新聞主題	柴油發(fā)電機組冷啟動(dòng)影響因素與加熱裝置特點(diǎn)

 

摘要：柴油發(fā)電機啟動(dòng)是否順利是柴油發(fā)電機重要性能指標之一，而冷啟動(dòng)時(shí)想要啟動(dòng)順利，并且要求污染小、油耗低、轉速穩定，這對將柴油發(fā)電機電子控制提出了更高的要求?？得魉构驹诒疚尼槍τ绊戨妵娦桶l(fā)電機組冷啟動(dòng)性能的因素進(jìn)行分析，影響因素包括進(jìn)氣量、噴油時(shí)刻與時(shí)間、混合氣的形成、點(diǎn)火正時(shí)、配氣相位等，各個(gè)因素之間又都有相互聯(lián)系，在進(jìn)行性能優(yōu)化時(shí)必須充分考慮其他因素的影響，要通過(guò)深入的研究和試驗，對柴油發(fā)電機冷啟動(dòng)時(shí)控制參數進(jìn)行合理匹配，實(shí)現電噴型康明斯發(fā)電機組在低污染、低油耗下保證低溫冷啟動(dòng)成功。


一、柴發(fā)冷啟動(dòng)的影響因素

1、 點(diǎn)火提前角的影響

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

      點(diǎn)火提前角的大小對柴油發(fā)電機性能的影響很大，點(diǎn)火提前角過(guò)小，則燃燒延長(cháng)至膨脹過(guò)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(diǎn)火提前角過(guò)大，容易導致爆震，并且活塞還未到達上止點(diǎn)，氣缸內可燃混合氣的燃燒壓力已很大，與活塞的運動(dòng)方向相反，作用在活塞頂部，產(chǎn)生較大的負功，使有效功率降低。啟動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)火提前角的選取極為關(guān)鍵，點(diǎn)火提前角過(guò)大過(guò)小都會(huì )導致動(dòng)力不足，不足以克服柴油發(fā)電機阻力矩，使得柴油發(fā)電機難以啟動(dòng)。有實(shí)驗數據表明，以康明斯柴油發(fā)電機為例，初始點(diǎn)火提前角為7°和-3°時(shí)，在啟動(dòng)過(guò)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(fā)電機難以啟動(dòng)成功；初始點(diǎn)火提前角為3°時(shí)，能順利啟動(dòng)柴油發(fā)電機。

      因此，對于某一特定型號的柴油發(fā)電機，確定啟動(dòng)時(shí)的最佳點(diǎn)火提前角，以后隨柴油發(fā)電機各種參數的變化而變化。影響最佳點(diǎn)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(huán)等。

2、混合氣濃度的影響

（1）混合氣濃度不當

      柴油發(fā)電機不但難以啟動(dòng)，還造成排放污染物增多?；旌蠚馊紵c啟動(dòng)、功率、溫度之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。

① 混合氣濃度過(guò)稀，缸內燃燒會(huì )很不完全，容易熄火，只有部分燃料參與燃燒，因而產(chǎn)生大量的HC排放。

② 混合氣過(guò)濃，缺少助燃的空氣，也會(huì )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(shí)CO增多。特別是首循環(huán)燃燒對于柴油發(fā)電機冷啟動(dòng)整體排放相當重要，如果首循環(huán)失火將產(chǎn)生大量的HC，并影響后續燃燒的穩定性。首循環(huán)燃燒的缸壓較高，燃燒穩定，HC的排放就低，而首循環(huán)混合氣濃度過(guò)濃或者過(guò)低時(shí)，瞬態(tài)HC排放會(huì )急劇增加。所以，柴油發(fā)電機啟動(dòng)首循環(huán)的控制必須首先確?；旌蠚鉂舛?。

（2）防止缸內產(chǎn)生失火

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

② 冷啟動(dòng)時(shí)缸壁溫度較低，水蒸氣易發(fā)生凝結，火花塞吸附液態(tài)燃料或水的可能較大，失火發(fā)生的概率增加；

③ 液體燃料只有部分蒸發(fā)，實(shí)際進(jìn)入氣缸的燃料不多，火焰傳播時(shí)容易熄火。燃油沉積在氣道壁面上，而進(jìn)氣道絕對壓力隨柴油發(fā)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(fā)速度的變化恰到好處，難免會(huì )出現混合氣過(guò)濃或者過(guò)稀，這些都造成柴油發(fā)電機啟動(dòng)困難和HC排放增多。

