康明斯动力（深圳）有限公司

 

新闻主题	高原低温对柴油发电机的影响

 

摘要：随着国家“西部大开发”战略的实施，适合高原使用的主用电源越来越受到重视，而最受高原影响的柴油发动机是否具备稳定性能也越来越受到关注。本文以某高原低温地区康明斯柴油发电机为例，对其具体柴油发电机冷启动性能和运行故障进行分析。研究表明，高原低温地区的柴油发电机在使用时，除了要克服低温缺氧问题，还必须按康明斯技术应用指南进行安装，才能保证设备处于正常运行状态，确保整个供电电源处于安全有效状态。

 

一、高原环境对柴油机性能的影响

 

      由于西方国家高原面积较少且海拔较低，对柴油发动机在高原工作的相关问题研究较少，美国最高峰惠特尼山4418m，俄罗斯最高峰厄尔布鲁士峰5600m，自然他们就不会研制为高原作战而专门设计的装备。我国高原面积辽阔，工程建设和交通运输车辆经常变海拔工作，所以科研工作者围绕着发动机的高原适应问题进行了大量的研究。由于外界气压、气温和沙尘等条件的影响，导致存在以下几个问题：

1、低气温对柴油机的影响

      随着海拔的升高，大气温度逐渐降低，致使柴油机粘度增加，起动阻力拒增大，燃油消耗率增加。海拔升高，温度随之降低，蓄电池内部化学反应变慢，内阻增大，端电压降低，导致放电率下降，致使启动力矩降低。并且燃油粘度增加，形成的混合气质量差，柴油机的燃烧会受到影响。

（1）启动性能的影响

      环境温度是影响冷起动性能的主要原因之一。较低的环境温度直接对缸内压缩温度压力产生不利影响。环境温度过低还将造成燃油喷雾过程恶化。研究表明，冷起动条件下的缸内气体密度与正常工况相比较低，这将导致燃油喷射破碎距离增大，雾化性能变差，附壁燃油量增多。低温燃烧曲线如图1所示。

（2）喷油正时的影响

      喷油正时是影响冷起动过程缸内混合气形成及着火性能的重要因素。在冷起动过程中，发动机转速较低，虽然缸内压缩压力和温度较低造成滞燃期变长，但相同喷油持续时间所需要曲轴转角则变小，这时，适当推迟喷油，有利于燃油的雾化蒸发，使得冷起动性能提高。若过早喷油时，缸内的压力温度很低，导致滞燃期较长，且使得燃油喷射贯穿距离变长，将导致严重的燃油附壁现象。而当喷油时刻靠后，则使得滞燃期延伸到膨胀行程中，这时活塞下行，缸内容积逐渐增大，混合气的焰前反应速率减缓，滞燃期将拉长，使得着火时刻落在膨胀行程中远离上止点的位置，造成燃烧着火性能变差。若喷油时刻过于靠后，甚至会导致混合气在膨胀行程中的焰前反应中止，无法着火燃烧，出现失火现象。柴油机不同海拨全负荷喷油量分布如图2所示。

（3）燃料特性的影响

      燃料特性对冷起动过程的影响主要是由十六烷值和挥发性决定的。燃料的挥发性较好时，有利于缸内可燃混合气的形成，提高发动机的着火燃烧性能。十六烷值则主要影响混合气的滞燃期。当十六烷值由50变到60时，其对滞燃期的影响很小；而当十六烷值降到50以下时，滞燃期将随十六烷值的降低而迅速增大。

（4）压缩比的影响

      压缩比是影响缸内压缩压力和温度的一个最重要的影响因素。提高压缩比，增大缸内压缩终了的压力和温度，一方面有利于改善燃油喷雾性能，减小燃油附壁量，促进油滴蒸发；另一方面则有利于提高混合气焰前反应速率，缩短滞燃期。较高的压缩压力和温度能够有效缩短混合气的滞燃期，且可以显著减小燃油的附壁量。虽然提高压缩比有利于改善柴油机的冷起动性能，但实际压缩比的选择时必须综合考虑发动机的经济性、排放及强度。目前，在高增压大功率柴油机中，为了限制发动机的最高爆压，多采用了降低压缩比的方式，这将导致冷起动性能变差。

