新聞主題	高原低溫對柴油發(fā)電機的影響

 

摘要：隨著國家“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的實施，適合高原使用的主用電源越來越受到重視，而最受高原影響的柴油發(fā)動機是否具備穩(wěn)定性能也越來越受到關(guān)注。本文以某高原低溫地區(qū)康明斯柴油發(fā)電機為例，對其具體柴油發(fā)電機冷啟動性能和運行故障進行分析。研究表明，高原低溫地區(qū)的柴油發(fā)電機在使用時，除了要克服低溫缺氧問題，還必須按康明斯技術(shù)應(yīng)用指南進行安裝，才能保證設(shè)備處于正常運行狀態(tài)，確保整個供電電源處于安全有效狀態(tài)。

 

一、高原環(huán)境對柴油機性能的影響

 

      由于西方國家高原面積較少且海拔較低，對柴油發(fā)動機在高原工作的相關(guān)問題研究較少，美國最高峰惠特尼山4418m，俄羅斯最高峰厄爾布魯士峰5600m，自然他們就不會研制為高原作戰(zhàn)而專門設(shè)計的裝備。我國高原面積遼闊，工程建設(shè)和交通運輸車輛經(jīng)常變海拔工作，所以科研工作者圍繞著發(fā)動機的高原適應(yīng)問題進行了大量的研究。由于外界氣壓、氣溫和沙塵等條件的影響，導(dǎo)致存在以下幾個問題：

1、低氣溫對柴油機的影響

      隨著海拔的升高，大氣溫度逐漸降低，致使柴油機粘度增加，起動阻力拒增大，燃油消耗率增加。海拔升高，溫度隨之降低，蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)變慢，內(nèi)阻增大，端電壓降低，導(dǎo)致放電率下降，致使啟動力矩降低。并且燃油粘度增加，形成的混合氣質(zhì)量差，柴油機的燃燒會受到影響。

（1）啟動性能的影響

      環(huán)境溫度是影響冷起動性能的主要原因之一。較低的環(huán)境溫度直接對缸內(nèi)壓縮溫度壓力產(chǎn)生不利影響。環(huán)境溫度過低還將造成燃油噴霧過程惡化。研究表明，冷起動條件下的缸內(nèi)氣體密度與正常工況相比較低，這將導(dǎo)致燃油噴射破碎距離增大，霧化性能變差，附壁燃油量增多。低溫燃燒曲線如圖1所示。

（2）噴油正時的影響

      噴油正時是影響冷起動過程缸內(nèi)混合氣形成及著火性能的重要因素。在冷起動過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，雖然缸內(nèi)壓縮壓力和溫度較低造成滯燃期變長，但相同噴油持續(xù)時間所需要曲軸轉(zhuǎn)角則變小，這時，適當推遲噴油，有利于燃油的霧化蒸發(fā)，使得冷起動性能提高。若過早噴油時，缸內(nèi)的壓力溫度很低，導(dǎo)致滯燃期較長，且使得燃油噴射貫穿距離變長，將導(dǎo)致嚴重的燃油附壁現(xiàn)象。而當噴油時刻靠后，則使得滯燃期延伸到膨脹行程中，這時活塞下行，缸內(nèi)容積逐漸增大，混合氣的焰前反應(yīng)速率減緩，滯燃期將拉長，使得著火時刻落在膨脹行程中遠離上止點的位置，造成燃燒著火性能變差。若噴油時刻過于靠后，甚至會導(dǎo)致混合氣在膨脹行程中的焰前反應(yīng)中止，無法著火燃燒，出現(xiàn)失火現(xiàn)象。柴油機不同海撥全負荷噴油量分布如圖2所示。

（3）燃料特性的影響

      燃料特性對冷起動過程的影響主要是由十六烷值和揮發(fā)性決定的。燃料的揮發(fā)性較好時，有利于缸內(nèi)可燃混合氣的形成，提高發(fā)動機的著火燃燒性能。十六烷值則主要影響混合氣的滯燃期。當十六烷值由50變到60時，其對滯燃期的影響很?。欢斒橹到档?0以下時，滯燃期將隨十六烷值的降低而迅速增大。