      為了保證冷啟動(dòng)可靠，最初幾個(gè)循環(huán)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(dòng)工況，在保證可靠點(diǎn)火的前提下，必須控制最初幾個(gè)循環(huán)的混合氣濃度，來(lái)降低HC的排放。影響混合氣濃度的因素有啟動(dòng)時(shí)的進(jìn)氣量、噴油時(shí)間和時(shí)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(zhì)量較差，需提供較大的循環(huán)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(huì )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(zhù)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(huán)供油量也在逐漸減少，混合氣濃度不斷降低。電控柴油發(fā)電機控制根據啟動(dòng)時(shí)冷卻液溫度確定基本循環(huán)供油量，與進(jìn)氣量合理匹配，形成合適的混合氣濃度，順利啟動(dòng)柴油發(fā)電機。由于供油量較大，為了避免火花塞“淹死”，有的柴油發(fā)電機控制系統要求電磁噴油器在柴油發(fā)電機每一轉中分多次進(jìn)行噴射。如康明斯柴油發(fā)電機在冷啟動(dòng)時(shí)，與冷卻液溫度有關(guān)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(gè)與轉速有關(guān)的噴油量。

（3）合適的噴射時(shí)刻，會(huì )降低燃油濕壁現象的影響。

4、燃料蒸發(fā)特性和霧化效果的影響

      改善燃油的揮發(fā)性對降低冷啟動(dòng)過(guò)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(tài)燃料，還有進(jìn)氣道空氣輔助噴射，如此在冷啟動(dòng)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(jìn)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(fā)和霧化變好，有利于形成合適的混合氣濃度，即便于啟動(dòng)，又降低HC的排放。

5、配氣相位的影響

      配氣相位直接影響進(jìn)入氣缸的混合氣質(zhì)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(dòng)階段，轉速低，進(jìn)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(fā)和霧化質(zhì)量，在啟動(dòng)過(guò)程氣門(mén)重疊角期間，進(jìn)氣管和缸內真空度很高有可能會(huì )使廢氣倒流，前一個(gè)循環(huán)殘余廢氣對工質(zhì)進(jìn)行稀釋?zhuān)旌蠚獾馁|(zhì)量變差，影響火焰前鋒的發(fā)展，導致下一個(gè)循環(huán)燃燒惡化，不利于冷啟動(dòng)過(guò)程燃燒的穩定性。不佳的氣門(mén)重疊角還會(huì )使未燃的混合氣由排氣門(mén)短路逃逸，造成HC排放量劇增，啟動(dòng)困難。因此，確定啟動(dòng)時(shí)的配氣相位至關(guān)重要。

      通過(guò)分析研究，柴油發(fā)電機冷啟動(dòng)時(shí)需要控制的內容包括進(jìn)氣量、噴油時(shí)刻與時(shí)間、混合氣的形成、點(diǎn)火正時(shí)、配氣相位等。各個(gè)因素之間都有相互聯(lián)系，在進(jìn)行性能優(yōu)化時(shí)都必須考慮其他因素的影響，要通過(guò)深入研究和試驗，對柴油發(fā)電機冷啟動(dòng)時(shí)控制參數進(jìn)行合理匹配，使柴油發(fā)電機啟動(dòng)順利，并且污染小，油耗低，轉速穩定，則對柴油發(fā)電機電子控制提出了更高的要求，很好地規劃一個(gè)全方位的控制策略，確定柴油發(fā)電機冷啟動(dòng)時(shí)的控制方法，最終實(shí)現冷啟動(dòng)時(shí)各參數的精確控制，在低污染、低油耗下保證低溫冷啟動(dòng)成功。

 

圖1  柴油機空燃比曲線(xiàn)圖

圖2  柴油機配氣相位示意圖

 

二、柴發(fā)冷啟動(dòng)裝置

 

      如果用戶(hù)有高寄生負載、極端的寒冷環(huán)境、特別的柴油發(fā)電機負載要求或配置問(wèn)題等特殊應用，請在購買(mǎi)以前咨詢(xún)康明斯發(fā)電機組供應商。

1、乙醚啟動(dòng)裝置系統

      乙醚電磁閥控制是被用于驅動(dòng)輸送乙醚到進(jìn)氣歧管的繼電器和/或電磁閥。當有使用啟動(dòng)裝置的指令時(shí)，ECU控制乙醚電磁閥的控制輸出?？得魉固峁┡c每個(gè)柴油發(fā)電機獨特冷啟動(dòng)策略相符合的可選乙醚啟動(dòng)系統。請參見(jiàn)工業(yè)柴油發(fā)電機零部件價(jià)格清單。如果使用第三方的乙醚噴射系統，康明斯柴油發(fā)電機的質(zhì)保無(wú)效。