（5） 缸内累积燃油的影响

      缸内累积的附壁燃油对实际压缩比产生一定的影响，且由于附壁燃油的蒸发，将使得缸内总的燃油蒸汽浓度增大，这些因素将有利于促进缸内混合气的着火。，在冷起动过程中，前一不着火或着火性能较差循环中滞留燃油的蒸发，将对下一循环的燃空比产生一定的影响，从而影响该循环缸内混合气的着火燃烧性能。

 

图1 柴油机低温燃烧曲线图

图2  柴油机不同海拨全负荷喷油量分布图

 

2、 低气压对柴油机的影响

      随着海拔的升高，大气压力下降，导致柴油机燃烧室气密度下降，过量空气系数降低，燃烧过程缓慢，热效率利用较低，导致柴油机排放量增加，动力性能下降。

      另外“开锅”现象也是我们要注意的，一般柴油发动机冷却水的温度是在90℃左右，但随着海拔的升高，气压逐渐降低，冷却液的沸点也在逐渐降低，所以低气压的情况下极容易出现“开锅”，导致柴油机机体过热，燃烧异常，摩擦磨损加剧，进而使柴油机整体性能下降，甚至缩短使用寿命，所以有必要保持一定的冷却水温度。

3、沙尘对柴油机的影响

      新疆西藏部分地区年降水稀少，空气干燥，蒸发量大，此时空气中尘土含量可达15g/m³，空气中灰尘较多，大量的颗粒就会在滤清器外表面上堆积，引起进气压力降低，充气量严重不足，造成发动机功率下降。长时间在此环境中工作会使沙尘进入到发动机内部，使发动机各机件磨损加剧，缩短使用寿命。另外，高原的强紫外线也会加速机组表面橡胶、塑料、油漆等高分子老化，龟裂。

      图3和图4为不同转速、部分负荷工况下柴油机特性参数随海拔的变化。随着负荷增加，柴油机过量空气系数降低，涡前排气温度升高，燃油消耗量升高，有效燃油消耗率先降低后升高。随着负荷增加，柴油机喷油量增加，增加了混合气中油的比例，燃烧释放热量增加。随着海拔升高，过量空气系数下降，涡前排气温度增加，燃油消耗量降低，有效燃油消耗率增加。

 

1500转速下柴油机特性变化曲线

1800转速下柴油机特性变化曲线

 

二、高原常见故障现象及处理方式

 

      与普通平原对比，高原低温地区的环境比较特殊，实际柴油发电机在工作时，会消耗更多的燃油，进而产生大量热负荷，最终对发电机的参数和功率产生影响。为此，相关使用人员需要根据柴油发电机所处环境，对其常见故障问题进行考虑，并制定有效的管理措施，避免为企业带来更大的经济损失，维护高原低温地区柴油发电机始终处于正常运行状态。

      由于高原地区的气压低，空气稀薄，含氧分量少，特别对于自然吸气的柴油发电机，虽然柴油机基本结构相同，但各种型号的柴油机标定功率不同，因此它们在高原的能力是不一样的。因进气量不足而燃烧条件变差，不能象在平原上那样燃烧那么多的燃料而损失一些功率，电气设备的安全运行往往受环境因素影响较大，经常出现故障现象，如启动点火困难、涡轮增压器冒烟等等，从而为整个发电机使用后续运行带来极大威胁。

1、功率不足

      由于高原地区的气压低，空气稀薄，含氧分量少，环境温度低，特别对自然进气的柴油机，因进气量不足而燃烧务件变差，使柴油机不能发出原规定的标定功率（曲线如图5所示）。即使柴油机基本结构相同，但各型柴油机标定功率、排量、转速不同，因此它们在高原工作的能力是不一样的。在高原使用时每升高1000m，功率非增压机降低约6-10%，增压机约为2-5%，因此在高原长期使用时应根据当地的海拔高度，适当减小供油量（曲线如图6所示）。考虑到在高原条件下着火廷迟的倾向，为了提高柴油机的运行经济性，一般推荐非增压柴油机供油提前角应适当提前。由于海拨升高，动力性下降，排气温度上升，因此用户在选用柴油机时也应该考虑柴油机的高原工作能力，严格避免超负荷运行。据近年来的试验证明，对高原地区使用的柴油机，可采用废气涡轮增压的方法作为高原功率补偿。通过废气涡轮增压不但可弥补高原功率的不足，还可改善烟色、恢复动力性能和降低燃油消耗率。

 

图5  高海拔全负荷工况下柴油机功率曲线图

图6  高海拔全负荷工况下柴油机燃油消耗量曲线图

 

