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柴油发电机启动系统的组成和作用 |
摘要：柴油发电机电起动系统主要由起动机、蓄电池、充电发电机、调节器和电池连接线等组成。启动系统的功用是把来自蓄电池的能量转换并传送到用于转动柴油机的起动机上，再由起动机带动飞轮旋转，使柴油机进入自行运转状态。在完全着车进入工作状态后，起动机停止工作自动退回原位，至此，启动过程全部完成。康明斯公司在本文中阐述了柴油发电机启动系统的结构组成、启动条件和要求，以及常见柴油机启动故障的原因分析，供于用户借鉴。
一、起动系统的基本组成
柴油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，使柴油机连续不断地循环运转。柴油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，称为柴油发电机的启动系统。
1、起动机
柴油发电机的起动机是四极四刷串激直流电动机，外观模型如图1、图2所示。这种电动机的特点是，轻载时，其电磁转矩与电枢电流的平方成正比；负载增加时，电磁转矩增加很快，但负载较大时，通过的激磁绕组电流也增大，铁心趋于饱和，尽管流过激磁绕组的电流随负载增加而增大，但磁极的磁通却变化不大，因此，它的电磁转矩与负载电流成正比，适合作启动电动机。ST614型启动电动机带弹簧脱离装置，康明斯型启动电动机带有螺旋花键装置。它们均能在柴油发电机启动后自动脱离，防止转子因柴油发电机启动后高速旋转而损坏。
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图1 柴油机起动机整体结构图 |
图2 柴油机起动机创建模型树 |
2、硅整流充电发电机
康明斯系列柴油发电机均采用这种充电发电机，它与相应电压调节器配合使用，作启动蓄电池的充电电源。硅整流充电发电机使用时应注意的问题如下：
① 应与相应规格的电压调节器和相应容量的蓄电池合使用。
② 接线时必须注意极性，否则将会造成损坏。
③ 12缸V型柴油发电机启动时，应注意钥匙开关左、中、右三档位置。
3、充电机电压调节器
电压调节器应与硅整流充电发电机配合工作。当柴油发电机的转速超过800r/min以上时，充电发电机开始向蓄电池充电，由电压调节器控制使充电发电机输出电压保持在一定范围以内。
4、启动蓄电池
蓄电池为起动机提供启动时所必需的电流和电压。通常，蓄电池的电量不低于75%才能保证起动机正常运转。在起动机运转时，蓄电池要向起动机提供足够的电流。
康明斯柴油发电机组所用的蓄电池一般都是铅酸蓄电池。以瓦尔塔铅酸蓄电池为例，其正极为二氧化铅，负极为海绵状铅，电解质为硫酸水溶液，隔板（隔膜）使用微孔橡胶隔板或微孔塑料隔板，电池壳体使用硬橡胶、工程塑料、玻璃钢等材料制成。其内部剖析图如图3所示，外观如图4所示。
5、电池连接线
蓄电池连接线是起动系统连接各个组件的主要线路，必须保证接口的稳定性和安全性。
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图3 铅酸蓄电池内部剖析图 |
图4 瓦尔塔蓄电池外形图 |
二、启动基本条件和要求
柴油机借助于外力，获得第一个工作循环的条件，即在外力作用下进行进气、压缩、喷油，直至燃油燃烧、膨胀做功而自行运转的过程。柴油发电机启停控制系统如图5所示，启动系统接线如图6所示。
1、起动转速
柴油机起动所要求的最低转速称为起动转速。柴油机起动转速与柴油机的类型、环境条件、柴油机技术状态、燃油品质等有关。
2、起动转速范围
（1）高速机80～150r／min；
（2）中速机60～70r／min；
（3）低速机10～30r／min。
3、柴油机的起动要求
（1）迅速、可靠；
（2）达到启动转速，消耗能量少；
（3）易于实现设备自启动和远程遥控；
（4）曲轴处于任何位置均可启动。
4、柴发自启动规定
目前在行业中对于柴油发电机没有强制规定必须要自动启动，只是规定柴油发电机要设置自动和手动启动装置以及在多长时间内启动。所谓自动启动就是在没有人干预的情况下柴油发电机启动。手动启动就是通过人去按启动按钮启动。
（1）《高层民用建筑设计防火规范》GB50045－95（2005年版）第9.1.2条要求：一类二类高层建筑自备发电设备，应设有自动和手动启动装置，并能在30S内供电，当采用自启动有困难时，可采用手动启动装置。