（4）壓縮比的影響

      壓縮比是影響缸內(nèi)壓縮壓力和溫度的一個最重要的影響因素。提高壓縮比，增大缸內(nèi)壓縮終了的壓力和溫度，一方面有利于改善燃油噴霧性能，減小燃油附壁量，促進油滴蒸發(fā)；另一方面則有利于提高混合氣焰前反應(yīng)速率，縮短滯燃期。較高的壓縮壓力和溫度能夠有效縮短混合氣的滯燃期，且可以顯著減小燃油的附壁量。雖然提高壓縮比有利于改善柴油機的冷起動性能，但實際壓縮比的選擇時必須綜合考慮發(fā)動機的經(jīng)濟性、排放及強度。目前，在高增壓大功率柴油機中，為了限制發(fā)動機的最高爆壓，多采用了降低壓縮比的方式，這將導(dǎo)致冷起動性能變差。

（5） 缸內(nèi)累積燃油的影響

      缸內(nèi)累積的附壁燃油對實際壓縮比產(chǎn)生一定的影響，且由于附壁燃油的蒸發(fā)，將使得缸內(nèi)總的燃油蒸汽濃度增大，這些因素將有利于促進缸內(nèi)混合氣的著火。，在冷起動過程中，前一不著火或著火性能較差循環(huán)中滯留燃油的蒸發(fā)，將對下一循環(huán)的燃空比產(chǎn)生一定的影響，從而影響該循環(huán)缸內(nèi)混合氣的著火燃燒性能。

 

圖1 柴油機低溫燃燒曲線圖

圖2  柴油機不同海撥全負荷噴油量分布圖

 

2、 低氣壓對柴油機的影響

      隨著海拔的升高，大氣壓力下降，導(dǎo)致柴油機燃燒室氣密度下降，過量空氣系數(shù)降低，燃燒過程緩慢，熱效率利用較低，導(dǎo)致柴油機排放量增加，動力性能下降。

      另外“開鍋”現(xiàn)象也是我們要注意的，一般柴油發(fā)動機冷卻水的溫度是在90℃左右，但隨著海拔的升高，氣壓逐漸降低，冷卻液的沸點也在逐漸降低，所以低氣壓的情況下極容易出現(xiàn)“開鍋”，導(dǎo)致柴油機機體過熱，燃燒異常，摩擦磨損加劇，進而使柴油機整體性能下降，甚至縮短使用壽命，所以有必要保持一定的冷卻水溫度。

3、沙塵對柴油機的影響

      新疆西藏部分地區(qū)年降水稀少，空氣干燥，蒸發(fā)量大，此時空氣中塵土含量可達15g/m³，空氣中灰塵較多，大量的顆粒就會在濾清器外表面上堆積，引起進氣壓力降低，充氣量嚴重不足，造成發(fā)動機功率下降。長時間在此環(huán)境中工作會使沙塵進入到發(fā)動機內(nèi)部，使發(fā)動機各機件磨損加劇，縮短使用壽命。另外，高原的強紫外線也會加速機組表面橡膠、塑料、油漆等高分子老化，龜裂。

      圖3和圖4為不同轉(zhuǎn)速、部分負荷工況下柴油機特性參數(shù)隨海拔的變化。隨著負荷增加，柴油機過量空氣系數(shù)降低，渦前排氣溫度升高，燃油消耗量升高，有效燃油消耗率先降低后升高。隨著負荷增加，柴油機噴油量增加，增加了混合氣中油的比例，燃燒釋放熱量增加。隨著海拔升高，過量空氣系數(shù)下降，渦前排氣溫度增加，燃油消耗量降低，有效燃油消耗率增加。

 

1500轉(zhuǎn)速下柴油機特性變化曲線

1800轉(zhuǎn)速下柴油機特性變化曲線

 

二、高原常見故障現(xiàn)象及處理方式

 

      與普通平原對比，高原低溫地區(qū)的環(huán)境比較特殊，實際柴油發(fā)電機在工作時，會消耗更多的燃油，進而產(chǎn)生大量熱負荷，最終對發(fā)電機的參數(shù)和功率產(chǎn)生影響。為此，相關(guān)使用人員需要根據(jù)柴油發(fā)電機所處環(huán)境，對其常見故障問題進行考慮，并制定有效的管理措施，避免為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟損失，維護高原低溫地區(qū)柴油發(fā)電機始終處于正常運行狀態(tài)。

