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柴油发动机的启动方式及辅助装置介绍 |
摘要：柴油发动机根据用途和制造商的不同，其使用的启动系统也将不同，柴油发动机常见的启动方式分为人力启动（手摇式）、电启动（蓄电池）、气起动和液压启动等起动马达。其中电启动方式是柴油发动机最普及的装置，由于使用方便，维护简单且工作稳定受到市场的普遍接纳。下面由康明斯发电机公司为你介绍柴油发动机启动系统工作原理、启动方式和辅助装置的知识。
一、启动系统工作原理
发动机由静止状态转为运转状态，必须依靠外力助推动曲轴转动，才能得到初始的进气、压缩、燃烧作功等几个过程，产生动力，使发动机连续不断地循环运转。发动机从静止状态到开始运转的全过程，称为启动。完成启动所需的一系列的装置，称为发动机的启动系统，其原理如图1所示。
发动机启动时，必须克服汽缸内被压缩的气体阻力和发动机本身运动件及附件所产生的各种摩擦阻力和惯性力。克服这些阻力所需的力矩称为启动力矩。为保证发动机顺利启动所必需的最低转速称为启动转速。对于柴油发电机，在0℃以上时，要求启动转速为（250～300）转/分。由于柴油发电机压缩比大，运动件惯性力大，启动转速也较高，因此，它的启动功率比同功率的汽油机大（3～4）倍。
为了保证发动机在任何温度条件下都能可靠地启动，尤其是柴油发电机，通常采用各种便于启动的预热装置，对进入汽缸的空气或冷却水套、下曲轴箱（油底壳）进行预热，一方可增加汽缸内空气的起燃温度，一方面使各润滑而的机油不致粘滯，减小引动时所需扭矩。在柴油发电机上还装减压机构便于启动。以电启动系统为例，结构如图2所示。起动机的主要组成如下：
1、直流电动机
用于将蓄电池输入的电能转换为驱动发动机转动的机械动力(电磁转矩)。
2、传动机构
用于将电动机的动力(电磁转矩)传递给发动机飞轮，并在发动机起动后自动断开发动机向起动机的逆向动力传递。
3、电磁开关
控制起动机驱动齿轮与发动机飞轮的啮合与分离以及电动机电路的通断。
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图1 起动机工作原理图 |
图2 起动机结构图 |
二、启动方式
1、人力启动
（1）手摇式启动
一般在20KW以下小功率发动机采用人力启动，这是最简单的启动方法，通常用手摇柄或索直接转动曲轴，使发动机启动。
（2）机械储能式启动
弹簧储能起动机也称弹簧马达，外形如图3所示。其原理是将人力多次转动的机械能量，以弹簧作为介质储存起来，一次性释放，从而起动发动机，是“黑启动”或“瘫船启动”的最佳解决方案，弹簧储能起动机可以有效的妳补电起动的不足，保证发动机在蓄电池亏电状态下（蓄电池不能带动电起动机，但可以正常给发动机控制单元供电）仍然可以正常起动。
现有的手摇蝶形弹簧储能起动机主要由四大机构组成，即盘动机构（储能轴头等部件）、储能机构（弹簧、输出主轴、齿轮等组件）、释放机构（释放手柄等部件）和离合机构（离合器），摇动盘动机构，增加弹簧的储能，释放能量时，释放机构工作控制离合机构工作，使得储能机构的输出主轴转动，并通过齿轮带动发动机曲轴转动，从而达到起动发动机的目的。相对气马达及液压马达，弹簧储能起动机是一套集成的完整系统，无需依赖其他外部能源、无需维护保养的备用起动装置，仅需人力摇动就可以起动50L排量以内的柴油机。适合于柴油机有应急起动要求的场合，如军用野战电源、船用应急发电、抢险\救援\应急发电和水泵机组等。
2、电启动
直流起动机启动方法广泛用于各种现代发动机和各种用途的柴油发电机。这种方法是用铅酸蓄电池作电源，由专用的直流启动起动机拖动发动机曲轴旋转，将发动机发动起来，所以也叫“电启动”，外形如图4所示。为保证启动可靠，延长蓄电池的使用寿命，每次启动通电时间不得超过15s，连续使用不得超过3次，而且各次之间的间隙时间不少于1min。
柴油发电机的启动起动机功率Nq，其公式为
