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极寒天气下的冬季柴油发电机组冷启动性能 |
摘要：由于柴油机属于压燃式点火系统，所以柴油发电机组的启动需要具备一定的温度条件。在冬天遇到气温偏低的时候，冷却液温度可能不足以提供启动所需的热能，而当冷却液温度过低，发动机将很难缸内着火燃烧。因此，康明斯公司一般对于在北方地区用户，在柴油发电机组设备出厂前，通常为其装配一套全自动智能水套电加热器系统，以便解决在冬季使用柴油机启动难的隐患问题。
一、冷启动难的原因
柴油机冷启动困难是指在低温环境下，柴油发电机在启动时出现困难或需要较长时间才能启动的现象，如图1所示。这是因为在低温条件下，柴油的粘度增加，燃烧性能下降，导致燃油喷射不均匀、燃烧不完全，从而影响了柴油发电机的启动。
1、低温柴油雾化不良
柴油在低温下会发生结晶，导致燃油流动性降低，使得燃油供应不足。同时，低温下柴油的粘度增加，不利于喷射和燃烧，进一步影响了柴油发电机启动。发动机的燃油流动示意图如图2所示。
2、高压油泵供油不足
低温下，柴油的粘度增加，增加了高压油泵供油的阻力，使得高压油泵的供油能力下降，无法满足柴油机启动的要求。
3、涡轮增压器滞后
柴油发电机的涡轮增压器在低温环境下，由于机械摩擦增加，涡轮叶片的转动阻力增加，使得增压效果减弱，无法提供足够的进气量，影响了启动。
4、电池电量不足
低温下，电池的储电能力会降低，电池电量不足时会导致启动困难。
5、机油粘度变大
机油粘度变大导致柴油机在启动时，曲轴转动所需的转矩增大，从而转速变低，直接造成了点火困难。
6、起动转速低
起动转速在低温条件下明显下降的原因，主要由于机油粘度增大及蓄电池电力输出功率急骤下降，导致在压缩行程中散热时间长，加上机体、缸盖与压缩空气间的温差大，散失的热量多，使压缩终了的空气温度与压力比常温情况下要低。
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图1 冬季柴油机难启动现象 |
图2 柴油机冷启动燃油流动性差 |
二、冷启动难的解决方法
柴油发电机通过压缩点火产生扭矩（活塞会压缩空气，升高空气温度），因此当燃油喷射到空气中时，它会点燃并燃烧。在极低的温度下，压缩产生的热量会迅速散发到柴油机的金属部件中，导致燃烧效率降低。以下为康明斯公司为用户介绍的低温下使用柴油发电机组的防范措施。
1、使用低粘度机油
由于低温机油粘度会增加摩擦力，此外，极低的温度也会增加柴油机机油的粘度或流动阻力。这会导致柴油机中运转部件之间的摩擦增大。为了解决这个问题，操作员通常会通过改变其柴油机机油的等级（粘度）来做好在较低环境温度下运行的准备。为适应较低温度，改变机油的等级也是很常见的，具体机油等级选用请查看图3。即使使用低粘度油液，柴油机在刚刚起动后可能仍需要 80% 以上的可用扭矩，以使柴油机抵抗所有的寄生负载。
2、缩小设备尺寸
过去，特定功率和扭矩与柴油机的排量紧密相关。现在，康明斯公司所设计和开发的小型柴油机能够提供大型柴油机的功率和扭矩。然而，尽管小型柴油机能够在正常工作温度下为机器提供动力，但其在极寒条件下冷起动的性能尚且无法达到原始设备制造商（OEM，Original Equipment Manufacturer）的目标。
3、采用电喷机型
柴油发电机组的启动系统主要靠的是起动并达到其运行速度，操作员依靠柴油机的能力在各种条件下起动和重新起动机器，包括在北方冬季情况下 -20°C（-4°F）的极寒温度。在如此低的温度下，您的柴油机将面临一些独特的挑战。因此，康明斯公司开发的新款电喷柴油发电机可在 -20°C（4°F）时迅速起动，并在几秒钟内达到目标转速，同时克服在这种极低温度下所特有的不良情况。
趋势总是在各个行业之间相互影响。在柴油发电机组领域中，柴油机电喷化正成为一种流行趋势。电喷机型可以有效解决冷启动困难问题，再辅助以加热器类附件产品，可以大部分康明斯发电机组在-40°C寒冷条件下进行正常工作。
4、选用十六烷值较高的燃油
低于0℃时运行时，使用的最小十六烷值是45；大于于0℃运行时，使用的最小十六烷值是40。影响燃油性能的两个主要的要素是：
（1）倾点：倾点是燃油能够流动时的温度；
（2）浊点：当燃油出现结蜡的温度。
因此，应选用低倾点、低浊点燃油。
5、选择高性能电池
根据冷启动条件下选择相对大容量的蓄电池，并且考虑采用镍镉电瓶，外形结构如图4所示。与铅酸蓄电池比，低温条件下受温度影响更小，同时还具备以下特点：
（1）镍镉电池可重复500次以上的充放电，非常的经济；
（2）内阻小，可供大电流的放电，当它放电时电压的变化很小，作为直流电源是一种质量极佳的电池；