2、启动前预热不足

      高原低温区域内，柴油发电机附近的温度往往以0℃以下为主，此时，柴油发电机水箱和内部冷却液与环境温度接近。在发电机处于停运状态时，内部润滑油全部流入底部，后续启动时，润滑油也无法呈现出良好的润滑作用，再加上周围温度较低，导致金属部件萎缩严重，齿轮之间的间隙变小，增加整个系统的启动难度。在上述故障问题解决上，使用人员首先要做的就是进行发动机预热元器件检查操作，看其是否处于正常运行状态，之后加装一套电热塞以加热柴油发动机内的空气-燃料混合物，使得可改善冷条件期间的发动机起动。发动机汽缸中的电热塞可升高发动机汽缸内的温度，使得当汽缸中的活塞接近上止点压缩冲程时，汽缸内的空气-燃料混合物可在增加的汽缸压力下点燃（最高燃烧压力曲线如图7所示）。因为发动机趋于加热空气-燃料混合物，所以当发动机温暖且被重新起动时可停用电热塞。

3、启动运行冒烟

      高原环境下的空气稀薄，含氧量较低，发电机在冷启动时容易出现冒黑烟现象，排气管还会出现水滴现象。这种黑烟的出现，往往是因为柴油机超负荷运行，或者是突然加大油门导致的。黑烟时柴油不完全燃烧的写照，如果柴油机负荷较大，会增加整个燃烧室温度，再加上喷入的燃料较多，混合气体无法充分燃烧，最终聚合成黑烟。该类故障的解决，使用人员可以选择定期更换空气滤清器以及燃油滤清器，强化对涡轮增压器的维护检查力度，保证发电机内部的进气压力和含氧量。除此之外，使用人员还要对缸体气密性进行检查，避免由于漏气问题出现燃烧室压力不足现象。

4、排气管振动断裂

      自柴油发电机组投入应用后，往往会安装在一个狭小空间内，通风状态不佳。另外，在发动机底座设计时，还要加装缓冲胶点，在散热器封口处，还要设计无遮挡物体。若没有满足上述条件，应进行改进。首先，高原地区空气稀薄，通风条件不佳，导致排气回路出现严重发热现象。其次，发电机底座没有设置缓冲胶垫，发电机在运行时抖动严重。为此，在实际排气回路设计时，使用人员需要将排气主管和消音器应用三脚架固定在墙上，支撑起整个排气回路，之后加装中间伸缩管，展示出减震散热效果。在末端设置消音器，避免由于高温现象导致壳体出现断裂或者是变薄等问题。

5、散热不足

      由于海拨的升高，水的沸点降低，同时冷却空气的风压和冷却空气质量减少，以及每千瓦在单位时间内散热量的增加，因此冷却系统的散热条件要比平原差。一般在高海拔地区不宜采用开式玲却循环，可采用加压的闭式冷却系统以提高高原使用时冷却液的沸点，闭式循环冷却系统结构如图8所示。

 

图7  高原柴油机最高燃烧压力曲线图

图8  柴油发电机闭式冷却系统

 

 

三、采用的改善措施及效果

 

     改善柴油机的冷起动性能除了对柴油机自身进行优化设计外，最重要的是采用低温辅助措施。目前，柴油机都采用低温起动辅助措施辅助柴油机在低温环境条件下顺利起动。低温起动辅助装置主要有两类：应急起动辅助装置和升温起动辅助装置：低温起动辅助预热装置主要有进气预热装置、燃烧室电热塞、蓄电池加热保温装置、燃油加热器以及其他辅助措施等。

1、采用低温用蓄电池

      选用免维护蓄电池，可在-40℃环境条件下正常工作。另外也可以给采用给蓄电池加装保温措施来降低电解质黏度，增加蓄电池的蓄电量。

2、选择合适的柴油标号

      不同标号的柴油理化指标不同，理论选用原则是柴油的凝点应该比环境温度低5℃左右为宜，一般规定在10月份气温降低时加注-10#柴油，根据气温下降幅度和时间逐步延伸到-20#和-35#柴油。

3、选择低温润滑油

      使用5W/40四季通用机油，环境温度范围-15℃～30℃，基本能满足要求，低温下机油粘度增加不明显。另外在进入冬季前提前对发电机组的防冻液冰点进行检测，冰点在-35℃以上的进行更换。

