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户外型耐低温风冷柴油发电机组的优势 |
摘要：柴油发电机的启动遇到寒冷季节会变得有难度。这是因为低温会导致机身温度过低，不好引燃喷油等，有时候还会出现发电机冻住的情形。针对这种气候，康明斯公司建议企业选择风冷型静音柴油发电机组。其优点在于风冷发电机组结构简单、故障率低、启动性能好，所需空气量少，风扇消耗功率低，油耗也较低，没有冻裂或过热沸腾危险，利于维护；这类机型适用于高原或缺水或寒冷的地方，不必考虑加水、沸点、冻结等方面的问题，因受到热负荷和机械负荷限制，但是通常风冷型柴油发电机组无法达到中、大功率用户要求。
一、低温启动困难的原因分析
柴油发电机组在低温环境下启动困难一直是个难题，其主要原因如下：
（1）低温环境蓄电池容量衰减启动电动机扭矩减小
一般柴油发电机组多采用电启动，特别是通信基站备用较小功率发电机组，蓄电池工作的最佳环境温度常在10～40℃之间。当环境温度降低时，蓄电池的容量随之衰减，有时会仅有25℃时容量的50％，启动电动机的启动扭矩的大小与蓄电池的容量有关，启动扭矩大幅度减小造成启动困难。
（2）运动部件间启动阻力力矩增大
在低温条件下，不同材质冷缩变形可致使配合间隙减小，柴油机曲轴与轴瓦、活塞与缸套等零件材质不同，热膨胀系数也不同，不同冷缩变形率造成配合间隙异常导致启动阻力矩增大。同时在低温条件下，柴油机润滑油黏度增大、流动性变差甚至失去流动能力，也增大了柴油机启动的阻力矩。由于综合原因导致的启动阻力力矩增大，使柴油机难以达到启动所需转速，便会出现启动困难。
（3）进气温度过低和压缩终了压力过低
低温环境中的空气温度很低，进入柴油机气缸内的燃烧空气温度很低，且柴油机缸筒、活塞等相关部件以及润滑油温度也很低，空气在压缩过程中的热损失较大，被缸筒、活塞等部件的吸收，压缩终了时空气的温度有可能达不到柴油的自燃点。气缸内压缩油气混合物温度过低，缸筒、活塞等部件运动接触表面润滑不良，还会造成压缩油气混合物的压力低于启动时所需压力。
（4）低温环境中柴油物理特性发生变化
有关数据表明，当气温从40℃降到-10℃时，柴油的黏度增大83％，密度增大8％。低温条件下柴油的黏度和密度均增大，表面张力加大，流动性变差，雾化不良，从而延长了柴油机的点火滞后期。
水冷柴油发电机组因有冷却水回路，可通过电加热水套预热器循环流动加热缸套水，使机体升温，机油流动性增强等提高启动成功率，但因为水冷发电机组缺少风冷发电机组所具有的优点，如风冷柴油发电机组的特点是无需设置水冷却系统，省去了冷却水自动补给循环系统等设施，也不会发生漏水、腐蚀、气蚀及防冻等方面的问题。风冷柴油发电机组具有经济性好、可靠性高、寿命长和维护使用方便等特点，适用于高山、荒野、沙漠地带、无水高寒地区的无人值守通信基站、卫星接收站等场合，而水冷柴油发电机组难以在一些场所使用。
风冷柴油发电机组因其结构原因无法采用类似水套加热器类装置，且因为风冷机机体散热片多，冷却快，那么如何保证在-40℃以下使用时能够顺利启动是需要解决的问题，本设计提出了一种解决方案，结合通信基站备用电源供电的特点，该方案可以实现在极低温度（-40℃）环境中发电机组能可靠启动，并能提高发电机组的运行性能，如减少低温环境下的磨损，提高发电机组的寿命。
二、风冷机组对比水冷的优势
1、发电机厂家实践证明，水冷柴油发电机组有25-30%以上的故障是由冷却系统造成的。而风冷柴油发电机组因不设置水冷却系统，所以其故障数比水冷柴油发电机降低约27%。风冷柴油发电机组更不会产生什么腐蚀、穴蚀、锈蚀及使缸体、缸盖、散热器内积水垢的问题。因此风冷柴油发电机组更适合于北方极度严寒的气候环境，它不会因缸体冻裂漏水而失掉运行能力。
2、柴油发电机组的正常使用寿命，主要取决于活塞组同缸套等摩擦副的磨状况。而缸套等重要的磨损量，主要取决于发动机在露点以下工作时间的长短。由于风冷柴油发电机组缸壁温度高、升温快，所以最大限度的避免了酸性腐蚀和磨损。
3、风冷柴油发电机组在燃气温度一定的情况下，缸壁温度越高，发动机散发到空气中的热量就越少，因而热率例越高，燃油经济性就越好。通常风冷柴油发电机组的缸壁温度要比水冷柴油机缸壁温度高数十倍，因此其热效率要比水冷柴油发电机高。同于风冷发电机组传给空气的热量少，因此其冷却风量，只需水冷柴油机的2/3左右，再加上风扇功率消耗低，因而风冷柴油发电机组的燃油消耗率也变低。
4、风冷柴油发电机组在零下35度的情况下，仍能很好启动和可靠工作，不会有冻裂机体的危险，也不需用防冻液或者水加热器。风冷柴油发电机组用在干旱沙漠地区不怕缺水，用在高原低气压地区，不会像水冷柴油发电机那样有冷却水开锅的现象，用在沿海盐碱地区缸体、缸套也不会因受冷却水的直接侵蚀而损坏。
5、水冷柴油发电机组的散热器和周围空气的温差小，因为散热器温度受到水沸点的限制。而风冷柴油发电机组其缸盖平均散热面温度为170度，与周围空气有更大的温差，即使在火热的环境也不会发生水冷柴油发电机组那种过热沸腾的危险。
三．户外型耐低温风冷柴发特点