      由于高原地區(qū)的氣壓低，空氣稀薄，含氧分量少，特別對于自然吸氣的柴油發(fā)電機，雖然柴油機基本結(jié)構(gòu)相同，但各種型號的柴油機標定功率不同，因此它們在高原的能力是不一樣的。因進氣量不足而燃燒條件變差，不能象在平原上那樣燃燒那么多的燃料而損失一些功率，電氣設(shè)備的安全運行往往受環(huán)境因素影響較大，經(jīng)常出現(xiàn)故障現(xiàn)象，如啟動點火困難、渦輪增壓器冒煙等等，從而為整個發(fā)電機使用后續(xù)運行帶來極大威脅。

1、功率不足

      由于高原地區(qū)的氣壓低，空氣稀薄，含氧分量少，環(huán)境溫度低，特別對自然進氣的柴油機，因進氣量不足而燃燒務(wù)件變差，使柴油機不能發(fā)出原規(guī)定的標定功率（曲線如圖5所示）。即使柴油機基本結(jié)構(gòu)相同，但各型柴油機標定功率、排量、轉(zhuǎn)速不同，因此它們在高原工作的能力是不一樣的。在高原使用時每升高1000m，功率非增壓機降低約6-10%，增壓機約為2-5%，因此在高原長期使用時應(yīng)根據(jù)當?shù)氐暮０胃叨?，適當減小供油量（曲線如圖6所示）?？紤]到在高原條件下著火廷遲的傾向，為了提高柴油機的運行經(jīng)濟性，一般推薦非增壓柴油機供油提前角應(yīng)適當提前。由于海撥升高，動力性下降，排氣溫度上升，因此用戶在選用柴油機時也應(yīng)該考慮柴油機的高原工作能力，嚴格避免超負荷運行。據(jù)近年來的試驗證明，對高原地區(qū)使用的柴油機，可采用廢氣渦輪增壓的方法作為高原功率補償。通過廢氣渦輪增壓不但可彌補高原功率的不足，還可改善煙色、恢復(fù)動力性能和降低燃油消耗率。

 

圖5  高海拔全負荷工況下柴油機功率曲線圖

圖6  高海拔全負荷工況下柴油機燃油消耗量曲線圖

 

2、啟動前預(yù)熱不足

      高原低溫區(qū)域內(nèi)，柴油發(fā)電機附近的溫度往往以0℃以下為主，此時，柴油發(fā)電機水箱和內(nèi)部冷卻液與環(huán)境溫度接近。在發(fā)電機處于停運狀態(tài)時，內(nèi)部潤滑油全部流入底部，后續(xù)啟動時，潤滑油也無法呈現(xiàn)出良好的潤滑作用，再加上周圍溫度較低，導(dǎo)致金屬部件萎縮嚴重，齒輪之間的間隙變小，增加整個系統(tǒng)的啟動難度。在上述故障問題解決上，使用人員首先要做的就是進行發(fā)動機預(yù)熱元器件檢查操作，看其是否處于正常運行狀態(tài)，之后加裝一套電熱塞以加熱柴油發(fā)動機內(nèi)的空氣-燃料混合物，使得可改善冷條件期間的發(fā)動機起動。發(fā)動機汽缸中的電熱塞可升高發(fā)動機汽缸內(nèi)的溫度，使得當汽缸中的活塞接近上止點壓縮沖程時，汽缸內(nèi)的空氣-燃料混合物可在增加的汽缸壓力下點燃（最高燃燒壓力曲線如圖7所示）。因為發(fā)動機趨于加熱空氣-燃料混合物，所以當發(fā)動機溫暖且被重新起動時可停用電熱塞。

3、啟動運行冒煙

      高原環(huán)境下的空氣稀薄，含氧量較低，發(fā)電機在冷啟動時容易出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，排氣管還會出現(xiàn)水滴現(xiàn)象。這種黑煙的出現(xiàn)，往往是因為柴油機超負荷運行，或者是突然加大油門導(dǎo)致的。黑煙時柴油不完全燃燒的寫照，如果柴油機負荷較大，會增加整個燃燒室溫度，再加上噴入的燃料較多，混合氣體無法充分燃燒，最終聚合成黑煙。該類故障的解決，使用人員可以選擇定期更換空氣濾清器以及燃油濾清器，強化對渦輪增壓器的維護檢查力度，保證發(fā)電機內(nèi)部的進氣壓力和含氧量。除此之外，使用人員還要對缸體氣密性進行檢查，避免由于漏氣問題出現(xiàn)燃燒室壓力不足現(xiàn)象。

