新聞主題	常溫與低溫下柴油發(fā)電機的啟動帶載能力測試

 

摘要∶起動性能是柴油發(fā)電機的重要性能指標(biāo)之一，起動過程承接柴油機從靜止到運轉(zhuǎn)的過渡，其維持的時間很短，一般只有幾秒。在這段時間內(nèi)，經(jīng)歷柴油機運行狀態(tài)的巨大改變，必須能夠在快速的工況變化中調(diào)整控制參數(shù)，以滿足柴油機起動過程中的各種需求。其啟動性能直接影響柴油發(fā)電機的工作可靠性、使用壽命及其排放性能。起動的必要條件是必須提供足夠大的起動力矩、起動轉(zhuǎn)速、氣缸壓力和溫度以及預(yù)潤滑程度。如果上述條件之一惡化，則會發(fā)生起動困難。康明斯公司在本文中對常低溫下的柴油發(fā)電機起動需求的差異進行了比較，通過實測柴油機常溫、低溫起動時的轉(zhuǎn)速和啟動電壓，提出了柴油機低溫起動特性要求。

 

一、起動機的仿真

 

1、起動機的數(shù)學(xué)模型

      起動機的電壓表達方程式為

      電樞電流隨時間的變化為

 

式中，ε為電樞反電動勢；U_N為蓄電池額定電壓；R₀為蓄電池內(nèi)阻；R_b為電刷接觸電阻；R_a為電樞繞組；L_a為電樞電感；i_a為電樞電流。

      起動機的轉(zhuǎn)矩方程式為

      結(jié)合上面的式子得出：

 

式中，T為起動機的電磁轉(zhuǎn)矩；T_L為負載力矩；R_ω為旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)；ω為起動機的角速度；J為起動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。

      起動機的輸出功率P為

 

式中，p為極對數(shù)；N為每相繞組師數(shù)；φ為每極磁通量。

      由上式知：輸出功率由電樞繞組感應(yīng)電動勢E和電樞電流I_a兩部分來決定，它與p、N、α_p、φ和I_a等參數(shù)有關(guān)。

2、起動機的電磁場仿真

      起動機采用的是永磁材料的直流電動機，做二維靜態(tài)電磁場模型假設(shè)：

（1）磁瓦等效為兩側(cè)有面電流的永磁鐵，永磁材料的磁化曲線相當(dāng)于其退磁曲線在第一象限原點位置的鏡像。

（2）以電樞鐵心與磁瓦平均軸向長度作為起動機計算長度，機殼的截面積保持不變。

（3）電樞繞組與定子之間沒有相對運動，電樞繞組電流均勻分布在線圈之中，電刷位于幾何中心線上。

（4）計算起動機的二維場，矢量磁位只有軸向分量；

（5）采用XY軸坐標(biāo)，考慮曲度效應(yīng)，用三節(jié)點三角形單元換分模型網(wǎng)格。

（6）轉(zhuǎn)子鐵心和定子機殼的磁化曲線為單值函數(shù)，定子的外殼和轉(zhuǎn)子內(nèi)徑處的矢量磁位為0，滿足第一類狄里克利邊界條件。

      起動機的基本方程和邊界條件為

式中，δ為外加電流密度；μ₁、μ₂分別為永磁材料和鐵心的磁導(dǎo)率；J_e為永磁材料的兩側(cè)的面電流；L為永磁鐵側(cè)面弧長。

      定轉(zhuǎn)子兩部分通過氣隙解耦聯(lián)系在一起，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)以轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的有限元網(wǎng)格實現(xiàn)，考慮時間的因素，動態(tài)磁場場方程為

      能量函數(shù)為

      在分析起動機的靜態(tài)磁場時，以起動機的定子外殼和轉(zhuǎn)子軸作為邊界條件，24V恒定電壓作為激勵源，起動機的靜態(tài)磁場分布如圖1所示。在起動機的磁場分布中，定子的內(nèi)殼和轉(zhuǎn)子中心軸外側(cè)的磁場分布比較密集，起動機產(chǎn)生的漏磁通比較小，由圖中磁場分布線系數(shù)可以看到起動機的磁場分布強弱。

      起動機的瞬態(tài)分析時，考慮蓄電池提供的端電壓是一個動態(tài)量，對蓄電池提供的端電壓變化狀況作一定的假設(shè)：起動機槽內(nèi)每股導(dǎo)線數(shù)為128，起動機的極數(shù)為4極，所以起動機的轉(zhuǎn)子內(nèi)有4條支路進行電壓換向，起動機的瞬態(tài)磁場分布如圖2所示。起動機帶負載運動，瞬間定子內(nèi)殼的磁力線較密，磁場容易飽和；圖中永磁體上閉合區(qū)域的漏磁通明顯較靜態(tài)磁場的漏磁通大。

