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常温与低温下柴油发电机的启动带载能力测试 |
摘要∶起动性能是柴油发电机的重要性能指标之一，起动过程承接柴油机从静止到运转的过渡，其维持的时间很短，一般只有几秒。在这段时间内，经历柴油机运行状态的巨大改变，必须能够在快速的工况变化中调整控制参数，以满足柴油机起动过程中的各种需求。其启动性能直接影响柴油发电机的工作可靠性、使用寿命及其排放性能。起动的必要条件是必须提供足够大的起动力矩、起动转速、气缸压力和温度以及预润滑程度。如果上述条件之一恶化，则会发生起动困难。康明斯公司在本文中对常低温下的柴油发电机起动需求的差异进行了比较，通过实测柴油机常温、低温起动时的转速和启动电压，提出了柴油机低温起动特性要求。
一、起动机的仿真
1、起动机的数学模型
起动机的电压表达方程式为
电枢电流随时间的变化为
式中，ε为电枢反电动势；UN为蓄电池额定电压；R0为蓄电池内阻；Rb为电刷接触电阻；Ra为电枢绕组；La为电枢电感；ia为电枢电流。
起动机的转矩方程式为
结合上面的式子得出：
式中，T为起动机的电磁转矩；TL为负载力矩；Rω为旋转阻尼系数；ω为起动机的角速度；J为起动机的转子转动惯量。
起动机的输出功率P为
式中，p为极对数；N为每相绕组师数；φ为每极磁通量。
由上式知：输出功率由电枢绕组感应电动势E和电枢电流Ia两部分来决定，它与p、N、αp、φ和Ia等参数有关。
2、起动机的电磁场仿真
起动机采用的是永磁材料的直流电动机，做二维静态电磁场模型假设：
（1）磁瓦等效为两侧有面电流的永磁铁，永磁材料的磁化曲线相当于其退磁曲线在第一象限原点位置的镜像。
（2）以电枢铁心与磁瓦平均轴向长度作为起动机计算长度，机壳的截面积保持不变。
（3）电枢绕组与定子之间没有相对运动，电枢绕组电流均匀分布在线圈之中，电刷位于几何中心线上。
（4）计算起动机的二维场，矢量磁位只有轴向分量；
（5）采用XY轴坐标，考虑曲度效应，用三节点三角形单元换分模型网格。
（6）转子铁心和定子机壳的磁化曲线为单值函数，定子的外壳和转子内径处的矢量磁位为0，满足第一类狄里克利边界条件。
起动机的基本方程和边界条件为
式中，δ为外加电流密度；μ1、μ2分别为永磁材料和铁心的磁导率；Je为永磁材料的两侧的面电流；L为永磁铁侧面弧长。
定转子两部分通过气隙解耦联系在一起，转子的旋转以转动转子的有限元网格实现，考虑时间的因素，动态磁场场方程为
能量函数为
在分析起动机的静态磁场时，以起动机的定子外壳和转子轴作为边界条件，24V恒定电压作为激励源，起动机的静态磁场分布如图1所示。在起动机的磁场分布中，定子的内壳和转子中心轴外侧的磁场分布比较密集，起动机产生的漏磁通比较小，由图中磁场分布线系数可以看到起动机的磁场分布强弱。
起动机的瞬态分析时，考虑蓄电池提供的端电压是一个动态量，对蓄电池提供的端电压变化状况作一定的假设：起动机槽内每股导线数为128，起动机的极数为4极，所以起动机的转子内有4条支路进行电压换向，起动机的瞬态磁场分布如图2所示。起动机带负载运动，瞬间定子内壳的磁力线较密，磁场容易饱和；图中永磁体上闭合区域的漏磁通明显较静态磁场的漏磁通大。
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图1 柴油发电机起动机静态磁场分布 |
图2 柴油发电机起动机瞬态磁场分析图 |
二、常温下启动性能试验
由于柴油发电机起动内容较为复杂，在工程实际中除通过公式对气缸内压力、温度进行估算外还可实际测量柴油发电机起动转速、启动电机电压及气缸内压缩压力，评估柴油发电机气缸内混合气点火条件是否具备。本文以康明斯某型号柴油发电机及其启动电机为例进行试验测试。
1、常温不发火拖动测试
为直观判定启动电机在特定发动机上使用时的起动能力，对启动电机拖动柴油发电机的工作状态进行测试，在柴油发电机不发火状态时，对柴油发电机转速、启动电机电压进行监控，以判定启动电机起动能力是否满足柴油发电机的最低起动转速要求。本试验用柴油发电机的拖动转速情况和常温状态启动电机的拖动扭矩曲线需记录在案。在启动电机纯拖动状态时，还可对缸内压缩压力进行监控，以判定缸内气休是否满足发火温度要求。试验用柴油发电机在启动电机拖动状态时的缸内压缩压力测量结果也需记录。
2、试验的注意事项
在康明斯发电机组常温冷态情况下（非增压柴油发电机组不低于5℃，增压柴油发电机组不低于10℃），利用柴油发电机组的启动装置，按照使用说明书规定的方法，启动柴油发电机组三次，每两次之间的时间间隔为10min，三次启动中，有一次启动成功即为合格。在试验过程中应注意以下几点：
① 柴油发电机组使用的燃油、润滑油均按产品规范的规定；
② 柴油发电机组在试验室或自然环境中进行试验；
③ 具有两种以上启动方式的内燃发电柴油发电机组，每种启动方式应分别进行三次，启动成功后即停机，10min后方可进行下一次启动；