4、排氣管振動斷裂

      自柴油發(fā)電機組投入應(yīng)用后，往往會安裝在一個狹小空間內(nèi)，通風狀態(tài)不佳。另外，在發(fā)動機底座設(shè)計時，還要加裝緩沖膠點，在散熱器封口處，還要設(shè)計無遮擋物體。若沒有滿足上述條件，應(yīng)進行改進。首先，高原地區(qū)空氣稀薄，通風條件不佳，導(dǎo)致排氣回路出現(xiàn)嚴重發(fā)熱現(xiàn)象。其次，發(fā)電機底座沒有設(shè)置緩沖膠墊，發(fā)電機在運行時抖動嚴重。為此，在實際排氣回路設(shè)計時，使用人員需要將排氣主管和消音器應(yīng)用三腳架固定在墻上，支撐起整個排氣回路，之后加裝中間伸縮管，展示出減震散熱效果。在末端設(shè)置消音器，避免由于高溫現(xiàn)象導(dǎo)致殼體出現(xiàn)斷裂或者是變薄等問題。

5、散熱不足

      由于海撥的升高，水的沸點降低，同時冷卻空氣的風壓和冷卻空氣質(zhì)量減少，以及每千瓦在單位時間內(nèi)散熱量的增加，因此冷卻系統(tǒng)的散熱條件要比平原差。一般在高海拔地區(qū)不宜采用開式玲卻循環(huán)，可采用加壓的閉式冷卻系統(tǒng)以提高高原使用時冷卻液的沸點，閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

 

圖7  高原柴油機最高燃燒壓力曲線圖

圖8  柴油發(fā)電機閉式冷卻系統(tǒng)

 

 

三、采用的改善措施及效果

 

     改善柴油機的冷起動性能除了對柴油機自身進行優(yōu)化設(shè)計外，最重要的是采用低溫輔助措施。目前，柴油機都采用低溫起動輔助措施輔助柴油機在低溫環(huán)境條件下順利起動。低溫起動輔助裝置主要有兩類：應(yīng)急起動輔助裝置和升溫起動輔助裝置：低溫起動輔助預(yù)熱裝置主要有進氣預(yù)熱裝置、燃燒室電熱塞、蓄電池加熱保溫裝置、燃油加熱器以及其他輔助措施等。

1、采用低溫用蓄電池

      選用免維護蓄電池，可在-40℃環(huán)境條件下正常工作。另外也可以給采用給蓄電池加裝保溫措施來降低電解質(zhì)黏度，增加蓄電池的蓄電量。

2、選擇合適的柴油標號

      不同標號的柴油理化指標不同，理論選用原則是柴油的凝點應(yīng)該比環(huán)境溫度低5℃左右為宜，一般規(guī)定在10月份氣溫降低時加注-10#柴油，根據(jù)氣溫下降幅度和時間逐步延伸到-20#和-35#柴油。

3、選擇低溫潤滑油

      使用5W/40四季通用機油，環(huán)境溫度范圍-15℃～30℃，基本能滿足要求，低溫下機油粘度增加不明顯。另外在進入冬季前提前對發(fā)電機組的防凍液冰點進行檢測，冰點在-35℃以上的進行更換。

4、安裝預(yù)熱裝置

      主要是通過預(yù)熱裝置在發(fā)動機冷態(tài)啟動前對吸入的空氣進行加熱，提高柴油機的起動性，即使在起動后，依據(jù)當時的冷卻液溫度，對空氣繼續(xù)加熱一段時間，同時還可以減少柴油機爆震和冒白煙。

 

四、預(yù)熱方式優(yōu)缺點

 

      一般來說，柴油發(fā)電機可通過加熱燃油和預(yù)熱氣缸的方式，可以提高柴油機的起動性能和燃燒效率，減少磨損和排放污染物的產(chǎn)生。加熱過程和預(yù)熱裝置組成如圖9、圖10所示。

表 1       提高柴油溫度的方式和優(yōu)劣性對比

 

1、 利用冷卻液預(yù)熱柴油

      在一臺柴油發(fā)電機上安裝兩個柴油箱，一個油箱盛裝0#柴油，另外一個根據(jù)溫度盛裝負號柴油。低溫啟動時首先接通負號柴油的箱內(nèi)的負號柴油來啟動柴油機。在發(fā)電機組正常運行后通過柴油機的冷卻液循環(huán)給0#柴油箱加熱，達到一定的溫度后切換燃油供給系統(tǒng)開關(guān)，開啟0#柴油箱，使用0#柴油正常工作。

