新聞主題	柴油發(fā)電機組冷啟動影響因素與加熱裝置特點

 

摘要：柴油發(fā)電機啟動是否順利是柴油發(fā)電機重要性能指標之一，而冷啟動時想要啟動順利，并且要求污染小、油耗低、轉速穩(wěn)定，這對將柴油發(fā)電機電子控制提出了更高的要求。康明斯公司在本文針對影響電噴型發(fā)電機組冷啟動性能的因素進行分析，影響因素包括進氣量、噴油時刻與時間、混合氣的形成、點火正時、配氣相位等，各個因素之間又都有相互聯(lián)系，在進行性能優(yōu)化時必須充分考慮其他因素的影響，要通過深入的研究和試驗，對柴油發(fā)電機冷啟動時控制參數(shù)進行合理匹配，實現(xiàn)電噴型康明斯發(fā)電機組在低污染、低油耗下保證低溫冷啟動成功。


一、柴發(fā)冷啟動的影響因素

1、 點火提前角的影響

      在柴油發(fā)電機做功過程中，最高燃燒壓力出現(xiàn)在上止點后12°-15°時，做功能力最強，柴油發(fā)電機輸出功率最大，從點火到最高燃燒壓力點，得有一定的過程，這就需要點火時刻在壓縮行程上止點之前某個時刻，即以曲軸轉角表示的點火提前角。

      點火提前角的大小對柴油發(fā)電機性能的影響很大，點火提前角過小，則燃燒延長至膨脹過程，燃燒最高壓力和溫度下降，傳熱損失增多，排氣溫度升高，熱效率降低，功率降低；點火提前角過大，容易導致爆震，并且活塞還未到達上止點，氣缸內(nèi)可燃混合氣的燃燒壓力已很大，與活塞的運動方向相反，作用在活塞頂部，產(chǎn)生較大的負功，使有效功率降低。啟動過程中點火提前角的選取極為關鍵，點火提前角過大過小都會導致動力不足，不足以克服柴油發(fā)電機阻力矩，使得柴油發(fā)電機難以啟動。有實驗數(shù)據(jù)表明，以康明斯柴油發(fā)電機為例，初始點火提前角為7°和-3°時，在啟動過程中轉速都出現(xiàn)跌至50 r/min以下的情況，最多上沖到500 r/min左右，柴油發(fā)電機難以啟動成功；初始點火提前角為3°時，能順利啟動柴油發(fā)電機。

      因此，對于某一特定型號的柴油發(fā)電機，確定啟動時的最佳點火提前角，以后隨柴油發(fā)電機各種參數(shù)的變化而變化。影響最佳點火提前角的因素較多，如轉速、負荷、大氣壓力、溫度、燃料辛烷值、空燃比、殘余廢氣系數(shù)、廢氣再循環(huán)等。

2、混合氣濃度的影響

（1）混合氣濃度不當

      柴油發(fā)電機不但難以啟動，還造成排放污染物增多?；旌蠚馊紵c啟動、功率、溫度之間的關系曲線如圖1所示。

① 混合氣濃度過稀，缸內(nèi)燃燒會很不完全，容易熄火，只有部分燃料參與燃燒，因而產(chǎn)生大量的HC排放。

② 混合氣過濃，缺少助燃的空氣，也會使得缸內(nèi)燃燒不完全，燃燒速度降低，導致HC排放明顯增加，同時CO增多。特別是首循環(huán)燃燒對于柴油發(fā)電機冷啟動整體排放相當重要，如果首循環(huán)失火將產(chǎn)生大量的HC，并影響后續(xù)燃燒的穩(wěn)定性。首循環(huán)燃燒的缸壓較高，燃燒穩(wěn)定，HC的排放就低，而首循環(huán)混合氣濃度過濃或者過低時，瞬態(tài)HC排放會急劇增加。所以，柴油發(fā)電機啟動首循環(huán)的控制必須首先確?；旌蠚鉂舛取?/span>