Nq=（0．02～01）Ne（kW)
式中，Ne—为柴油发电机输出的有效功率。
启动用蓄电池电压为（12～24）V，容量为（100～200）Ah。
电启动目前柴油发电机中最常见，最普及的起动方式，也因其大量使用而成本相对也较低，通过电路设计可以实现远程和自动起动功能。整套电起动系统需要：电马达，电池，控制组件、电缆，充电机等。
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图3 弹簧储能起动机示意图 |
图4 康明斯电启动马达外形图 |
3、气启动
对于功率较大的柴油发电机通常采用压缩空气启动，其方法有两种：
（1）压缩空气起动
压缩空气起动就是具有一定压力的压缩空气，再用空气分配器將压力为（2450～2940）kPa（25～30kgf/cm2）的高压空气，按照柴油发电机的工作次序送入各个汽缸，直接推动活塞完成自行点火。压缩空气起动的起动能量大，启动迅速可靠，在紧急情况下可用压缩空气进行刹车，但该装置构造复杂，重量较重，故此法一般适用于缸径≥150mm的柴油发电机。
（2）气动马达启动
气动马达也称为风动马达，是指将压缩空气的能量转换为旋转的机械能的装置，外形如图5所示。一般作为更复杂装置或机器的旋转动力源。气动马达按结构分类为：叶片式气动马达，活塞式气动马达，紧凑叶片式气动马达，紧凑活塞式气动马达。整套气起动系统组成由气马达，油水分离装置，控制组件，高压管道，储气罐，空压机等。
4、辅助汽油机启动
工程机械用柴油机，通常采用辅助汽油机启动。启动时先用人力启动汽油机再通过传动装置带动柴油发电机启动。
5、液压启动
液压起动器又叫液压起动马达、液压马达，是利用液压能驱动柴油机飞轮齿圈实现柴油机点火起动的马达称为液压起动器，外形如图6所示。事实上，液压起动依靠的是一套完整的液压系统，并不仅仅只是一个液压马达。整套系统基本包含油箱，液压起动马达，液力发生装置，过滤器，压力计，储能器，控制阀、高压油管等。价格十分高昂。一般只适合于特殊的应用工况。
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图5 气动马达结构图 |
图6 液压起动马达结构图 |
三、柴发启动的辅助裝置
1、减压机构
（1）减压机构的作用
使气门不受凸轮和气门弹簧的控制而进行启动，汽缸内的压力不会因压缩而升高，从而减小启动时汽缸内的压縮阻力。
（2）减压机构工作原理
它用凸轮将配气机构推杵顶起，使进气门处于开启状态。
2、减速机构
在起动机的电枢轴与驱动齿轮之间装有齿轮减速器的起动机，称为减速起动机，结构如图7所示。串激式直流电动机的功率与其转矩和转速成正比，可见，当提高电动机转速的同时降低其转矩时，可以保持起动机功率不变，故当采用高速、低转矩的串激式直流电动机作为起动机，在功率相同的情况下，可以使起动机的体积和质量大大减小。但是，起动机的转矩过低，不能满足起动发动机的要求。为此，在起动机中采用高速、低转矩的直流电动机时，在电动机的电枢轴与驱动齿轮之间安装齿轮减速器，可以在降低电动机转速的同时提高其转矩。
3、预热装置
众所周知，柴油发电机是靠高温高压使柴油自燃，因此，柴油发电机启动时，汽缸内温度的高低，对启动柴油发电机影响很大，尤其环境温度低的情况下，影响更大，所以用直流起动机启动的柴油发电机，通常在辅助燃烧室中装设电热装置，以便柴油在燃烧室内容易雾化形成可燃混合气。一般柴油发电机预热装置大部分采用水套加热器，其外形结构如图8所示。
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图7 启动马达的二级减速机构 |
图8 水套加热器外形尺寸图 |
四、启动系统改造措施