 

圖1  柴油發(fā)電機起動機靜態(tài)磁場分布

圖2  柴油發(fā)電機起動機瞬態(tài)磁場分析圖

 

 

二、常溫下啟動性能試驗

      由于柴油發(fā)電機起動內(nèi)容較為復(fù)雜，在工程實際中除通過公式對氣缸內(nèi)壓力、溫度進行估算外還可實際測量柴油發(fā)電機起動轉(zhuǎn)速、啟動電機電壓及氣缸內(nèi)壓縮壓力，評估柴油發(fā)電機氣缸內(nèi)混合氣點火條件是否具備。本文以康明斯某型號柴油發(fā)電機及其啟動電機為例進行試驗測試。

1、常溫不發(fā)火拖動測試

      為直觀判定啟動電機在特定發(fā)動機上使用時的起動能力，對啟動電機拖動柴油發(fā)電機的工作狀態(tài)進行測試，在柴油發(fā)電機不發(fā)火狀態(tài)時，對柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速、啟動電機電壓進行監(jiān)控，以判定啟動電機起動能力是否滿足柴油發(fā)電機的最低起動轉(zhuǎn)速要求。本試驗用柴油發(fā)電機的拖動轉(zhuǎn)速情況和常溫狀態(tài)啟動電機的拖動扭矩曲線需記錄在案。在啟動電機純拖動狀態(tài)時，還可對缸內(nèi)壓縮壓力進行監(jiān)控，以判定缸內(nèi)氣休是否滿足發(fā)火溫度要求。試驗用柴油發(fā)電機在啟動電機拖動狀態(tài)時的缸內(nèi)壓縮壓力測量結(jié)果也需記錄。

2、試驗的注意事項

      在康明斯發(fā)電機組常溫冷態(tài)情況下（非增壓柴油發(fā)電機組不低于5℃，增壓柴油發(fā)電機組不低于10℃），利用柴油發(fā)電機組的啟動裝置，按照使用說明書規(guī)定的方法，啟動柴油發(fā)電機組三次，每兩次之間的時間間隔為10min，三次啟動中，有一次啟動成功即為合格。在試驗過程中應(yīng)注意以下幾點：

① 柴油發(fā)電機組使用的燃油、潤滑油均按產(chǎn)品規(guī)范的規(guī)定；

② 柴油發(fā)電機組在試驗室或自然環(huán)境中進行試驗；

③ 具有兩種以上啟動方式的內(nèi)燃發(fā)電柴油發(fā)電機組，每種啟動方式應(yīng)分別進行三次，啟動成功后即停機，10min后方可進行下一次啟動；

④ 按柴油發(fā)電機組使用說明書的規(guī)定做好啟動前的各項準(zhǔn)備工作；

⑤ 一人記錄，一人操作柴油發(fā)電機組，啟動過程中不允許做任何調(diào)整或更換零件；

⑥ 記錄員下達“開始啟動"指令后用秒表開始計時，操作人員立即啟動柴油發(fā)電機組；

⑦ 啟動后柴油發(fā)電機組建立電壓，控制屏指示燈亮，可帶滿載穩(wěn)定工作，表示啟動成功（從下達開始啟動指令至柴油發(fā)電機組帶滿載工作的全部過程所用的時間，即為啟動成功時間）；

⑧ 記錄環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力和啟動成功時間。

柴油發(fā)電機組帶載測試接線圖

柴油發(fā)電機組負載測試系統(tǒng)圖

 

三、低溫啟動性能影響與試驗

 

1、柴油機低溫起動的影響因素

      柴油機在低溫下快速、可靠地起動，需要可靠的起動系統(tǒng)。根據(jù)起動機的短時工作性質(zhì)，衡量起動機性能的參數(shù)有電磁功率、輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、感應(yīng)電動勢等。除了起動機的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還需要考慮環(huán)境溫度、柴油機、蓄電池的容量等因素所帶來的影響。

      低溫對柴油機起動性能的影響主要是燃油蒸發(fā)性：

（1）環(huán)境溫度降低，燃油的粘度和密度增大，霧化不良，流動性變差、霧化效果差，噴入缸內(nèi)的燃油過多，混合氣較濃，缸內(nèi)燃燒溫度低。由于柴油機起動時轉(zhuǎn)速不高，進氣管內(nèi)的流速降低，不能形成足夠強度的空氣渦流，造成實際參與燃燒的柴油過少。且柴油機轉(zhuǎn)速低導(dǎo)致噴油壓力低，使油滴尺寸偏大，從而使噴油量貫穿度較大，過大的貫穿度會使燃油碰到冷的燃燒室壁，燃燒效果差，起動困難。