（2）防止缸內(nèi)產(chǎn)生失火

① 柴油發(fā)電機首循環(huán)噴入的燃料，有大部分殘留在進氣道內(nèi)，由于柴油發(fā)電機溫度較低，最初幾個循環(huán)中柴油液體不能充分蒸發(fā)，有一部分液體流進氣缸內(nèi)，凝結在氣缸壁上，濕壁現(xiàn)象嚴重；

② 冷啟動時缸壁溫度較低，水蒸氣易發(fā)生凝結，火花塞吸附液態(tài)燃料或水的可能較大，失火發(fā)生的概率增加；

③ 液體燃料只有部分蒸發(fā)，實際進入氣缸的燃料不多，火焰?zhèn)鞑r容易熄火。燃油沉積在氣道壁面上，而進氣道絕對壓力隨柴油發(fā)電機轉速的變化相應劇烈變化，但轉速的變化不可能與噴油量、燃料蒸發(fā)速度的變化恰到好處，難免會出現(xiàn)混合氣過濃或者過稀，這些都造成柴油發(fā)電機啟動困難和HC排放增多。

      為了保證冷啟動可靠，最初幾個循環(huán)要提供非常濃的混合氣，但濃的混合氣導致HC排放大大增多，所以冷啟動工況，在保證可靠點火的前提下，必須控制最初幾個循環(huán)的混合氣濃度，來降低HC的排放。影響混合氣濃度的因素有啟動時的進氣量、噴油時間和時刻等。

3、溫度的影響

（1）大氣溫度、冷卻液溫度低，燃油的霧化質(zhì)量較差，需提供較大的循環(huán)供油量，使得混合氣加濃，冷卻液溫度越低，混合氣越濃；

（2）缸壁的激冷效應會造成火焰淬熄現(xiàn)象，部分混合氣未燃或者不完全燃燒，導致HC和CO的排放量較大。隨著冷卻液溫度和燃燒室壁面溫度的逐漸升高，激冷層厚度不斷減少，循環(huán)供油量也在逐漸減少，混合氣濃度不斷降低。電控柴油發(fā)電機控制根據(jù)啟動時冷卻液溫度確定基本循環(huán)供油量，與進氣量合理匹配，形成合適的混合氣濃度，順利啟動柴油發(fā)電機。由于供油量較大，為了避免火花塞“淹死”，有的柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)要求電磁噴油器在柴油發(fā)電機每一轉中分多次進行噴射。如康明斯柴油發(fā)電機在冷啟動時，與冷卻液溫度有關的噴油量以曲軸噴3次/圈的方式噴入，共噴5圈。在噴完5圈后，噴油量變小至一個與轉速有關的噴油量。

（3）合適的噴射時刻，會降低燃油濕壁現(xiàn)象的影響。

4、燃料蒸發(fā)特性和霧化效果的影響

      改善燃油的揮發(fā)性對降低冷啟動過程HC排放有利，據(jù)報道，有研究者設計了部分氧化系統(tǒng)，將液體燃料轉化為氣態(tài)燃料，還有進氣道空氣輔助噴射，如此在冷啟動階段就可少提供一些燃油，降低HC排放。改善燃料的霧化效果，減少燃油粒徑，盡量減少燃油在進氣道和燃燒室壁面的沉積，也有利于降低HC排放。國內(nèi)外許多研究者作了積極的探索，如使用渦旋型噴油器，并在噴油器內(nèi)部安裝加熱裝置。燃料蒸發(fā)和霧化變好，有利于形成合適的混合氣濃度，即便于啟動，又降低HC的排放。

5、配氣相位的影響

      配氣相位直接影響進入氣缸的混合氣質(zhì)量及混合氣形成和燃燒特性，相位演示圖如圖2所示。在啟動階段，轉速低，進入氣缸的空氣流速慢，因此對混合氣的擾流強度小，惡化了燃油混合的均勻性及蒸發(fā)和霧化質(zhì)量，在啟動過程氣門重疊角期間，進氣管和缸內(nèi)真空度很高有可能會使廢氣倒流，前一個循環(huán)殘余廢氣對工質(zhì)進行稀釋，混合氣的質(zhì)量變差，影響火焰前鋒的發(fā)展，導致下一個循環(huán)燃燒惡化，不利于冷啟動過程燃燒的穩(wěn)定性。不佳的氣門重疊角還會使未燃的混合氣由排氣門短路逃逸，造成HC排放量劇增，啟動困難。因此，確定啟動時的配氣相位至關重要。