（1）優(yōu)點：

      改動量小，但需要在0#柴油箱內(nèi)安裝盤管循環(huán)冷卻液來加熱柴油。

（2）缺點：

① 需要將燃油供給系切換到負號柴油箱并運轉(zhuǎn)一段時間，以便管路內(nèi)充滿負號柴油，避免停機后管路內(nèi)的0#柴油凝結(jié)造成堵塞，操作流程較繁瑣，因疏忽忘記切換時可能導(dǎo)致下次無法起動。

② 在遇到發(fā)電機組突發(fā)故障被動長時間停機時可能堵塞管路。

③ 由于冷卻液工作溫度大約在85℃～95℃之間，發(fā)電機組正常運行時冷卻液對0#柴油箱持續(xù)加熱，無法控制溫度，容易增加油耗且有安全隱患。

2、 安裝液體燃油加熱器

      在機上安裝專門的液體燃油加熱器，使用12V～24V直流電源，由電動機、燃燒室、水套體、水泵等組成。電動機帶動油泵、助燃風扇及霧化器轉(zhuǎn)動，油泵吸入的燃油經(jīng)輸油管送到霧化器，霧化后與助燃風扇吸入的空氣在主燃燒室內(nèi)混合，被電熱塞點燃，在后燃燒室內(nèi)充分燃燒后折返，經(jīng)水套內(nèi)壁的散熱片將熱量傳給水套夾層中的冷卻液介質(zhì)，被加熱介質(zhì)在水泵的作用下，在整個管路系統(tǒng)中循環(huán)，達到加熱的目的。

（1）優(yōu)點：

① 可以與發(fā)動機及強制散熱器等輔助散熱裝置組成循環(huán)系統(tǒng)，也可以單獨與散熱器、除霜器等組成循環(huán)系統(tǒng)。

② 可以通過冷卻液同時加熱柴油箱和發(fā)動機達到工作溫度，且溫度可控。

③ 允許發(fā)電機組油箱加注低于當前環(huán)境溫度推薦標號的柴油。

（2）缺點：

① 對發(fā)電機組的管路改動較大。

② 該加熱器需要獨立的且加注符合環(huán)境溫度推薦標號的柴油。

③ 預(yù)熱時間需要10～15分鐘。

3、直接電熱塞或加熱管加熱

      使用發(fā)電機組自帶的蓄電池供電，在特制的油管內(nèi)穿一根發(fā)熱絲給柴油機進油管加熱，配合使用棒式的加熱器插進油箱內(nèi)加熱燃油，使燃油保持一定的溫度。

（1）優(yōu)點：

      僅需要更換燃油供給系的部分管路，不改變原機結(jié)構(gòu)，不破壞油箱整體封閉性。

（2）缺點：

① 發(fā)熱絲與柴油直接接觸，可能存在很大的風險，易導(dǎo)致油管老化，使用壽命短，耗電量大。

② 隨著柴油的消耗，油箱內(nèi)的油液面不斷下降，暴露的部分變大，無用功耗電散熱加大，而浸泡在燃油液面下的部分加熱變慢，燃油溫度不穩(wěn)定，進而使發(fā)動機工作不穩(wěn)定，耗能多，而且燃油加熱溫度不可調(diào)控，易使燃油變異，對發(fā)動機有損，更不能進行恒溫安全控制而造成耗油量增加。

③ 由于柴油濾芯無法通過該種方式加熱必須拆除，可能因為柴油內(nèi)的顆粒物造成噴油器堵塞等問題。

 

圖9  柴油機冷卻系統(tǒng)加熱過程示意圖

圖10  柴油發(fā)電機加熱器組成

 

總結(jié)：

      綜上所述，從實際柴油發(fā)電機故障問題分析中可以看出，相關(guān)使用人員需要對設(shè)備運行常識等內(nèi)容進行全面了解，依照具體分析結(jié)論執(zhí)行維修改進操作。另外，還要做好消缺保養(yǎng)以及正確的規(guī)范操作，將設(shè)備使用價值更好的呈現(xiàn)出來，只有這樣，才能避免電源故障，為高原低溫區(qū)域柴油發(fā)電機運轉(zhuǎn)提供有利條件。針對在特殊工況下進行高原冷起動，康明斯公司在本文分析了在高原環(huán)境下柴油機冷起動困難的原因，以及研究了影響柴油機冷起動性能的因素。此外，還介紹了提高低溫冷起動能力的方法與措施，為柴油機的低溫冷起動的研究提供了方法與指導(dǎo)。

 

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