      如果冷卻液溫度傳感器和進(jìn)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(jìn)氣溫度傳感器其中一個(gè)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(jìn)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(gè)傳感器都是有效，那么進(jìn)氣加熱器的使用將不會(huì )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(fā)電機啟動(dòng)，乙醚電磁閥控制將“激活“，直到柴油發(fā)電機轉速達到少于低怠速的50RPM。如果柴油發(fā)電機已啟動(dòng)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(fā)電機的轉速大于零時(shí)乙醚才開(kāi)始噴射，柴油發(fā)電機盤(pán)車(chē)以前乙醚將不會(huì )噴射。用戶(hù)不能對溫度的臨界值進(jìn)行可編程。

表1    乙醚啟動(dòng)裝置系統安裝零件

 

2、進(jìn)氣口加熱器

（1）進(jìn)氣口加熱器操作

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

      進(jìn)氣加熱器運行在5個(gè)不同的階段分為功率上升，預先加熱，柴油發(fā)電機搖車(chē)，柴油發(fā)電機運行和后加熱。進(jìn)氣加熱器運行在各個(gè)階段的調變點(diǎn)溫度取決于冷卻液溫度和進(jìn)氣溫度合計。以下是在正常啟動(dòng)的5個(gè)階段進(jìn)氣加熱器的操作概述：

① 功率上升周期：

      加熱器和等待啟動(dòng)燈將打開(kāi)，如果溫度不能滿(mǎn)足預加熱條件，那么2秒鐘后燈會(huì )關(guān)閉。上升周期本來(lái)主要是元件檢查階段，將不會(huì )理會(huì )溫度或柴油發(fā)電機轉速如何。

② 預加熱周期：

      如果冷卻液溫度和進(jìn)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(jìn)氣空氣加熱器繼電器輸出，并且等待啟動(dòng)燈開(kāi)啟30秒以上。如果預加熱結束以前就試圖啟動(dòng)柴油發(fā)電機，在柴油發(fā)電機盤(pán)車(chē)啟動(dòng)期間ECU將繼續控制加熱器。當柴油發(fā)電機檢測到轉速時(shí)等待啟動(dòng)燈將關(guān)閉。如果柴油發(fā)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(guān)閉。

③ 柴油發(fā)電機盤(pán)車(chē)周期：

      當在盤(pán)車(chē)期間，如果冷卻液溫度和進(jìn)氣歧管溫度合計少于147℉或64℃，加熱器將開(kāi)啟。如果柴油發(fā)電機啟動(dòng)失敗，預加熱周期將重啟。

④ 柴油發(fā)電機運行周期：

      柴油發(fā)電機獲得較低的怠速后，通過(guò)進(jìn)氣歧管空氣溫度和冷卻液溫度的組合來(lái)決定IAH是否運行。如果溫度條件滿(mǎn)足，加熱器可能開(kāi)啟最多7分鐘。任何時(shí)候進(jìn)氣歧管空氣溫度和冷卻液溫度合計超過(guò)147℉或64℃，進(jìn)氣管加熱器將關(guān)閉。如果柴油發(fā)電機熄火或停止，預加熱周期會(huì )重啟。

⑤ 后加熱周期：

      如果柴油發(fā)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(huì )循環(huán)在開(kāi)啟和停止之間再運行13分鐘，此時(shí)該周期會(huì )10秒鐘開(kāi)啟和10秒鐘關(guān)閉。

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

（2）進(jìn)氣加熱器安裝

      客戶(hù)負責連接進(jìn)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(xiàn)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(jìn)氣加熱器繼電器最長(cháng)開(kāi)啟時(shí)間為7分鐘，最低需要導線(xiàn)的規格為4AWG 。儲電池電源線(xiàn)必須固定，并且不要附著(zhù)在燃油管線(xiàn)上。使用9.0±1.0N.m的扭矩緊固在接線(xiàn)端子上的線(xiàn)鼻子。線(xiàn)鼻子螺母和鎖緊墊圈是繼電器配備好的。

 

圖3  柴油機進(jìn)氣加熱器安裝圖

圖4  柴油機進(jìn)氣加熱器電路圖

 

總結：
        啟動(dòng)過(guò)程的控制一方面要順利啟動(dòng)，另一方面要控制排放污染物。柴油發(fā)電機正常啟動(dòng)的三個(gè)要素為強且正時(shí)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(fā)電機啟動(dòng)的決定因素有壓力、點(diǎn)火、供油、溫度、最低啟動(dòng)轉速。除此之外，為使柴油發(fā)電機順利啟動(dòng)，還必須具備其基本前提：即柴油發(fā)電機裝配要符合有關(guān)技術(shù)要求，如各軸瓦的配合間隙、氣門(mén)間隙、配氣相位以及各運動(dòng)副之間的潤滑狀況。否則，過(guò)大的曲軸扭矩將使啟動(dòng)機帶不動(dòng)。不正確的配氣相位（氣門(mén)開(kāi)閉）也影響其正常啟動(dòng)。

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