      通過分析研究，柴油發(fā)電機冷啟動時需要控制的內(nèi)容包括進氣量、噴油時刻與時間、混合氣的形成、點火正時、配氣相位等。各個因素之間都有相互聯(lián)系，在進行性能優(yōu)化時都必須考慮其他因素的影響，要通過深入研究和試驗，對柴油發(fā)電機冷啟動時控制參數(shù)進行合理匹配，使柴油發(fā)電機啟動順利，并且污染小，油耗低，轉速穩(wěn)定，則對柴油發(fā)電機電子控制提出了更高的要求，很好地規(guī)劃一個全方位的控制策略，確定柴油發(fā)電機冷啟動時的控制方法，最終實現(xiàn)冷啟動時各參數(shù)的精確控制，在低污染、低油耗下保證低溫冷啟動成功。

 

圖1  柴油機空燃比曲線圖

圖2  柴油機配氣相位示意圖

 

二、柴發(fā)冷啟動裝置

 

      如果用戶有高寄生負載、極端的寒冷環(huán)境、特別的柴油發(fā)電機負載要求或配置問題等特殊應用，請在購買以前咨詢康明斯發(fā)電機組供應商。

1、乙醚啟動裝置系統(tǒng)

      乙醚電磁閥控制是被用于驅(qū)動輸送乙醚到進氣歧管的繼電器和/或電磁閥。當有使用啟動裝置的指令時，ECU控制乙醚電磁閥的控制輸出?？得魉固峁┡c每個柴油發(fā)電機獨特冷啟動策略相符合的可選乙醚啟動系統(tǒng)。請參見工業(yè)柴油發(fā)電機零部件價格清單。如果使用第三方的乙醚噴射系統(tǒng)，康明斯柴油發(fā)電機的質(zhì)保無效。

      如果冷卻液溫度傳感器和進氣溫度傳感器存在故障。ECU不激活乙醚噴射系統(tǒng)。如果冷卻液溫度傳感器或進氣溫度傳感器其中一個有故障，那么正常的傳感器將使用在乙醚控制策略中。如果冷卻液溫度傳感器和進氣溫度傳感器都是有效的，那么冷的溫度將被使用。如果兩個傳感器都是有效，那么進氣加熱器的使用將不會影響乙醚控制策略。

      乙醚控制策略是以溫度和海拔為基礎建立在乙醚噴射期間的。如果溫度在臨界值以下{在海平面0℃(32℉)},并試圖使柴油發(fā)電機啟動，乙醚電磁閥控制將“激活“，直到柴油發(fā)電機轉速達到少于低怠速的50RPM。如果柴油發(fā)電機已啟動或防止燃料注射重復情況，乙醚電磁閥控制將“禁止”。

      當柴油發(fā)電機的轉速大于零時乙醚才開始噴射，柴油發(fā)電機盤車以前乙醚將不會噴射。用戶不能對溫度的臨界值進行可編程。

表1    乙醚啟動裝置系統(tǒng)安裝零件

 

2、進氣口加熱器

（1）進氣口加熱器操作

      進氣加熱（IAH）被用來改善柴油發(fā)電機的冷啟動。ECU通過進氣加熱器繼電器來控制IAH。加熱器和繼電器是安裝在康明斯的柴油發(fā)電機上，安裝示例如圖3所示，電路連接如圖4所示。進氣加熱器和乙醚啟動裝置能安裝在同一個柴油發(fā)電機上。ECU啟動裝置策略控制設備的優(yōu)先級，以便這些裝置不能在同一時間操作。

