新聞主題	柴油發電機組冷啟動影響因素與加熱裝置特點

 

摘要：柴油發電機啟動是否順利是柴油發電機重要性能指標之一，而冷啟動時想要啟動順利，并且要求污染小、油耗低、轉速穩定，這對將柴油發電機電子控制提出了更高的要求。康明斯公司在本文針對影響電噴型發電機組冷啟動性能的因素進行分析，影響因素包括進氣量、噴油時刻與時間、混合氣的形成、點火正時、配氣相位等，各個因素之間又都有相互聯系，在進行性能優化時必須充分考慮其他因素的影響，要通過深入的研究和試驗，對柴油發電機冷啟動時控制參數進行合理匹配，實現電噴型康明斯發電機組在低污染、低油耗下保證低溫冷啟動成功。


一、柴發冷啟動的影響因素

1、 點火提前角的影響

      在柴油發電機做功過程中，最高燃燒壓力出現在上止點后12°-15°時，做功能力最強，柴油發電機輸出功率最大，從點火到最高燃燒壓力點，得有一定的過程，這就需要點火時刻在壓縮行程上止點之前某個時刻，即以曲軸轉角表示的點火提前角。

      點火提前角的大小對柴油發電機性能的影響很大，點火提前角過小，則燃燒延長至膨脹過程，燃燒最高壓力和溫度下降，傳熱損失增多，排氣溫度升高，熱效率降低，功率降低；點火提前角過大，容易導致爆震，并且活塞還未到達上止點，氣缸內可燃混合氣的燃燒壓力已很大，與活塞的運動方向相反，作用在活塞頂部，產生較大的負功，使有效功率降低。啟動過程中點火提前角的選取極為關鍵，點火提前角過大過小都會導致動力不足，不足以克服柴油發電機阻力矩，使得柴油發電機難以啟動。有實驗數據表明，以康明斯柴油發電機為例，初始點火提前角為7°和-3°時，在啟動過程中轉速都出現跌至50 r/min以下的情況，最多上沖到500 r/min左右，柴油發電機難以啟動成功；初始點火提前角為3°時，能順利啟動柴油發電機。

      因此，對于某一特定型號的柴油發電機，確定啟動時的最佳點火提前角，以后隨柴油發電機各種參數的變化而變化。影響最佳點火提前角的因素較多，如轉速、負荷、大氣壓力、溫度、燃料辛烷值、空燃比、殘余廢氣系數、廢氣再循環等。

2、混合氣濃度的影響

（1）混合氣濃度不當

      柴油發電機不但難以啟動，還造成排放污染物增多。混合氣燃燒與啟動、功率、溫度之間的關系曲線如圖1所示。

① 混合氣濃度過稀，缸內燃燒會很不完全，容易熄火，只有部分燃料參與燃燒，因而產生大量的HC排放。

② 混合氣過濃，缺少助燃的空氣，也會使得缸內燃燒不完全，燃燒速度降低，導致HC排放明顯增加，同時CO增多。特別是首循環燃燒對于柴油發電機冷啟動整體排放相當重要，如果首循環失火將產生大量的HC，并影響后續燃燒的穩定性。首循環燃燒的缸壓較高，燃燒穩定，HC的排放就低，而首循環混合氣濃度過濃或者過低時，瞬態HC排放會急劇增加。所以，柴油發電機啟動首循環的控制必須首先確保混合氣濃度。

（2）防止缸內產生失火

① 柴油發電機首循環噴入的燃料，有大部分殘留在進氣道內，由于柴油發電機溫度較低，最初幾個循環中柴油液體不能充分蒸發，有一部分液體流進氣缸內，凝結在氣缸壁上，濕壁現象嚴重；

② 冷啟動時缸壁溫度較低，水蒸氣易發生凝結，火花塞吸附液態燃料或水的可能較大，失火發生的概率增加；

③ 液體燃料只有部分蒸發，實際進入氣缸的燃料不多，火焰傳播時容易熄火。燃油沉積在氣道壁面上，而進氣道絕對壓力隨柴油發電機轉速的變化相應劇烈變化，但轉速的變化不可能與噴油量、燃料蒸發速度的變化恰到好處，難免會出現混合氣過濃或者過稀，這些都造成柴油發電機啟動困難和HC排放增多。

      為了保證冷啟動可靠，最初幾個循環要提供非常濃的混合氣，但濃的混合氣導致HC排放大大增多，所以冷啟動工況，在保證可靠點火的前提下，必須控制最初幾個循環的混合氣濃度，來降低HC的排放。影響混合氣濃度的因素有啟動時的進氣量、噴油時間和時刻等。

