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柴油机低温启动工作的影响与预热器原理 |
摘要：在北方严寒季节，当柴油机冷态起动时，即使压缩充分，由于温度低，喷入的燃油并未升温至自然温度，所以，为便于起动，在冬季应设法将进气、润滑油和冷却水预热，从而改善点火性能。预热系统是柴油发电机所特有的，一般分为两种方式，即室气预热系统和冷却液预热装置。其原理是起动预热系统在柴油机冷态起动前，通过电子装置加热压缩空气，提高柴油机冷起动的性能，在启动后，依据冷却液的温度，将对空气继续加热一段时间，从而减少柴油发电机爆燃与冒白烟的现象。
一、低温启动应具备的条件
当气温在-10℃以下时，柴油发电机冷启动就有一定困难；当气温降至-40℃以下时，不采取一些低温启动措施，则根本无法启动。柴油发电机在冬季低温启动的必要条件如下：
1、必须达到一定的启动转速
柴油发电机的启动转速一般大于100r/分钟，其低温启动主要受启动阻力的影响，启动时曲轴的旋转阻力包括：汽缸内压缩空气的反作用力、运动部位的惯性力、各摩擦副的摩擦阻力等。
2、汽缸内混合气应有足够的压力
柴油发电机的压缩比很高，一般通用机型的压缩比为14～22左右。压缩冲程终了时，燃烧室内混合气的压力应达到3～5MPa。
3、汽缸内混合气应有足够的温度
压缩冲程终了时，汽缸内的混合气要具备足够的温度。一般柴油发电机要求压缩冲程终了时，汽缸内的温度应达到400℃以上。
2、压缩空气中氧气含量应达标
必须有足够多的空气进入汽缸，使压缩空气中含氧气浓度足够，汽缸内形成混合气后才可充分燃烧。
二、低温启动困难的原因
1、摩擦阻力加大
柴油发电机曲轴旋转阻力矩和启动转速在低温条件下主要受机油黏度的影响。随着外界温度降低，机油黏度增加甚至凝结，流动性差，各摩擦副之间的阻力加大，从而加大了曲轴的旋转阻力矩，使柴油发电机启动转速降低。压缩终了时，汽缸内压缩空气若达不到柴油燃烧所需的压力和温度，柴油发电机难以启动。
2、启动功率加大
柴油发电机所选用的机油黏度等级越大，柴油发电机启动所需要的功率也越大。例如，某柴油发电机在-23.3℃温度下，使用SAE10W机油只需3.7KW的启动功率，使用SAE20W机油启动功率则需7.4KW，而使用人人又SAE30W机油启动功率竟增加到11.8KW。
3、柴油的黏度和密度增大
随着外界温度的降低，柴油的黏度和密度均增大，表面张力加大。据测定，当气温从40℃降到-10℃时，柴油的黏度提高83%，密度增大8%。这样就使柴油的流动性变差，雾化不良，延长了着火滞后期，造成柴油发电机启动困难。
4、蓄电池的输出功率减小
蓄电池的最佳工作温度在10℃～40℃范围。在低温条件下，蓄电池电动势变化不大，即环境温度有较大变化时，蓄电池的单格电压下降并不多。但是，随着温度的降低，蓄电池的电解液黏度增大，向极板的渗透能力下降，内阻增加；而为了防止电解液结冰，处界温度越低，越需加大电解密度。同时，启动柴油发电机时，蓄电池的放电电流很大，蓄电池的端电压和容量下降明显。蓄电池输出能力在-30℃时，只有额定输出的34%左右。柴油发电机低温启动时本来就需要较大的启动功率，但是低气温使蓄电池的输出功率减小，无力拖动启动机带动柴油发电机旋转或不能过到最低启动转速，都将导致柴油发电机难以着火运转。
三、柴油机低温预热措施
1、电火焰预热器
进气预预热塞通常装在柴油发电机进气管上，其作用是预热柴油发电机的进气，结构与电路示意图如图1所示。外表绝缘的空心阀体由线膨胀系数较大的金属材料制成。一端与进油管接头相连，另一端通过内螺纹与带有外螺纹的阀芯连接。阀芯的锥形端在预热器不工作时将油管接头的进油孔堵塞。阀体外绕有外表绝缘的电热丝。
起动时，接通预热器电路后，电热丝通电发热并加热阀体，阀体受热伸长，带动阀芯移动，使阀芯的锥形端离开进油孔。燃油流入阀体内腔受热而汽化，从阀体的内腔喷出，并被炽热的电热丝点燃生成火焰喷入进气管，使进气得到预热。当关闭预热开关时，电路切断，电热丝变冷，阀体冷却收缩，其锥形端又堵住进油孔而截止燃油的流入，于是火焰熄灭，预热停止。该装置的最低工作温度为-40℃，使用简单、可靠性高，起动效果良好，但在起动柴油发电机后立即应切忌加大油门运转，否则易造成拉缸事故。起动液 有的康明斯柴油发电机在进气管上装有起动液喷射器。冷起动时将一些易燃燃料喷入进气管，使其与空气一起进入气缸，促使混合气的初次着火。起动液一般由乙醚（64%）、丙酮（16%）、11号润滑油（10%）、硫（添加剂）和石油醚（10%）等混合而成。
2、PTC预热器
