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柴油发电机启动系统起动条件及原理图 |
摘要：起动系统的作用是供给柴油机曲轴转动转矩，使柴油机达到必须的起动转速，以便使柴油机进入自行运转状态。当柴油机进入自由运转状态后，启动装置便结束任务并立即停止工作。而完成起动所需要的装置叫启动系统，由于通常由蓄电池作为电源，所以也称作“电启动装置”。柴油发电机的启动系统主要由起动机、蓄电池、充电发电机、调节器和柴发控制器等组成。电启动装置工作流程是柴油机起动时，蓄电池向电机供电，驱动柴油机转动。起动后，柴油机驱动该电机作发电机运行，向蓄电池充电。
一、柴油机启动原理和过程
1、启动系统工作原理
柴油发电机借助于外力由静止状态转入、作状态的全过程称为柴油发电机的启动过程，完成启动过程所需要的一系列装置称为启动系统或启动装置，其电路连接如图1所示。它的作用是提供启动能量，驱使曲轴旋转，可靠地实现柴油发电机启动。
柴油发电机启动系统的工作性能主要是指能否迅速、方便、可靠地启动；其次，启动后能否很快过渡到正常运转。这些性能对柴油发电机工作的可靠性、使用方便性、耐久性和燃料经济性等有很大影响。在启动系统中，动力驱动装置用于克服柴油发电机的启动阻力，启动辅助装置是为了使柴油发电机启动轻便、迅速和可靠。
（1）启动阻力矩
柴油发电机启动时，启动动力装置所产生的启动力矩必须能克服启动阻力矩（包括各运动件的摩擦力矩，驱动附件所需力矩和压缩汽缸内气体的阻力矩等）。启动阻力矩主要与柴油发电机结构尺寸、温度状态及润滑油的黏度等有关。柴油发电机的汽缸工作容积大、压缩比高时，阻力矩大；机油黏度大，阻力矩也大。
（2）启动转速
为保证柴油发电机顺利启动的最低转速称为启动转速。启动时，启动动力装置还必须将曲轴加速到启动转速。启动转速的大小随柴油发电机型式的不同而不同。对于柴油发电机，为了保证柴油雾化良好和压缩终了时的空气温度高于柴油的自燃温度，要求有较高的启动转速，一般为150~300r/min。
2、柴油机起动过程
柴油机是一种内燃机，它的工作原理是利用压缩空气使柴油燃烧产生高温高压气体，从而推动活塞做功。柴油机的启动原理是通过一系列的步骤来实现的，下面将详细介绍柴油机起动过程。
（1）柴油机启动需要一个起动系统，它通常由起动电机、电瓶和启动开关组成。当启动开关打开时，电瓶会提供电力给起动电机，起动电机通过转动曲轴带动活塞运动，从而使柴油机开始工作，如图2所示。
（2）柴油机启动还需要燃油系统的支持。燃油系统包括燃油箱、燃油泵和喷油器等部件。在启动过程中，燃油泵会将柴油从燃油箱中抽取并送入喷油器，喷油器会将柴油喷入气缸中，与压缩空气混合并在高压高温环境下燃烧，从而推动活塞做功。
（3）柴油机启动还需要空气系统的支持。空气系统包括进气管、进气门和增压器等部件。在启动过程中，增压器会将空气压缩并送入气缸中，与喷入的燃油混合后形成可燃气体，从而实现燃烧和推动活塞运动。
（4）柴油机启动还需要润滑系统的支持。润滑系统包括机油泵、机油滤清器和润滑油等部件。在启动过程中，机油泵会将润滑油送入各个部件的摩擦表面，减少摩擦阻力，保护零部件不受磨损，确保柴油机的正常运转。
（6）柴油机启动还需要冷却系统的支持。冷却系统包括水泵、散热器和冷却液等部件。在启动过程中，水泵会将冷却液循环送入发动机各部件，吸收热量并将其带走，确保柴油机在工作过程中不会过热而损坏。
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图1 柴油机电启动电路连接图 |
图2 柴油机电启动系统原理图 |
二、柴油机启动要求和方式
1、起动条件
（1）起动转矩
能够使曲转旋转的最低转矩称为起动转矩，起动转矩必须克服压缩阻力和内磨擦阻力矩。起动阻力矩与柴油发电机压缩比、温度、机油粘度等有关。
（2）起动转速
能使柴油发电机起动的曲轴最低转速称为起动转速，在0～20℃时，柴油机的起动转速为150～300r/min。
2、起动方式
转动曲轴使柴油发电机起动的方式很多，柴油发电机常用的有两种∶
（1）人力起动∶
起动最为简单，只须将起动手摇柄端头的横销嵌入柴油发电机曲轴前端的起动爪内，以人力转动曲轴。
（2）马达起动∶