④ 按柴油发电机组使用说明书的规定做好启动前的各项准备工作；
⑤ 一人记录，一人操作柴油发电机组，启动过程中不允许做任何调整或更换零件；
⑥ 记录员下达“开始启动"指令后用秒表开始计时，操作人员立即启动柴油发电机组；
⑦ 启动后柴油发电机组建立电压，控制屏指示灯亮，可带满载稳定工作，表示启动成功（从下达开始启动指令至柴油发电机组带满载工作的全部过程所用的时间，即为启动成功时间）；
⑧ 记录环境温度、相对湿度、大气压力和启动成功时间。
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柴油发电机组带载测试接线图 |
柴油发电机组负载测试系统图 |
三、低温启动性能影响与试验
1、柴油机低温起动的影响因素
柴油机在低温下快速、可靠地起动，需要可靠的起动系统。根据起动机的短时工作性质，衡量起动机性能的参数有电磁功率、输出功率、输出转矩、转速、感应电动势等。除了起动机的自身结构参数外，还需要考虑环境温度、柴油机、蓄电池的容量等因素所带来的影响。
低温对柴油机起动性能的影响主要是燃油蒸发性：
（1）环境温度降低，燃油的粘度和密度增大，雾化不良，流动性变差、雾化效果差，喷入缸内的燃油过多，混合气较浓，缸内燃烧温度低。由于柴油机起动时转速不高，进气管内的流速降低，不能形成足够强度的空气涡流，造成实际参与燃烧的柴油过少。且柴油机转速低导致喷油压力低，使油滴尺寸偏大，从而使喷油量贯穿度较大，过大的贯穿度会使燃油碰到冷的燃烧室壁，燃烧效果差，起动困难。
（2）低温起动时，柴油机的摩擦非常严重，尤其在起动后尚未达到平滑运转的过程中，摩擦最大。环境温度越低，润滑油粘度越大，柴油机起动阻力矩增大；混合气压燃困难，最低着火转速将提高；蓄电池能量随之下降，内阻增加，导致起动电压与电流下降，提供给起动机的电压不足。
此外，起动温度过低容易造成润滑油的运动粘度增加，起动阻力矩增大；蓄电池的电压下降，起动机的输出功率降低，柴油机起动困难；柴油的不完全燃烧，排放污染物增加，严重污染环境。对低温环境下起动系统的蓄电池性能、起动机动力特性、柴油机排放等问题，国内外学者已进行了相关研究工作，然而，现有文献中关于低温环境下蓄电池容量与起动阻力矩变化规律，以及柴油机、起动机、蓄电池三者之间匹配关系的研究较少。
2、低温试验注意事项
柴油发电机组应有低温启动措施。在环境温度-40℃（或-25℃）时，对功率不大于250kw的柴油发电机组应能在30min内顺利启动，并应有在启动后3min内带规定负载工作的能力；对功率大于250kw的柴油发电机组，在低温下的启动时间及带载工作时间按康明斯技术规范的规定。在试验过程中应注意以下几点：
① 柴油发电机组使用的燃油、润滑油均按产品规范的规定；
② 柴油发电机组在试验室或自然环境中进行试验；
③ 具有两种以上启动方式的内燃发电柴油发电机组，每种启动方式应分别进行三次，启动成功后即停机，10min后方可进行下一次启动；
④ 一人记录，一人操作柴油发电机组，启动过程中不允许做任何调整或更换零件；
⑤ 启动柴油发电机组时，采用产品规范规定的低温启动措施，低温启动措施的准备时间应计入启动成功的时间之内；
⑥ 记录员下达“开始启动”指令后用秒表开始计时，操作人员立即操作低温启动措施并启动柴油发电机组；
⑦ 启动后柴油发电机组建立电压，控制屏指示灯亮，可带25％额定负载稳定工作，表示柴油发电机组启动成功；
⑧ 记录环境温度、相对湿度、大气压力和启动成功时间。
3、常温与低温下起动差异比较
柴油发电机低温起动较之常温起动在不使用辅助起动装置的情况下更难实现，其主要因素有∶
（1）低温起动时，气缸内压缩始点温度低，向气缸壁传热增多，由于起动转速低而引起漏气量增加，从而使压缩终点温度和压力下降，不利于混合气的形成和燃烧。
（2）低温时燃油粘度和密度增大，使 流动性变差，蒸发和雾化不良，致使大部分燃油以液态存在于气缸内，从而影响混合气的形成，造成混合气过稀。低温时，柴油中的蜡质易析出，有时会造成燃油滤清器和管路的堵塞。
（3）摩擦副中摩擦阻力的大小，主要取决于润滑油的润滑作用。润滑油的粘度随温度的降低而大幅增加，0℃时的运动粘度达到100℃时运动粘度的几千倍。润滑油粘度大，起动阻力就大。
（4）在低温下蓄电池电解液的粘度和电阻值增大使蓄电池输出电压降低，还使起动电流减小，造成发动机起动乏力。
不同用途和型号的发动机，其低温起动性能的要求不同，结合启动电机起动特性测量数据，测试柴油发电机拖动转速和启动电机起动端电压即可计算出柴油发电机初始起动力矩和拖动阻力矩；结合温度对柴油发电机阻力矩的影响，可求得低温起动状态下的阻力矩，代入低温启动电机特性公式可得对应温度和阻力状态下的柴油发电机转速，由此简化了对柴油发电机低温起动系统的判定程序，从而节省了低温标定的测试费用。
总结：
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