3、溫度的影響

（1）大氣溫度、冷卻液溫度低，燃油的霧化質量較差，需提供較大的循環供油量，使得混合氣加濃，冷卻液溫度越低，混合氣越濃；

（2）缸壁的激冷效應會造成火焰淬熄現象，部分混合氣未燃或者不完全燃燒，導致HC和CO的排放量較大。隨著冷卻液溫度和燃燒室壁面溫度的逐漸升高，激冷層厚度不斷減少，循環供油量也在逐漸減少，混合氣濃度不斷降低。電控柴油發電機控制根據啟動時冷卻液溫度確定基本循環供油量，與進氣量合理匹配，形成合適的混合氣濃度，順利啟動柴油發電機。由于供油量較大，為了避免火花塞“淹死”，有的柴油發電機控制系統要求電磁噴油器在柴油發電機每一轉中分多次進行噴射。如康明斯柴油發電機在冷啟動時，與冷卻液溫度有關的噴油量以曲軸噴3次/圈的方式噴入，共噴5圈。在噴完5圈后，噴油量變小至一個與轉速有關的噴油量。

（3）合適的噴射時刻，會降低燃油濕壁現象的影響。

4、燃料蒸發特性和霧化效果的影響

      改善燃油的揮發性對降低冷啟動過程HC排放有利，據報道，有研究者設計了部分氧化系統，將液體燃料轉化為氣態燃料，還有進氣道空氣輔助噴射，如此在冷啟動階段就可少提供一些燃油，降低HC排放。改善燃料的霧化效果，減少燃油粒徑，盡量減少燃油在進氣道和燃燒室壁面的沉積，也有利于降低HC排放。國內外許多研究者作了積極的探索，如使用渦旋型噴油器，并在噴油器內部安裝加熱裝置。燃料蒸發和霧化變好，有利于形成合適的混合氣濃度，即便于啟動，又降低HC的排放。

5、配氣相位的影響

      配氣相位直接影響進入氣缸的混合氣質量及混合氣形成和燃燒特性，相位演示圖如圖2所示。在啟動階段，轉速低，進入氣缸的空氣流速慢，因此對混合氣的擾流強度小，惡化了燃油混合的均勻性及蒸發和霧化質量，在啟動過程氣門重疊角期間，進氣管和缸內真空度很高有可能會使廢氣倒流，前一個循環殘余廢氣對工質進行稀釋，混合氣的質量變差，影響火焰前鋒的發展，導致下一個循環燃燒惡化，不利于冷啟動過程燃燒的穩定性。不佳的氣門重疊角還會使未燃的混合氣由排氣門短路逃逸，造成HC排放量劇增，啟動困難。因此，確定啟動時的配氣相位至關重要。

      通過分析研究，柴油發電機冷啟動時需要控制的內容包括進氣量、噴油時刻與時間、混合氣的形成、點火正時、配氣相位等。各個因素之間都有相互聯系，在進行性能優化時都必須考慮其他因素的影響，要通過深入研究和試驗，對柴油發電機冷啟動時控制參數進行合理匹配，使柴油發電機啟動順利，并且污染小，油耗低，轉速穩定，則對柴油發電機電子控制提出了更高的要求，很好地規劃一個全方位的控制策略，確定柴油發電機冷啟動時的控制方法，最終實現冷啟動時各參數的精確控制，在低污染、低油耗下保證低溫冷啟動成功。

 

圖1  柴油機空燃比曲線圖

圖2  柴油機配氣相位示意圖

 

二、柴發冷啟動裝置

 

      如果用戶有高寄生負載、極端的寒冷環境、特別的柴油發電機負載要求或配置問題等特殊應用，請在購買以前咨詢康明斯發電機組供應商。

1、乙醚啟動裝置系統

      乙醚電磁閥控制是被用于驅動輸送乙醚到進氣歧管的繼電器和/或電磁閥。當有使用啟動裝置的指令時，ECU控制乙醚電磁閥的控制輸出。康明斯提供與每個柴油發電機獨特冷啟動策略相符合的可選乙醚啟動系統。請參見工業柴油發電機零部件價格清單。如果使用第三方的乙醚噴射系統，康明斯柴油發電機的質保無效。

      如果冷卻液溫度傳感器和進氣溫度傳感器存在故障。ECU不激活乙醚噴射系統。如果冷卻液溫度傳感器或進氣溫度傳感器其中一個有故障，那么正常的傳感器將使用在乙醚控制策略中。如果冷卻液溫度傳感器和進氣溫度傳感器都是有效的，那么冷的溫度將被使用。如果兩個傳感器都是有效，那么進氣加熱器的使用將不會影響乙醚控制策略。

      乙醚控制策略是以溫度和海拔為基礎建立在乙醚噴射期間的。如果溫度在臨界值以下{在海平面0℃(32℉)},并試圖使柴油發電機啟動，乙醚電磁閥控制將“激活“，直到柴油發電機轉速達到少于低怠速的50RPM。如果柴油發電機已啟動或防止燃料注射重復情況，乙醚電磁閥控制將“禁止”。

