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柴油發動機的啟動方式及輔助裝置介紹 |
摘要：柴油發動機根據用途和制造商的不同，其使用的啟動系統也將不同，柴油發動機常見的啟動方式分為人力啟動（手搖式）、電啟動（蓄電池）、氣起動和液壓啟動等起動馬達。其中電啟動方式是柴油發動機最普及的裝置，由于使用方便，維護簡單且工作穩定受到市場的普遍接納。下面由康明斯發電機公司為你介紹柴油發動機啟動系統工作原理、啟動方式和輔助裝置的知識。
一、啟動系統工作原理
發動機由靜止狀態轉為運轉狀態，必須依靠外力助推動曲軸轉動，才能得到初始的進氣、壓縮、燃燒作功等幾個過程，產生動力，使發動機連續不斷地循環運轉。發動機從靜止狀態到開始運轉的全過程，稱為啟動。完成啟動所需的一系列的裝置，稱為發動機的啟動系統，其原理如圖1所示。
發動機啟動時，必須克服汽缸內被壓縮的氣體阻力和發動機本身運動件及附件所產生的各種摩擦阻力和慣性力。克服這些阻力所需的力矩稱為啟動力矩。為保證發動機順利啟動所必需的最低轉速稱為啟動轉速。對于柴油發電機，在0℃以上時，要求啟動轉速為（250～300）轉/分。由于柴油發電機壓縮比大，運動件慣性力大，啟動轉速也較高，因此，它的啟動功率比同功率的汽油機大（3～4）倍。
為了保證發動機在任何溫度條件下都能可靠地啟動，尤其是柴油發電機，通常采用各種便于啟動的預熱裝置，對進入汽缸的空氣或冷卻水套、下曲軸箱（油底殼）進行預熱，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，減小引動時所需扭矩。在柴油發電機上還裝減壓機構便于啟動。以電啟動系統為例，結構如圖2所示。起動機的主要組成如下：
1、直流電動機
用于將蓄電池輸入的電能轉換為驅動發動機轉動的機械動力(電磁轉矩)。
2、傳動機構
用于將電動機的動力(電磁轉矩)傳遞給發動機飛輪，并在發動機起動后自動斷開發動機向起動機的逆向動力傳遞。
3、電磁開關
控制起動機驅動齒輪與發動機飛輪的嚙合與分離以及電動機電路的通斷。
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圖1 起動機工作原理圖 |
圖2 起動機結構圖 |
二、啟動方式
1、人力啟動
（1）手搖式啟動
一般在20KW以下小功率發動機采用人力啟動，這是最簡單的啟動方法，通常用手搖柄或索直接轉動曲軸，使發動機啟動。
（2）機械儲能式啟動
彈簧儲能起動機也稱彈簧馬達，外形如圖3所示。其原理是將人力多次轉動的機械能量，以彈簧作為介質儲存起來，一次性釋放，從而起動發動機，是“黑啟動”或“癱船啟動”的最佳解決方案，彈簧儲能起動機可以有效的妳補電起動的不足，保證發動機在蓄電池虧電狀態下（蓄電池不能帶動電起動機，但可以正常給發動機控制單元供電）仍然可以正常起動。
現有的手搖蝶形彈簧儲能起動機主要由四大機構組成，即盤動機構（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），搖動盤動機構，增加彈簧的儲能，釋放能量時，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，并通過齒輪帶動發動機曲軸轉動，從而達到起動發動機的目的。相對氣馬達及液壓馬達，彈簧儲能起動機是一套集成的完整系統，無需依賴其他外部能源、無需維護保養的備用起動裝置，僅需人力搖動就可以起動50L排量以內的柴油機。適合于柴油機有應急起動要求的場合，如軍用野戰電源、船用應急發電、搶險\救援\應急發電和水泵機組等。
2、電啟動
直流起動機啟動方法廣泛用于各種現代發動機和各種用途的柴油發電機。這種方法是用鉛酸蓄電池作電源，由專用的直流啟動起動機拖動發動機曲軸旋轉，將發動機發動起來，所以也叫“電啟動”，外形如圖4所示。為保證啟動可靠，延長蓄電池的使用壽命，每次啟動通電時間不得超過15s，連續使用不得超過3次，而且各次之間的間隙時間不少于1min。
柴油發電機的啟動起動機功率Nq，其公式為
Nq=（0．02～01）Ne（kW)
式中，Ne—為柴油發電機輸出的有效功率。
啟動用蓄電池電壓為（12～24）V，容量為（100～200）Ah。
電啟動目前柴油發電機中最常見，最普及的起動方式，也因其大量使用而成本相對也較低，通過電路設計可以實現遠程和自動起動功能。整套電起動系統需要：電馬達，電池，控制組件、電纜，充電機等。
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圖3 彈簧儲能起動機示意圖 |
圖4 康明斯電啟動馬達外形圖 |
3、氣啟動
對于功率較大的柴油發電機通常采用壓縮空氣啟動，其方法有兩種：
（1）壓縮空氣起動
壓縮空氣起動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，按照柴油發電機的工作次序送入各個汽缸，直接推動活塞完成自行點火。壓縮空氣起動的起動能量大，啟動迅速可靠，在緊急情況下可用壓縮空氣進行剎車，但該裝置構造復雜，重量較重，故此法一般適用于缸徑≥150mm的柴油發電機。
（2）氣動馬達啟動
氣動馬達也稱為風動馬達，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力源。氣動馬達按結構分類為：葉片式氣動馬達，活塞式氣動馬達，緊湊葉片式氣動馬達，緊湊活塞式氣動馬達。整套氣起動系統組成由氣馬達，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
工程機械用柴油機，通常采用輔助汽油機啟動。啟動時先用人力啟動汽油機再通過傳動裝置帶動柴油發電機啟動。
5、液壓啟動
液壓起動器又叫液壓起動馬達、液壓馬達，是利用液壓能驅動柴油機飛輪齒圈實現柴油機點火起動的馬達稱為液壓起動器，外形如圖6所示。事實上，液壓起動依靠的是一套完整的液壓系統，并不僅僅只是一個液壓馬達。整套系統基本包含油箱，液壓起動馬達，液力發生裝置，過濾器，壓力計，儲能器，控制閥、高壓油管等。價格十分高昂。一般只適合于特殊的應用工況。