（2）低溫起動時，柴油機的摩擦非常嚴重，尤其在起動后尚未達到平滑運轉(zhuǎn)的過程中，摩擦最大。環(huán)境溫度越低，潤滑油粘度越大，柴油機起動阻力矩增大；混合氣壓燃困難，最低著火轉(zhuǎn)速將提高；蓄電池能量隨之下降，內(nèi)阻增加，導(dǎo)致起動電壓與電流下降，提供給起動機的電壓不足。

      此外，起動溫度過低容易造成潤滑油的運動粘度增加，起動阻力矩增大；蓄電池的電壓下降，起動機的輸出功率降低，柴油機起動困難；柴油的不完全燃燒，排放污染物增加，嚴重污染環(huán)境。對低溫環(huán)境下起動系統(tǒng)的蓄電池性能、起動機動力特性、柴油機排放等問題，國內(nèi)外學(xué)者已進行了相關(guān)研究工作，然而，現(xiàn)有文獻中關(guān)于低溫環(huán)境下蓄電池容量與起動阻力矩變化規(guī)律，以及柴油機、起動機、蓄電池三者之間匹配關(guān)系的研究較少。

2、低溫試驗注意事項

      柴油發(fā)電機組應(yīng)有低溫啟動措施。在環(huán)境溫度-40℃（或-25℃）時，對功率不大于250kw的柴油發(fā)電機組應(yīng)能在30min內(nèi)順利啟動，并應(yīng)有在啟動后3min內(nèi)帶規(guī)定負載工作的能力；對功率大于250kw的柴油發(fā)電機組，在低溫下的啟動時間及帶載工作時間按康明斯技術(shù)規(guī)范的規(guī)定。在試驗過程中應(yīng)注意以下幾點：

① 柴油發(fā)電機組使用的燃油、潤滑油均按產(chǎn)品規(guī)范的規(guī)定；

② 柴油發(fā)電機組在試驗室或自然環(huán)境中進行試驗；

③ 具有兩種以上啟動方式的內(nèi)燃發(fā)電柴油發(fā)電機組，每種啟動方式應(yīng)分別進行三次，啟動成功后即停機，10min后方可進行下一次啟動；

④ 一人記錄，一人操作柴油發(fā)電機組，啟動過程中不允許做任何調(diào)整或更換零件；

⑤ 啟動柴油發(fā)電機組時，采用產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的低溫啟動措施，低溫啟動措施的準(zhǔn)備時間應(yīng)計入啟動成功的時間之內(nèi)；

⑥ 記錄員下達“開始啟動”指令后用秒表開始計時，操作人員立即操作低溫啟動措施并啟動柴油發(fā)電機組；

⑦ 啟動后柴油發(fā)電機組建立電壓，控制屏指示燈亮，可帶25％額定負載穩(wěn)定工作，表示柴油發(fā)電機組啟動成功；

⑧ 記錄環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力和啟動成功時間。

3、常溫與低溫下起動差異比較

      柴油發(fā)電機低溫起動較之常溫起動在不使用輔助起動裝置的情況下更難實現(xiàn)，其主要因素有∶

（1）低溫起動時，氣缸內(nèi)壓縮始點溫度低，向氣缸壁傳熱增多，由于起動轉(zhuǎn)速低而引起漏氣量增加，從而使壓縮終點溫度和壓力下降，不利于混合氣的形成和燃燒。

（2）低溫時燃油粘度和密度增大，使 流動性變差，蒸發(fā)和霧化不良，致使大部分燃油以液態(tài)存在于氣缸內(nèi)，從而影響混合氣的形成，造成混合氣過稀。低溫時，柴油中的蠟質(zhì)易析出，有時會造成燃油濾清器和管路的堵塞。

（3）摩擦副中摩擦阻力的大小，主要取決于潤滑油的潤滑作用。潤滑油的粘度隨溫度的降低而大幅增加，0℃時的運動粘度達到100℃時運動粘度的幾千倍。潤滑油粘度大，起動阻力就大。

（4）在低溫下蓄電池電解液的粘度和電阻值增大使蓄電池輸出電壓降低，還使起動電流減小，造成發(fā)動機起動乏力。

      不同用途和型號的發(fā)動機，其低溫起動性能的要求不同，結(jié)合啟動電機起動特性測量數(shù)據(jù)，測試柴油發(fā)電機拖動轉(zhuǎn)速和啟動電機起動端電壓即可計算出柴油發(fā)電機初始起動力矩和拖動阻力矩；結(jié)合溫度對柴油發(fā)電機阻力矩的影響，可求得低溫起動狀態(tài)下的阻力矩，代入低溫啟動電機特性公式可得對應(yīng)溫度和阻力狀態(tài)下的柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速，由此簡化了對柴油發(fā)電機低溫起動系統(tǒng)的判定程序，從而節(jié)省了低溫標(biāo)定的測試費用。

 

總結(jié)：

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