4、安装预热装置

      主要是通过预热装置在发动机冷态启动前对吸入的空气进行加热，提高柴油机的起动性，即使在起动后，依据当时的冷却液温度，对空气继续加热一段时间，同时还可以减少柴油机爆震和冒白烟。

 

四、预热方式优缺点

 

      一般来说，柴油发电机可通过加热燃油和预热气缸的方式，可以提高柴油机的起动性能和燃烧效率，减少磨损和排放污染物的产生。加热过程和预热装置组成如图9、图10所示。

表 1       提高柴油温度的方式和优劣性对比

 

1、 利用冷却液预热柴油

      在一台柴油发电机上安装两个柴油箱，一个油箱盛装0#柴油，另外一个根据温度盛装负号柴油。低温启动时首先接通负号柴油的箱内的负号柴油来启动柴油机。在发电机组正常运行后通过柴油机的冷却液循环给0#柴油箱加热，达到一定的温度后切换燃油供给系统开关，开启0#柴油箱，使用0#柴油正常工作。

（1）优点：

      改动量小，但需要在0#柴油箱内安装盘管循环冷却液来加热柴油。

（2）缺点：

① 需要将燃油供给系切换到负号柴油箱并运转一段时间，以便管路内充满负号柴油，避免停机后管路内的0#柴油凝结造成堵塞，操作流程较繁琐，因疏忽忘记切换时可能导致下次无法起动。

② 在遇到发电机组突发故障被动长时间停机时可能堵塞管路。

③ 由于冷却液工作温度大约在85℃～95℃之间，发电机组正常运行时冷却液对0#柴油箱持续加热，无法控制温度，容易增加油耗且有安全隐患。

2、 安装液体燃油加热器

      在机上安装专门的液体燃油加热器，使用12V～24V直流电源，由电动机、燃烧室、水套体、水泵等组成。电动机带动油泵、助燃风扇及雾化器转动，油泵吸入的燃油经输油管送到雾化器，雾化后与助燃风扇吸入的空气在主燃烧室内混合，被电热塞点燃，在后燃烧室内充分燃烧后折返，经水套内壁的散热片将热量传给水套夹层中的冷却液介质，被加热介质在水泵的作用下，在整个管路系统中循环，达到加热的目的。

（1）优点：

① 可以与发动机及强制散热器等辅助散热装置组成循环系统，也可以单独与散热器、除霜器等组成循环系统。

② 可以通过冷却液同时加热柴油箱和发动机达到工作温度，且温度可控。

③ 允许发电机组油箱加注低于当前环境温度推荐标号的柴油。

（2）缺点：

① 对发电机组的管路改动较大。

② 该加热器需要独立的且加注符合环境温度推荐标号的柴油。

③ 预热时间需要10～15分钟。

3、直接电热塞或加热管加热

      使用发电机组自带的蓄电池供电，在特制的油管内穿一根发热丝给柴油机进油管加热，配合使用棒式的加热器插进油箱内加热燃油，使燃油保持一定的温度。

（1）优点：

      仅需要更换燃油供给系的部分管路，不改变原机结构，不破坏油箱整体封闭性。

（2）缺点：

① 发热丝与柴油直接接触，可能存在很大的风险，易导致油管老化，使用寿命短，耗电量大。

② 随着柴油的消耗，油箱内的油液面不断下降，暴露的部分变大，无用功耗电散热加大，而浸泡在燃油液面下的部分加热变慢，燃油温度不稳定，进而使发动机工作不稳定，耗能多，而且燃油加热温度不可调控，易使燃油变异，对发动机有损，更不能进行恒温安全控制而造成耗油量增加。

③ 由于柴油滤芯无法通过该种方式加热必须拆除，可能因为柴油内的颗粒物造成喷油器堵塞等问题。

 

图9  柴油机冷却系统加热过程示意图

图10  柴油发电机加热器组成

 

总结：

      综上所述，从实际柴油发电机故障问题分析中可以看出，相关使用人员需要对设备运行常识等内容进行全面了解，依照具体分析结论执行维修改进操作。另外，还要做好消缺保养以及正确的规范操作，将设备使用价值更好的呈现出来，只有这样，才能避免电源故障，为高原低温区域柴油发电机运转提供有利条件。针对在特殊工况下进行高原冷起动，康明斯公司在本文分析了在高原环境下柴油机冷起动困难的原因，以及研究了影响柴油机冷起动性能的因素。此外，还介绍了提高低温冷起动能力的方法与措施，为柴油机的低温冷起动的研究提供了方法与指导。

 

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