      當柴油發電機的轉速大于零時乙醚才開始噴射，柴油發電機盤車以前乙醚將不會噴射。用戶不能對溫度的臨界值進行可編程。

表1    乙醚啟動裝置系統安裝零件

 

2、進氣口加熱器

（1）進氣口加熱器操作

      進氣加熱（IAH）被用來改善柴油發電機的冷啟動。ECU通過進氣加熱器繼電器來控制IAH。加熱器和繼電器是安裝在康明斯的柴油發電機上，安裝示例如圖3所示，電路連接如圖4所示。進氣加熱器和乙醚啟動裝置能安裝在同一個柴油發電機上。ECU啟動裝置策略控制設備的優先級，以便這些裝置不能在同一時間操作。

      進氣加熱器運行在5個不同的階段分為功率上升，預先加熱，柴油發電機搖車，柴油發電機運行和后加熱。進氣加熱器運行在各個階段的調變點溫度取決于冷卻液溫度和進氣溫度合計。以下是在正常啟動的5個階段進氣加熱器的操作概述：

① 功率上升周期：

      加熱器和等待啟動燈將打開，如果溫度不能滿足預加熱條件，那么2秒鐘后燈會關閉。上升周期本來主要是元件檢查階段，將不會理會溫度或柴油發電機轉速如何。

② 預加熱周期：

      如果冷卻液溫度和進氣歧管空氣溫度合計低于64℃(147℉),在預加熱周期ECU將轉化到進氣空氣加熱器繼電器輸出，并且等待啟動燈開啟30秒以上。如果預加熱結束以前就試圖啟動柴油發電機，在柴油發電機盤車啟動期間ECU將繼續控制加熱器。當柴油發電機檢測到轉速時等待啟動燈將關閉。如果柴油發電機轉速仍然是0RPM,不管溫度如何，最多30秒鐘后加熱器和燈都將關閉。

③ 柴油發電機盤車周期：

      當在盤車期間，如果冷卻液溫度和進氣歧管溫度合計少于147℉或64℃，加熱器將開啟。如果柴油發電機啟動失敗，預加熱周期將重啟。

④ 柴油發電機運行周期：

      柴油發電機獲得較低的怠速后，通過進氣歧管空氣溫度和冷卻液溫度的組合來決定IAH是否運行。如果溫度條件滿足，加熱器可能開啟最多7分鐘。任何時候進氣歧管空氣溫度和冷卻液溫度合計超過147℉或64℃，進氣管加熱器將關閉。如果柴油發電機熄火或停止，預加熱周期會重啟。

⑤ 后加熱周期：

      如果柴油發電機處于運行周期7分鐘后，冷卻液溫度和空氣溫度是低于147℉或64℃。那么加熱器會循環在開啟和停止之間再運行13分鐘，此時該周期會10秒鐘開啟和10秒鐘關閉。

      如果冷卻液溫度傳感器和進氣歧管空氣溫度傳感器存在故障，ECU將不會激活空氣進氣加熱器。如果冷卻液溫度傳感器存在活動代碼，并且進氣歧管空氣溫度低于10℃(50℉)，那么加熱器將被激活。如果進氣歧管溫度傳感器存在活動代碼，并且冷卻液溫度低于40℃(104℉)，那么加熱器將被激活。

（2）進氣加熱器安裝

      客戶負責連接進氣加熱器繼電器則連接頭到蓄電池電壓，康明斯推薦在這一線路上使用130 安培的電路保護，且有連續100安培的電流負載能力。進氣加熱器繼電器最長開啟時間為7分鐘，最低需要導線的規格為4AWG 。儲電池電源線必須固定，并且不要附著在燃油管線上。使用9.0±1.0N.m的扭矩緊固在接線端子上的線鼻子。線鼻子螺母和鎖緊墊圈是繼電器配備好的。

 

圖3  柴油機進氣加熱器安裝圖

圖4  柴油機進氣加熱器電路圖

 

總結：
        啟動過程的控制一方面要順利啟動，另一方面要控制排放污染物。柴油發電機正常啟動的三個要素為強且正時準確的高壓火花、合適的空燃比、足夠的氣缸壓力，這三方面均應符合要求，缺一不可。總之，我們清楚地認識到影響柴油發電機啟動的決定因素有壓力、點火、供油、溫度、最低啟動轉速。除此之外，為使柴油發電機順利啟動，還必須具備其基本前提：即柴油發電機裝配要符合有關技術要求，如各軸瓦的配合間隙、氣門間隙、配氣相位以及各運動副之間的潤滑狀況。否則，過大的曲軸扭矩將使啟動機帶不動。不正確的配氣相位（氣門開閉）也影響其正常啟動。

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