康明斯电力技术有限公司通信基站户外型耐低温风冷柴油发电机组由三部分组成，底部为油箱、中部为发电机组箱体，顶部为防雨帽，如图1所示。发电机组箱体内中部安装发电机组及其辅助设备，箱体具有防雨、防火、防盗和通风功能。箱体一端装有消音器和排烟口，另一端安装有柴油发电机组和加热系统控制箱，控制箱下部为启动柴油发电机组和加热系统工作的蓄电池，控制箱内装有用于给蓄电池充电的浮充电源。
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图1 通信基站户外型耐低温风冷柴油发电机组结构示意图 1-排气电动百叶窗 2-防雨顶罩 3-进气电动百叶窗 4-静音保温箱 5-加热保温油箱 6-排污口 7-安装支脚 8-空间加热器 9-控制箱 10-浮充电源 11-蓄电池 12-箱内开进气小孔隔板 13-发电机 14-消音器 15-排烟口 16-柴油发电机组 图7-5 通信基站户外型耐低温风冷柴油发电机组结构示意图 |
箱体上部为防雨顶罩，可防止风雨进入发电机组及冬季积雪，影响正常使用。
进风和排风处均安装有电动百叶窗，其动作电源与柴油发电机组启动电源共用12V蓄电池。箱体安装有两个空间加热器，加热器电源采用通信基站市电电源，该市电亦作为柴油发电机组市电状态检测信号，在市电正常时，柴油发电机组不工作，在寒冷季节由市电提供加热电源，市电失电后柴油发电机组按设定间隔时间启动，柴油发电机组启动时不再需要加热器工作。发电机组箱体内设有温度传感器，温度过高时即便环境温度高于15℃时应可启动空间加热器除湿，用于防潮。
在室外温度低于15℃时，温度控制系统使加热回路通电控制，使箱内温度始终保持在15℃左右，使发电机组始终处于适宜随时应急启动的状态。
百叶窗控制系统与柴油发电机组控制系统还存在联动控制，柴油发电机组启动成功后，百叶窗才打开，柴油发电机组停机后，如果室外温度高于25℃时，则等待机箱通风散热到25℃时百叶窗关闭，防止内部温度过高影响下次起机运行，如柴油发电机组停机后，如果室外温度低于25℃时，则百叶窗在停机后约10s内关闭，以使内部温度保持便于下次起机运行。百叶窗打开时为保证进、排风量充足，设计为叶片可90°开起保证最大开起通风面积。
冷却空气流动路径如图2所示，柴油发电机组工作时，进、排气百叶窗均打开，空气由进气百叶窗处进入，经发电机组风扇，经过箱内对应柴油发电机组发电机部分开有气流通孔的隔板进入发电机组舱，经过发电机组表面带走发电机组散发热量后经排气百叶窗排出箱体。
在箱体内壁和底部贴装有降噪保温棉，用于吸音降噪和保温，阻止内部热量通过箱体壁向外传导、辐射流失内部加热热量。
温度检测单元可将箱外、箱内温度参数通过RS485通信接口上传基站动力环境控制系统，便于监控中心人员及时了解发电机组状况，如加热系统是否正常工作、柴油发电机组是否处于合适的启动温度等。
油箱加热保温层结构如图3所示，油箱表面采用电加热的伴热带包缠，该电加热伴热带加热电源与空间加热器共用通信基站市电电源。
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图2 柴油发电机冷却空气流动路径示意图 |
图3 柴油发电机油箱加热保温层结构示意图 |
在油箱内部贴壁多点安装有温度传感器，控制加热温度始终保持在10℃以上，伴热带外面均匀涂敷20mm厚保温涂层，外部用0.5mm厚铝箔整体包护处理，防止保温涂层脱落及增强美观度。
为进一步提高极低温度（-40℃）下的启动成功率，在柴油发电机组的燃烧空气进气通道处安装有进气预热器，对进入发动机气缸内的空气通过电热元件加热，提高进气温度。进气道预热器加热电源由发电机组启动蓄电池提供，在启动时预热加热器供电。
本技术方案综合利用加热保温技术，并结合通信基站备用电源供电特点，当柴油发电机组处于极寒环境时，油料和箱体内发动机等均可保持在10～15℃的适宜温度，始终保持良好起机备用状态。该方案可以实现在极低温度（-40℃）环境中发电机组的可靠启动，在环境温度为-40℃时，发电机组可在10min内顺利启动，并具有在启动成功后3min内可带额定负载工作的能力，并能提高发电机组综合运行的性能，减少寒冷环境金属件冷缩特点引起的过度磨损，延长发电机组的使用寿命。
总结：
风冷式柴油发电机组以其高效能、节能环保的优势成为了现代社会中的主流小型发电设备。风冷柴油发电机可以适应各种应用，由于其主要独特之处在于它们能在较高的工作温度下工作，并能迅速预热，这样可以大大降低气缸孔和活塞环的磨损。在大多数情况下，使用风冷柴油发电机是长期运行的关键，如海上和导航浮标、灯塔或电信设备。也常用于在灾区工作的响应小组。在使用风冷柴油发电机时，火灾、洪水、雪崩或地震区域往往充满碎片和灰尘，不易堵塞。考虑到风冷柴油发电机容量小，故障发生率要低得多，在战斗条件下，可以可靠地使用风冷柴油发电机进行军事行动。随着科技的不断进步和应用的广泛推广，风冷式柴油发电机组必将带来更多的便利和可能。我们相信，未来的柴油发电机组一定会更加先进、高效和智能，让我们拭目以待。
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