能惡化。根據起動機的額定功率，推薦電線的截面積見下表2。
表2 起動機和蓄電池之間連接電纜的匹配參數
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起動機額定功率（kW）
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≤4.5
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≤6.0
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≤7.0
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≤9.0
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起動機電源線截面積（mm2）
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50~60
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60~85
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85~100
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100~150
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嚙合開關線截面積（mm2）
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≥8
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≥8
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≥8
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≥8
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5、蓄電池要求
蓄電池的容量用20小時率額定容量C20（A·h）表示，它是在-18℃±1℃環境中，以規定的冷卻起動電流If=3·C20（A）放電60 s，蓄電池中單體蓄電池的平均電壓不得低于1.4 V。
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圖3 柴油機啟動馬達結構和電路示意圖 |
圖4 柴油機啟動馬達和蓄電池接線圖 |
三、起動機功率與蓄電池容量的確定
1、起動機功率的選擇
起動機的功率P（kW）應根據柴油機起動所需功率選取，它取決于柴油機的起動阻力矩MQ（N·m）和最低起動轉速nQ（r/min），并可由式1計算：
P≥MQnQ/9550..........................（公式1）
（1）起動阻力矩
柴油機的起動阻力矩是指在最低起動轉速時的柴油機阻力矩，主要包括氣缸氣體壓縮阻力矩、運動件的摩擦阻力矩和慣性力矩。
M=C?V..........................（公式2）
式中，M——溫度為0℃時柴油機的阻力矩；
V——柴油機的工作容積（L）；
C?——系數，不同柴油機的系數。
（2）最低起動轉速
柴油機的最低起動轉速是指起動時能保證進入氣缸內的混合氣在壓縮終了時具有一定的溫度和良好的霧化，能使柴油機可靠點火發動所需的最低轉速。柴油發電機的最低起動轉速為100～200r/min。
溫度為0℃時柴油機起動所需功率可由經驗公式3推算：
P=（0.74～1.1）V..........................（公式3）
2、傳動比選擇
起動機與柴油機的傳動比一般在如下范圍內選擇：柴油發電機為8～10。
3、蓄電池容量的選擇
起動機的功率確定以后，可以按經驗公式4確定蓄電池的容量：
c=（610~810）（P/U）..........................（公式4）
式中，U——起動機額定電壓（V）;
P——起動機額定功率（kW）;
C——蓄電池額定容量（A·h）。
對于大功率起動機（7.0～10kW），蓄電池的容量可以選擇比計算值小一些。
四、啟動系統的使用與注意事項
免維護蓄電池是柴油發電機啟動工作的電源裝置，其性能直接影響柴油發電機正常啟動工作，并且應根據啟動特性選擇適合容量的起動電池。市場通常基于經驗，這將導致容量過高，或者無法啟動太小的能力。康明斯柴油發電機組所用的啟動電池，可以根據CCA來匹配啟動馬達，合理且最大化的利用電池容量。匹配公式如下：
CCA =（啟動馬達÷起動電壓）×2.5..........................（公式5）
（1）匹配電池前要確認電池安裝位置，接線應盡可能靠近起動馬達，以縮短電池和馬達之間電纜線連接線的長度，同時防止啟動時的連接線壓降，并且電線用于35平方毫米低壓電纜線線。當馬達啟動電流大時，電壓12V和24V啟動馬達，電纜線的電壓降0.5V—1V之間。
（2）蓄電池是柴油發電機出廠的配套包裝，就是蓄電池是新的狀態時，或者防止了一段時間以后。電池的容量不一定是滿荷電狀態時，必須按照電池廠家使用規定。對電池進行充電，確保電池是滿荷電狀態。在柴油發電機組的操作正常工作過程中，通常應該用于觀察充電電流的值是否合適。當表指示值接近“0”時，或者當充電器綠燈打開時，柴油發電機電池已至滿荷電狀態，可以斷開充電電源。
（3）柴油機啟動馬達普通結構如圖5所示。為了避免起動后未及時放松開關和誤接通起動開關，現代柴油發電機通常會配置帶保護功能的啟動馬達，如圖6所示。
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圖5 柴油發電機啟動馬達結構示意圖（普通型） |
圖6 柴油發電機啟動馬達結構示意圖（帶保護裝置） |
總結：
綜上所述，起動柴油機時，蓄電池必須能在短時間（5～10s）內向起動機連續提供強大的起動電流。柴油機一般需要500～1000A，甚至更大。因此，對發電用蓄電池的基本要求是容量大、內阻小，以保證蓄電池具有足夠的起動能力。一般而言，康明斯公司出廠柴油發電機組配置的啟動電瓶為鉛酸蓄電池，其突出特點是內阻小、起動性能好、電壓穩定，此外還有成本低、原料豐富等優點，所以在柴油發電機組上廣泛應用。
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