PTC预热器是在进气系统布置一个具有一定质量的加热储能体，起动前用小电流将储能体加热到设定温度，起动时储能体可以作为一个热源不断地向进气管内空气提供热量。如图2所示，PTC预热器装置是一种储能型电热陶瓷透气预热加热器，它采用正温度系数热敏陶瓷作为热体。以储热一热交换方式工作，结构为同心分布多级串联散热片形式。正温度系数的PTC电热陶瓷材料是属于铁钛酸钡类半导体，其电阻值可随温度变化而改变，使加热器的电流发生变化，加热温度得到自动控制。当外界温度为20℃时，其电阻仅为0.2～0.4Ω。电路一接通，即柴油发电机起动开关一打开，瞬时加热电流很大，温度迅速升高，1min内即可达到60～80℃，3min内即可达到200℃。此时，电阻值趋向无穷大，电流趋于0，温度不再升高，电路几乎切断。
康明斯6BT5.9柴油发电机装配的PTC预热器，装配在柴油发电机增压器至进气管盖总成之间。PTC预热器电路系统，主要由预热器保险、预热开关、预热时间控制器、预热指示灯、预热继电器和预热器等组成。该装置与常用的火焰塞、电热塞相比，具有结构紧凑、热量集中、热效率高、功耗低、可靠性好、发热体不氧化、寿命长、适用温度范围广等优点。
当柴油发电机在5～-40℃因低温起动困难时，可利用PTC进气预热器先行预热后再起动柴油发电机。其工作过程是拉出预热器气门机构手柄，按下预热开关，时间控制器工作使继电器得电闭合，PTC预热器通电开始预热。经过设定的预热时间（一般为6min），控制器使继电器失电断开，切断预热器电路，同时指示灯闪烁，蜂鸣器鸣叫。此时可起动柴油发电机。起动后关闭预热开关，推回气门手柄。预热器气门机构用以控制进入柴油发电机进气支管的空气流量（车用）。在加热时，减小流量，提高预热效果；工作时则恢复流量。如果使用不当或调整不当，都能造成预热效果不良，或柴油发电机动力下降等人为故障。
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图1 柴油机预热塞结构与电路图 |
图2 柴油机进气预热装置示意图 |
3、燃油加热系统
燃油加热器的工作由电脑控制，操作员可以通过定时器来预选加热时间。燃油加热器不仅可以与柴油发电机冷却系统相连，通过加热由附带水泵强制循环的冷却液在低温起动前对柴油发电机进行预热，而且还可以与发电机组供暖系统相连，这种低温预热方式的整个加热过程需30～40min，能将柴油发电机机体温度加热到40～50℃左右。此时柴油发电机的润滑油也得以加热，润滑油的粘度降低，柴油发电机在低温条件下的润滑条件改善，使柴油发电机顺利起动。
4、水套加热器
水套加热系统则是为柴油发电机组冷却水、润滑油专业预热的一种装置，在工作环境可能低于4℃时，水套加热系统是柴油发动机启动设备时必备的配套装置，它可使机体冷却系统温度达到并保持在要求的范围内（25℃-50℃），由于润滑油受到热传递而间接加热，发电机组也保持一定温度，冬天防止柴油发电机组冻裂，从而使柴发机组时刻处于热备用状态，不管严冬腊月，柴油机在严寒低温状态下也能够快速、稳定、可靠地应急启动，并在最短时间内加载到全负荷，机组的机械磨损降低，输出功率稳定。
在水套加热系统供电线路的JK继电器中间串接入一个温度控制器和一个JK1固态继电器，温度控制器的温度传感器接到金属水管壁上，以此实时采集水温，然后通过温度控制器感应环境温度的变化，进而精确地控制水套加热系统供电线路的导通与断开。
通过对柴油发电机组加装水套加热系统，柴油机始终处于良好的暖机待运行状态，有效精准地控制水套加热系统的水温温度，远程监控客户端监测发现柴油发电机组的水温能够很好地控制在25度到50度之间，延长了加热器设备以及冷却水管路的使用寿命，减少了柴油机维护工作量，杜绝了水套加热系统在高温度环境下无效运行情况的发生，节约了电能。
5、电控系统冷启动技术
电控ECM 可根据柴油机冷却液温度决定预热时间（前预热、预热、后预热）、预热塞继电器及QOS 指示灯的动作。QOS系统可提高低温时启动性能、并可减少启动后的白烟及噪音。钥匙开关 “ON”位置，ECM根据来自冷却液温度传感器（ECT）的信号，检测出柴油机冷却液温度，通过改变预热时间，得到最佳的启动条件。同时，利用后预热，保证启动后，柴油机在怠速能稳定地运转。 柴油机预热系统启动曲线如图3所示，其原理如图4所示。
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图3 柴油机预热系统启动曲线 |
图4 电控柴油机预热系统原理图 |
总结：
综上所述，柴油发电机的预热原理对于保证发动机的正常运行和延长使用寿命具有重要意义。在实际操作中，应充分了解柴油机预热装置的原理和特点，按照规定进行维护与保养，确保预热系统始终处于良好的工作状态。同时，应注意观察发动机的运行状况，如发现异常应及时处理，以保障柴油发电机组的正常运行和延长使用寿命。
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