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操作使用与维护保养 |
柴油发电机启动条件和对蓄电池的要求 |
摘要：柴油发电机、起动机与蓄电池三者关系是柴油机决定所需起动机功率，起动机功率决定所需蓄电池容量。故进行起动机设计之前，对三者进行相应的匹配分析估算，比较合理地确定柴油机需配起动机的性能参数，有利于更好地为柴油机服务，有利于提高起动系统工作的可靠性、耐久性、经济性。起动机工作的环境温度按标准为-30~105 ℃，但由于高温时起动困难，属于不正常的情况，不予考虑范围内。康明斯公司建议按-18 ℃低温情况进行柴油机所需配套起动机的功率估算，这样既符合绝大多数柴油机处于较恶劣环境下的工况，基本上能满足柴油机对起动机的性能要求，又有利于起动系统的经济性。对低于-18 ℃的低温起动，宜由柴油发电机生产厂家针对性研究进行功率匹配。
一、柴发的启动条件
使柴油发电机从静止状态过渡到工作状态的全过程，叫柴油发电机的起动，完成起动所需要的装置叫启动系统，柴油机与启动系统之间关系如图1所示。启动系统电路如图2所示，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电动机的绕组，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。
柴油发电机的设计是在-15℃环境温度时，不依靠低温起动装置能够顺利起动，因此需要起动机提供125 r/min 以上的拖动转速。起动机电压如为24V，柴油机起动条件如下：
（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。
（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。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1 柴油机起动机与蓄电池关系图 |
图2 柴油机启动系统电路图 |
二、柴发对启动系统的要求
起动机是柴油发电机电启动的必备装置，起动机主要包括电动机、电磁开关、离合器以及减速机构，结构剖面图如图3所示。电动机引入来自蓄电池的电流并且使起动机的驱动齿轮产生机械运动；传动机构将驱动齿轮啮合入飞轮齿圈，同时能够在发动机起动后自动脱开；启动机电路的通断则由一个电磁开关来控制。其中，电动机是起动机内部的主要部件，电动机包括必要的电枢、换向器、磁极、电刷、轴承和外壳等部件。
1、起动机额定功率对蓄电池的要求
当柴油发电机在-15℃以下的北方地区和在2000 m 海拔以上的高原地区使用时，应采用高容量蓄电池和低温蓄电池，以补偿起动电流因温度下降而造成的损失。
表1 起动机功率和蓄电池容量之间的匹配参数
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起动机功率kW
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一般地区使用
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北方和高原地区使用
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||
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蓄电池容量
AH
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冷启动电流
AH
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蓄电池容量
AH
|
冷启动电流
AH
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3.7
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≥100
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300
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≥120
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400
|
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3.7
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≥120
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360
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≥150
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450
|
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4.8
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||||
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5.5
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≥135
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405
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≥165
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495
|
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6.6
|
≥150
|
450
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≥180
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540
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|
8
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≥180
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500
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≥195