马达起动是大部分陆用发电机组采用的启动方式，外观如图3和图4所示。它用马达作为机械动力，当将马达轴上的齿轮与柴油机飞轮周缘的齿圈啮合时，动力就传到飞轮和曲轴，使之旋转。马达本身又用蓄电池作为电源。其原理是起动时，接通起动开关，起动电机电路通电，继电器的吸引线圈和保持线圈通电产生很强的磁力，吸引铁芯左移，并带动驱动杠杆绕其销轴转动，使齿轮移出与飞轮齿圈啮合。与此同时，由于吸引线圈的电流通过马达的绕组，电枢开始转动齿轮在旋转中移出，减小冲击。如果齿轮与飞轮齿端相对，不能马上啮合此时弹簧压缩，当齿轮转过一个角度后齿轮与飞轮迅速啮合。当铁芯移动到使短路开关闭合的位置时，短路线路接通，吸引线圈被短路，失去作用，保持线圈所产生的磁力足以维持铁芯处于开关吸合的位置。
（3）压缩空气起动：
船用大功率柴油机绝大多数采用压缩空气起动。因为这种柴油机各运动部件重量大，起动时的惯性力和阻力很大，用电力装置是不合适的，故都用压缩空气起动。压缩空气起动的原理是将具有一定压力的压缩空气，按柴油机发火次序，在工作行程时送入各气缸，推动活塞，使柴油机转动起来。待柴油机转速达到起动转速，喷入燃烧室中的燃料方能自行发火燃烧，使柴油机运行。
3、起动辅助装置
柴油发电机在严寒冬季起动困难，这是由于机油粘度增高，起动阻力矩增大，蓄电池工作能力降低，以及燃油气化性能变坏的缘故。为使之便于起动，在冬季应设法将进气、润滑油和冷却水预热。柴油机冬季起动困难尤大。车用柴油机为了能在低温下迅速可靠的起动，常采用一些用以改善燃料着火条件和降低起动转矩的起动辅助装置，如电热塞、进气预热器、起动液喷射装置以及减压装置等。
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图3 柴油机起动马达前视图 |
图4 柴油机起动马达左视图 |
三、起动机的类型和结构
1、起动机的类型
起动机是起动系统核心装置，其技术状态好坏，直接影响柴油发电机启动性能。起动机种类繁多，其分类方法如下：
（1）强制啮合式：工作原理如图5所示，依靠电磁力拉动杠杆机构，拨动驱动齿轮强制啮入飞轮齿圈。工作可靠性高，现代柴油机广泛采用。
（2）电枢移动式：结构组成如图6所示，依靠磁极磁通的电磁力使电枢产生轴向移动，从而将驱动齿轮啮入飞轮齿圈。
（3）齿轮移动式：依靠电磁开关推动电枢轴孔内的啮合推杆，使驱动齿轮啮入飞轮齿圈。
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图5 强制啮合式起动机工作原理 |
图6 电枢移动式起动机内部结构图 |
2、起动机的结构组成
起动机由直流电动机、传动装置和控制装置三部分组成。
（1）直流电动机
直流电动机是以蓄电池为电源，将电能转变为机械能，在启动开关和电磁开关的控制下，通过传动装置将转矩传递给发动机。其构造及特点：
① 磁场部分由磁极、磁场绕组和外壳等组成。
② 电枢部分由电枢线圈及铁芯、电枢轴、换向器等组成；
③ 传动机构与电枢轴采用花键配合；电枢轴采用三点支撑，电枢轴尾部有限位圈。
④ 换向器由电刷和电枢轴上的整流子组成，用来连接磁场绕组与电枢绕组。
（2）传动机构
传动机构的作用是起动时使驱动齿轮与飞轮齿环啮合，将起动机转矩传给发动机曲轴；起动后，使电动机和飞轮齿环自动脱开，防止电动机因超速旋转而损坏。起动机的传动装置主要由单向离合器和拨叉组成。
（3）起动机控制装置
① 当吸拉线圈和保持线圈通电产生的磁通方向相同时，其电磁吸力便吸引活动铁心向前移动，直到推杆上的触盘将电动机开关的两个触点接通而使电动机电路接通为止。电路接通示意图如图7所示。
② 当吸拉线圈和保持线圈通电产生的磁通方向相反时，其电磁吸力相互抵消，在复位弹簧的张力作用下，活动铁心等可移动部件自动复位，触盘与触点断开，电动机电路即被切断。电路断开示意图如图7所示。
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图7 起动机电动机电路接通示意图 |
图8 起动机分离弹簧的作用示意图 |
总结：
总之，柴油机的起动系统是机器稳定、连续运转的基础。为了确保设备的正常使用，起动系统的建设和使用必须得到足够重视和开发。此外，柴油机启动原理涉及起动系统、燃油系统、空气系统、润滑系统和冷却系统等多个方面的支持。只有这些系统协同工作，柴油机才能顺利启动并正常运转。希望这篇文档能够帮助大家更好地理解柴油机的启动原理。
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