      進氣加熱器運行在5個不同的階段分為功率上升，預先加熱，柴油發(fā)電機搖車，柴油發(fā)電機運行和后加熱。進氣加熱器運行在各個階段的調(diào)變點溫度取決于冷卻液溫度和進氣溫度合計。以下是在正常啟動的5個階段進氣加熱器的操作概述：

① 功率上升周期：

      加熱器和等待啟動燈將打開，如果溫度不能滿足預加熱條件，那么2秒鐘后燈會關閉。上升周期本來主要是元件檢查階段，將不會理會溫度或柴油發(fā)電機轉速如何。

② 預加熱周期：

      如果冷卻液溫度和進氣歧管空氣溫度合計低于64℃(147℉),在預加熱周期ECU將轉化到進氣空氣加熱器繼電器輸出，并且等待啟動燈開啟30秒以上。如果預加熱結束以前就試圖啟動柴油發(fā)電機，在柴油發(fā)電機盤車啟動期間ECU將繼續(xù)控制加熱器。當柴油發(fā)電機檢測到轉速時等待啟動燈將關閉。如果柴油發(fā)電機轉速仍然是0RPM,不管溫度如何，最多30秒鐘后加熱器和燈都將關閉。

③ 柴油發(fā)電機盤車周期：

      當在盤車期間，如果冷卻液溫度和進氣歧管溫度合計少于147℉或64℃，加熱器將開啟。如果柴油發(fā)電機啟動失敗，預加熱周期將重啟。

④ 柴油發(fā)電機運行周期：

      柴油發(fā)電機獲得較低的怠速后，通過進氣歧管空氣溫度和冷卻液溫度的組合來決定IAH是否運行。如果溫度條件滿足，加熱器可能開啟最多7分鐘。任何時候進氣歧管空氣溫度和冷卻液溫度合計超過147℉或64℃，進氣管加熱器將關閉。如果柴油發(fā)電機熄火或停止，預加熱周期會重啟。

⑤ 后加熱周期：

      如果柴油發(fā)電機處于運行周期7分鐘后，冷卻液溫度和空氣溫度是低于147℉或64℃。那么加熱器會循環(huán)在開啟和停止之間再運行13分鐘，此時該周期會10秒鐘開啟和10秒鐘關閉。

      如果冷卻液溫度傳感器和進氣歧管空氣溫度傳感器存在故障，ECU將不會激活空氣進氣加熱器。如果冷卻液溫度傳感器存在活動代碼，并且進氣歧管空氣溫度低于10℃(50℉)，那么加熱器將被激活。如果進氣歧管溫度傳感器存在活動代碼，并且冷卻液溫度低于40℃(104℉)，那么加熱器將被激活。

（2）進氣加熱器安裝

      客戶負責連接進氣加熱器繼電器則連接頭到蓄電池電壓，康明斯推薦在這一線路上使用130 安培的電路保護，且有連續(xù)100安培的電流負載能力。進氣加熱器繼電器最長開啟時間為7分鐘，最低需要導線的規(guī)格為4AWG 。儲電池電源線必須固定，并且不要附著在燃油管線上。使用9.0±1.0N.m的扭矩緊固在接線端子上的線鼻子。線鼻子螺母和鎖緊墊圈是繼電器配備好的。

 

圖3  柴油機進氣加熱器安裝圖

圖4  柴油機進氣加熱器電路圖

 

總結：
        啟動過程的控制一方面要順利啟動，另一方面要控制排放污染物。柴油發(fā)電機正常啟動的三個要素為強且正時準確的高壓火花、合適的空燃比、足夠的氣缸壓力，這三方面均應符合要求，缺一不可。總之，我們清楚地認識到影響柴油發(fā)電機啟動的決定因素有壓力、點火、供油、溫度、最低啟動轉速。除此之外，為使柴油發(fā)電機順利啟動，還必須具備其基本前提：即柴油發(fā)電機裝配要符合有關技術要求，如各軸瓦的配合間隙、氣門間隙、配氣相位以及各運動副之間的潤滑狀況。否則，過大的曲軸扭矩將使啟動機帶不動。不正確的配氣相位（氣門開閉）也影響其正常啟動。

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