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600
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2 、电池连接线的要求
蓄电池和起动机之间的电缆连接如图4所示。起动机回路允许的最大电阻为0.004 Ω，因此，正确选用电线的截面积很重要，而且要使电线布置得最短，如果电线过长，选用的截面积要相应加大，因为电路电阻过大，会造成电压降加大，会发生起动机的齿轮啮合不良，或者起动转速过低，使低温起动性能恶化。根据起动机的额定功率，推荐电线的截面积见下表2。
表2 起动机和蓄电池之间连接电缆的匹配参数
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起动机额定功率（kW）
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≤4.5
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≤6.0
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≤7.0
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≤9.0
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起动机电源线截面积（mm2）
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50~60
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60~85
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85~100
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100~150
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啮合开关线截面积（mm2）
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≥8
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≥8
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≥8
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≥8
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5、蓄电池要求
蓄电池的容量用20小时率额定容量C20（A·h）表示，它是在-18℃±1℃环境中，以规定的冷却起动电流If=3·C20（A）放电60 s，蓄电池中单体蓄电池的平均电压不得低于1.4 V。
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图3 柴油机启动马达结构和电路示意图 |
图4 柴油机启动马达和蓄电池接线图 |
三、起动机功率与蓄电池容量的确定
1、起动机功率的选择
起动机的功率P（kW）应根据柴油机起动所需功率选取，它取决于柴油机的起动阻力矩MQ（N·m）和最低起动转速nQ（r/min），并可由式1计算：
P≥MQnQ/9550..........................（公式1）
（1）起动阻力矩
柴油机的起动阻力矩是指在最低起动转速时的柴油机阻力矩，主要包括气缸气体压缩阻力矩、运动件的摩擦阻力矩和惯性力矩。
M=C₀V..........................（公式2）
式中，M——温度为0℃时柴油机的阻力矩；
V——柴油机的工作容积（L）；
C₀——系数，不同柴油机的系数。
（2）最低起动转速
柴油机的最低起动转速是指起动时能保证进入气缸内的混合气在压缩终了时具有一定的温度和良好的雾化，能使柴油机可靠点火发动所需的最低转速。柴油发电机的最低起动转速为100～200r/min。
温度为0℃时柴油机起动所需功率可由经验公式3推算：
P=（0.74～1.1）V..........................（公式3）
2、传动比选择
起动机与柴油机的传动比一般在如下范围内选择：柴油发电机为8～10。
3、蓄电池容量的选择
起动机的功率确定以后，可以按经验公式4确定蓄电池的容量：
c=（610~810）（P/U）..........................（公式4）
式中，U——起动机额定电压（V）;
P——起动机额定功率（kW）;
C——蓄电池额定容量（A·h）。
对于大功率起动机（7.0～10kW），蓄电池的容量可以选择比计算值小一些。
四、启动系统的使用与注意事项
免维护蓄电池是柴油发电机启动工作的电源装置，其性能直接影响柴油发电机正常启动工作，并且应根据启动特性选择适合容量的起动电池。市场通常基于经验，这将导致容量过高，或者无法启动太小的能力。康明斯柴油发电机组所用的启动电池，可以根据CCA来匹配启动马达，合理且最大化的利用电池容量。匹配公式如下：
CCA =（启动马达÷起动电压）×2.5..........................（公式5）
（1）匹配电池前要确认电池安装位置，接线应尽可能靠近起动马达，以缩短电池和马达之间电缆线连接线的长度，同时防止启动时的连接线压降，并且电线用于35平方毫米低压电缆线线。当马达启动电流大时，电压12V和24V启动马达，电缆线的电压降0.5V—1V之间。
（2）蓄电池是柴油发电机出厂的配套包装，就是蓄电池是新的状态时，或者防止了一段时间以后。电池的容量不一定是满荷电状态时，必须按照电池厂家使用规定。对电池进行充电，确保电池是满荷电状态。在柴油发电机组的操作正常工作过程中，通常应该用于观察充电电流的值是否合适。当表指示值接近“0”时，或者当充电器绿灯打开时，柴油发电机电池已至满荷电状态，可以断开充电电源。
（3）柴油机启动马达普通结构如图5所示。为了避免起动后未及时放松开关和误接通起动开关，现代柴油发电机通常会配置带保护功能的启动马达，如图6所示。
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图5 柴油发电机启动马达结构示意图（普通型） |
图6 柴油发电机启动马达结构示意图（带保护装置） |
总结：
综上所述，起动柴油机时，蓄电池必须能在短时间（5～10s）内向起动机连续提供强大的起动电流。柴油机一般需要500～1000A，甚至更大。因此，对发电用蓄电池的基本要求是容量大、内阻小，以保证蓄电池具有足够的起动能力。一般而言，康明斯公司出厂柴油发电机组配置的启动电瓶为铅酸蓄电池，其突出特点是内阻小、起动性能好、电压稳定，此外还有成本低、原料丰富等优点，所以在柴油发电机组上广泛应用。
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