（3）因为采用完全密封式，因此不会有电解液漏出的现象，也完全不需要补充电解液；
（4）与其他种类电池相比之下，镍镉电池可耐过充电或放过电，操作简单方便；
（5）长时间的放置下也不会使性能劣化，当十分充完电后即可恢复原来的特性；
（6）可使用在很广的温度范围内；
（7）因为它采用金属容器而作成，有机械性的坚固；
（8）镍镉电池在非常严格的品质管理下被制造完成，有非常优良的品质性赖性。
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图3 柴油发电机SAE润滑油等级表 |
图4 镍镉蓄电池结构示意图 |
6、加装水套加热器
柴油机的启动一般是热启动，如果长期进行低温启动，尤其是在气候寒冷的季节或地域，会影响柴油机的使用寿命；对于采用液体加热的柴油发电机，可以通过预先开启液体加热器，使柴油机预热到常温后，再启动柴油机；如图5所示，柴油机预热时仅打开柴油机第一回水阀1和加热器进水阀，形成柴油机水套和液体加热器之间的水路循环。
水套加热器是一种常用的加热装置，水套加热器的主要作用是在低温环境下为发动机冷却液和润滑油提供预热，以保证发动机在寒冷环境中顺利启动和工作。在低温环境下，冷却液和润滑油可能会凝结成固态，失去润滑或冷却效果，从而损坏发动机，在这种情况下，水套加热器就显得尤为重要。水套加热器通过电加热器、电动水泵等组件工作，将冷却液加热至适宜温度，从而避免这种情况发生。
7、加装燃油加热器
当环境温度低于0℃时，柴油的粘度会变得非常高，同时流动性也会受到影响，这时候如果直接启动柴油发电机，会导致柴油燃烧不完全，从而影响发电机组的正常运行。因此，配置燃油加热器就变得尤为重要。如图6所示，燃油加热器的工作原理是利用发电能来加热加热器中的加热元件，通过传导、对流等方式将热能传递给柴油油路，快速升温至适宜温度。其优点如下：
（1）提高燃油温度。在低温环境下，燃油粘度较大，流动性差，不利于油路流动，加热器可以提升燃油温度，降低其黏度，从而提高燃油的喷射性能和燃烧性能，使发动机快速进入正常工作状态。
（2）预热发动机。在低温条件下，加热器有助于发动机快速启动，减少冷启动时的磨损，并降低油耗。
（3）改善燃油雾化质量。直接加热方式能显著改善燃油的雾化质量，对提高发动机冷起动性能有明显作用。
（4）降低污染物排放。加热后的燃油燃烧更充分，有助于减少有害气体和污染物的排放。
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图5 柴油发电机水套加热器系统图 |
图6 柴油发电机燃油加热系统示意图 |
三、冷启动试验与分析
根据上述柴油机低温起动困难的主要原因：机油粘度变大导致阻转矩增大；柴油雾化不良，压缩终了的空气温度与压力比常温情况下要低三个方面。康明斯公司对同一台柴油发电机进行低温起动试验，在-23.3 ℃情况下用SAE10W机油仅需3.7 kW的起动功率；用SAE20W机油需7.4 kW的起动功率；用SAE30W机油竟需11.8 kW的起动功率。
如图7所示，起动机和柴油发电机的性能随温度变化可定性分析曲线。图5中的术语代表含义：t—温度(t₁>t₂>t₃)；M₁一起动机的起动转矩；M₂一柴油机阻转矩；M₁与M₂交点为该温度下柴油机所能达到的曲轴转速。
如图8所示，柴油机所能起动的低温极限值曲线。图6中的术语代表含义：nt一起动机能达到的起动转速；n₂t一柴油机所需起动转速；nt与n₂t交点为该起动机能起动柴油机的最低起动温度。
（1）综上所述，单纯加大起动机功率来改善柴油发电机的低温起动性能将很不经济，故低温起动的环境下，柴油发电机均会采用多级机油(稠化机油)，以减少其低温阻转矩。
（2）针对低温时柴油雾化不良，压缩终了的空气温度与压力比常温情况下要低，柴油机大多设计有进气预热装置，一般会采用加注起动液以降低柴油发电机所需的起动转速。
（3）低温停车后常会放空冷却水，起动时重新加注热水，或者改用冷却液。目前很多柴油发电机都装有油底壳加热装置，采用该装置后，在-18℃低温起动时柴油发电机所需匹配的起动机的功率基本上与0℃时估算功率相等。
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图7 柴油机性能随温度变化曲线图 |
图8 柴油机低温起动极限值曲线图 |
总结：
基于试验验证，本文阐述了解决柴油机冷起动性能的原因和解决方案。分析了不同的低温启动困难原因对冷起动的影响，表述了大排量柴油机冷启动时增大起动马达功率的选择并不具有可行性，并给出了正确的防止冬天柴油发电机组启动难的措施，帮助用户早日脱离寒冷天气下柴发起动“老大难”的问题。
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