（2）《建筑设计防火规范》GB50016－2006第1.1.2条：一级负荷供电的建筑，当采用自备发电设备作备用电源时，自备发电设备应设置自动和手动启动装置，且自动启动方式应能在30S内供电。
（3）《民用建筑电气设计规范》JGJ16－2008第13·9.7条：当消防应急电源由自备发电机组提供备用电源时，应符合下列要求：消防用电负荷为一级时，应设自动启动装置，并应在30S内供电。
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图5 柴油发电机启停控制过程 |
图6 柴油机启动系统接线图 |
三、柴油机启动故障的原因
柴油机启动故障是指在正常环境温度状况下，或者在柴油机使用说明规定的特定条件下，连续启动多次而不能正常着车的现象。柴油机启动故障主要分为：
1、柴油机冷车启动困难而热车不困难
（1）启动转速正常而排气管无烟雾排出。
产生这种现象主要有两个因素：
① 合计低压油路中进入空气，从而导致低压油路中无柴油运移到泵油泵或者喷油器，造成柴油机无法正常启动。
② 主要合计喷油泵中断油电磁阀的位置及状态是否处于供油位置，假设未在供油位置，那么会导致无法向喷油器供油而无烟雾排出。
（2）启动转速正常而排气管冒出白色烟雾。
出现这样的现象主要有三个方面原因：
① 柴油内含有水分，而在柴油燃烧时，水雾随着燃烧后的废气一起排出，形成白色烟雾。
② 在环境温度比较低的状况下，柴油在气缸内将来得及燃烧或者燃烧不充分而被排出，造成冒白烟。
③ 汽缸垫冲坏或汽缸盖螺栓不紧，使冷却水进入汽缸。
（3）启动转速正常而排烟管道冒黑色烟雾。
产生这样现象主要有四个方面原因：
① 喷油器滴油、漏油、雾化不良。
② 喷油泵各缸供油不均匀，有一个或几个缸供油量少，而另几个缸供油量多。
③ 进排气阻力太大。主要由于空气滤清器污损严重、排气管阻力大、消声器匹配不当等原因所造成的。
④ 增压器故障。由于增压器转子转速下降，进气压力降低，出现漏气现象等原因，使气缸充气量减少。
2、冷车启动困难，启动升温后热车容易启动
造成这样的现象主要有以下两个方面原因：
（1）活塞与气缸之间的磨损间隙过大
经过长时间不间断的工作，活塞与气缸之间的间隙越来越大，并有可能达到了临界极限值，当温度升高后，机油会均匀润滑弥补气缸与活塞之间的间隙，机油温度升高后温度会下降，从而导致活塞与气缸之间摩擦阻力减小，所以热车容易启动起来。
（2）喷油嘴磨损过度
当喷油嘴磨损同样达到最大同意间隙时，由于热胀冷缩作用，在冷车时候间隙过大，导致喷油效果不好，而致使冷车难以启动。而在热车状况下，喷油嘴受热膨胀后间隙减小，恢复到原来的正常喷油状态，因此热车很容易就启动起来了。
3、柴油机热车启动困难
产生这样现象主要有四个方面原因：
（1）柴油机喷油泵的柱塞磨损，造成泄油量大。
（2）柴油机活塞与缸壁间隙太小，形成咬缸。
（3）柴油机过热。
（4）柴油机曲轴轴向间隙小，造成启动加载。
4、柴油机冷、热车启动均困难
造成冷、热车启动均困难的原因主要有以下六个方面：
（1）由机械方面原因造成的，例如活塞、活塞环与气缸之间的磨损间隙过大，导致气缸内的雾化柴油不能够燃烧而不能够启动。
（2）某个气缸或者多个气缸与活塞环出现“对口”现象。
（3）气门间隙问题，气门磨损后间隙过大，造成升程不够，间隙过小，气门关闭不严，导致气缸内压缩压力下降，雾化后的柴油难以自燃，造成启动困难。
（4）喷油器工作状态不良，喷油器因堵塞或者其它原因导致不喷油或者喷油量过小，喷油压力不够，影响柴油机的启动。
（5）柴油机喷油泵调速器调整不当。
（6）柴油机低压油路有问题。
总结：
总之，柴油机的起动系统是设备稳定、连续运转的基础。为了确保柴油发电机的正常使用，起动系统的建设和使用必须得到足够重视和开发。此外，柴油机启动故障的现象很复杂，影响柴油机启动的原因也很多，这里不可能一一进行介绍，但是无论是何种引起柴油机不能正常启动的现象，都要认真分析产生该现象的原因，然后针对原因去寻找解决排除故障的方法。柴油机在平常的使用过程中，要常常进行维护、保养，只有平常维护保养到位，才能尽量避免柴油机启动困难现象的发生。
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