发电机组的控制柜供电电源为2组24V蓄电池，每组蓄电池的容量（24V，160Ah）能满足柴油发电机组启动要求，在蓄电池充满电后每组蓄电池能保证连续启动3次，两组共保证6次。2组蓄电池处于一主一备状态，具有自动切换功能。两套启动系统的切换逻辑是通过两组启动蓄电池的电压低信号进行切换，一主一备，启动过程中主用蓄电池的端电压低于23.2V，则切换至备用蓄电池启动，但只要主用蓄电池的端电压恢复至23.2V，则断开备用蓄电池，还是通过主用蓄电池来启动，当然，所有的这些切换时间，均应在柴油发电机组的一个启机时间间隔（5S）之内。这些逻辑都是通过电控柜的继电器来实现的。
1、启动成功率低及原因分析
（1）柴油机启机系统自动切换逻辑的因素。
在应急柴油发电机组启动过程中，两套启机系统之间频繁自动切换，难以给机组提供持续的启动力矩，造成柴油发电机组启机能力不强，尤其是大修解体之后，首次启动成功率较低。
（2）柴油机启机系统充电装置的因素。
由于某些用户充电装置的产品型号陈旧，性能不稳，特别是出现过柴油发电机组启动蓄电池失效后检查发现非工作状态下初始电压即低于24V的情况，分析认为存在充电器无法将蓄电池充足的问题。
（3）柴油机启机系统蓄电池容量的因素。
鉴于以往机组大修后应急柴油发电机组启动试验中，应急柴油发电机组在一个启动信号周期（5S）内，两套蓄电池的电压一共下降了12次（每套蓄电池均下降了6次），并且随着蓄电池供电次数的增加，蓄电池的恢复电压（负荷切除后的电压）逐次下降。即应急柴油发电机组启动后，蓄电池电压在平均约0.4S就下降到了23.2V而导致了两套蓄电池的切换。数据还仅是LLS柴油发电机组1次启动而采集的数据，而实际上蓄电池的供电是为3次正常启动而设计的，由此就工程实践中负荷的要求来看目前的蓄电池容量有必要进行扩容。蓄电池容量需要进行扩容的另一个原因是其工作的环境因素即温度因素。在电池温度降低的情况下，特别是在温度低于10℃时，其放电容量会有大幅降低。因此蓄电池工作温度是蓄电池容量选择中不得不考虑的一个重要因素。
2、启动成功率低的改进方案
（1）改进启机系统的切换逻辑。
为了验证是否可以通过一套发电机组启机系统就能成功完成发电机组系统的成功启动，在通过短接触点的方式闭锁两套启机系统自动切换以实现仅通过一套启机系统来完成启动。通过蓄电池电压波形来确认两组电池没有进行切换。仅用一套启机系统进行启动的试验结果表明：在试验过程中，仅有一套启机系统在工作，即可一次成功启动。即可考虑修改两套启机系统之间的自动切换逻辑，以减少2套LLS系统启机系统的切换频度，为LLS柴油机系统提供了持续可靠的启动力矩，并保护启动电机免受冲击。
（2）调整启机系统的切换定值。
由LIS启机系统单套启机系统进行启动的试验可知，单套启机系统就能完成应急柴油发电机组的正常启动。由于采用PLC控制，而PLC的电源要求直流24V，范围-15%~20%（20.4V~28.8V），启动蓄电池在柴油发电机组启动时电压低于20.4V有可能影响柴油机启动性能，结合《电力工程直流系统设计技术规程》DL/T5044-2004中对于蓄电池出口端电压在放电情况下的电压下限的要求：专供动力负荷的直流系统，应不低于直流系统标称电压的87.5%。对于应急启机系统的24V电压而言，其端电压的下限应为24*87.5%=21V，可考虑将启机系统的切换电压定值调低到21V。
总结：
通过对启动系统一次成功率低进而导致发电机组系统可靠性低的原因分析，提出了3大类改进方案：修改切换逻辑（修改电压低切换定值和增加电压低切换的延时环节）、充电装置换型和蓄电池扩容。以上三种改进方案可以相互独立，均可以在一定程度上提高应急柴油发电机组启动成功率，基于经济性和技术可行性的考虑，优选修改切换逻辑（增加电压低切换的延时环节）和充电装置换型方案，将修改切换逻辑（修改电压低切换定值）和蓄电池扩容作为备选方案。对于出现类似发电机组一次启动成功率低的电厂，在无条件或短期无法修改启机逻辑和充电器换型的情况下，也可根据自身情况采用备选方案：“修改电压低切换定值”和“蓄电池扩容”，以此提高发电机组启动的可靠性。
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