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圖5 氣動馬達結構圖 |
圖6 液壓起動馬達結構圖 |
三、柴發啟動的輔助裝置
1、減壓機構
（1）減壓機構的作用
使氣門不受凸輪和氣門彈簧的控制而進行啟動，汽缸內的壓力不會因壓縮而升高，從而減小啟動時汽缸內的壓縮阻力。
（2）減壓機構工作原理
它用凸輪將配氣機構推杵頂起，使進氣門處于開啟狀態。
2、減速機構
在起動機的電樞軸與驅動齒輪之間裝有齒輪減速器的起動機，稱為減速起動機，結構如圖7所示。串激式直流電動機的功率與其轉矩和轉速成正比，可見，當提高電動機轉速的同時降低其轉矩時，可以保持起動機功率不變，故當采用高速、低轉矩的串激式直流電動機作為起動機，在功率相同的情況下，可以使起動機的體積和質量大大減小。但是，起動機的轉矩過低，不能滿足起動發動機的要求。為此，在起動機中采用高速、低轉矩的直流電動機時，在電動機的電樞軸與驅動齒輪之間安裝齒輪減速器，可以在降低電動機轉速的同時提高其轉矩。
3、預熱裝置
眾所周知，柴油發電機是靠高溫高壓使柴油自燃，因此，柴油發電機啟動時，汽缸內溫度的高低，對啟動柴油發電機影響很大，尤其環境溫度低的情況下，影響更大，所以用直流起動機啟動的柴油發電機，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。
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圖7 啟動馬達的二級減速機構 |
圖8 水套加熱器外形尺寸圖 |
四、啟動系統改造措施
發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）能滿足柴油發電機組啟動要求，在蓄電池充滿電后每組蓄電池能保證連續啟動3次，兩組共保證6次。2組蓄電池處于一主一備狀態，具有自動切換功能。兩套啟動系統的切換邏輯是通過兩組啟動蓄電池的電壓低信號進行切換，一主一備，啟動過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，但只要主用蓄電池的端電壓恢復至23.2V，則斷開備用蓄電池，還是通過主用蓄電池來啟動，當然，所有的這些切換時間，均應在柴油發電機組的一個啟機時間間隔（5S）之內。這些邏輯都是通過電控柜的繼電器來實現的。
1、啟動成功率低及原因分析
（1）柴油機啟機系統自動切換邏輯的因素。
在應急柴油發電機組啟動過程中，兩套啟機系統之間頻繁自動切換，難以給機組提供持續的啟動力矩，造成柴油發電機組啟機能力不強，尤其是大修解體之后，首次啟動成功率較低。
（2）柴油機啟機系統充電裝置的因素。
由于某些用戶充電裝置的產品型號陳舊，性能不穩，特別是出現過柴油發電機組啟動蓄電池失效后檢查發現非工作狀態下初始電壓即低于24V的情況，分析認為存在充電器無法將蓄電池充足的問題。
（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電機組啟動試驗中，應急柴油發電機組在一個啟動信號周期（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。即應急柴油發電機組啟動后，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柴油發電機組1次啟動而采集的數據，而實際上蓄電池的供電是為3次正常啟動而設計的，由此就工程實踐中負荷的要求來看目前的蓄電池容量有必要進行擴容。蓄電池容量需要進行擴容的另一個原因是其工作的環境因素即溫度因素。在電池溫度降低的情況下，特別是在溫度低于10℃時，其放電容量會有大幅降低。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重要因素。
2、啟動成功率低的改進方案
（1）改進啟機系統的切換邏輯。
為了驗證是否可以通過一套發電機組啟機系統就能成功完成發電機組系統的成功啟動，在通過短接觸點的方式閉鎖兩套啟機系統自動切換以實現僅通過一套啟機系統來完成啟動。通過蓄電池電壓波形來確認兩組電池沒有進行切換。僅用一套啟機系統進行啟動的試驗結果表明：在試驗過程中，僅有一套啟機系統在工作，即可一次成功啟動。即可考慮修改兩套啟機系統之間的自動切換邏輯，以減少2套LLS系統啟機系統的切換頻度，為LLS柴油機系統提供了持續可靠的啟動力矩，并保護啟動電機免受沖擊。
（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行啟動的試驗可知，單套啟機系統就能完成應急柴油發電機組的正常啟動。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），啟動蓄電池在柴油發電機組啟動時電壓低于20.4V有可能影響柴油機啟動性能，結合《電力工程直流系統設計技術規程》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：專供動力負荷的直流系統，應不低于直流系統標稱電壓的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：
通過對啟動系統一次成功率低進而導致發電機組系統可靠性低的原因分析，提出了3大類改進方案：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環節）、充電裝置換型和蓄電池擴容。以上三種改進方案可以相互獨立，均可以在一定程度上提高應急柴油發電機組啟動成功率，基于經濟性和技術可行性的考慮，優選修改切換邏輯（增加電壓低切換的延時環節）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。對于出現類似發電機組一次啟動成功率低的電廠，在無條件或短期無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”，以此提高發電機組啟動的可靠性。
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