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操作使用與維護(hù)保養(yǎng) |
柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)條件和對(duì)蓄電池的要求 |
摘要：柴油發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)與蓄電池三者關(guān)系是柴油機(jī)決定所需起動(dòng)機(jī)功率，起動(dòng)機(jī)功率決定所需蓄電池容量。故進(jìn)行起動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)之前，對(duì)三者進(jìn)行相應(yīng)的匹配分析估算，比較合理地確定柴油機(jī)需配起動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)，有利于更好地為柴油機(jī)服務(wù)，有利于提高起動(dòng)系統(tǒng)工作的可靠性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性。起動(dòng)機(jī)工作的環(huán)境溫度按標(biāo)準(zhǔn)為-30~105 ℃，但由于高溫時(shí)起動(dòng)困難，屬于不正常的情況，不予考慮范圍內(nèi)?？?/span>明斯公司建議按-18 ℃低溫情況進(jìn)行柴油機(jī)所需配套起動(dòng)機(jī)的功率估算，這樣既符合絕大多數(shù)柴油機(jī)處于較惡劣環(huán)境下的工況，基本上能滿足柴油機(jī)對(duì)起動(dòng)機(jī)的性能要求，又有利于起動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)低于-18 ℃的低溫起動(dòng)，宜由柴油發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家針對(duì)性研究進(jìn)行功率匹配。
一、柴發(fā)的啟動(dòng)條件
使柴油發(fā)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到工作狀態(tài)的全過(guò)程，叫柴油發(fā)電機(jī)的起動(dòng)，完成起動(dòng)所需要的裝置叫啟動(dòng)系統(tǒng)，柴油機(jī)與啟動(dòng)系統(tǒng)之間關(guān)系如圖1所示。啟動(dòng)系統(tǒng)電路如圖2所示，其原理是起動(dòng)時(shí)接通起動(dòng)開(kāi)關(guān)，起動(dòng)電機(jī)電路通電，繼電器的吸引線圈和保持線圈通電，產(chǎn)生很強(qiáng)的磁力，吸引鐵芯左移，并帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)杠桿繞其銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪移出與飛輪齒圈嚙合。與此同時(shí)，由于吸引線圈的電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)的繞組，電樞開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪在旋轉(zhuǎn)中移出，減小沖擊。如果齒輪與飛輪齒端相對(duì)，不能馬上嚙合此時(shí)彈簧壓縮，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度后，齒輪與飛輪迅速嚙合。當(dāng)鐵芯移動(dòng)到使短路開(kāi)關(guān)閉合的位置時(shí)，短路線路接通，吸引線圈被短路，失去作用，保持線圈所產(chǎn)生的磁力足以維持鐵芯處于開(kāi)關(guān)吸合的位置。
柴油發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)是在-15℃環(huán)境溫度時(shí)，不依靠低溫起動(dòng)裝置能夠順利起動(dòng)，因此需要起動(dòng)機(jī)提供125 r/min 以上的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速。起動(dòng)機(jī)電壓如為24V，柴油機(jī)起動(dòng)條件如下：
（1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
能夠使曲轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須克服壓縮阻力和內(nèi)磨擦阻力矩。起動(dòng)阻力矩與柴油發(fā)電機(jī)壓縮比、溫度、機(jī)油粘度等有關(guān)。
（2）起動(dòng)轉(zhuǎn)速
能使柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)的曲軸最低轉(zhuǎn)速稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)速，在0~20℃時(shí)，柴油機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速為150~300r/min。
（3）起動(dòng)輔助裝置
柴油發(fā)電機(jī)在嚴(yán)寒冬季起動(dòng)困難，這是由于機(jī)油粘度增高，起動(dòng)阻力矩增大，蓄電池工作能力降低，以及燃油氣化性能變壞的緣故。為使之便于起動(dòng)，在冬季應(yīng)設(shè)法將進(jìn)氣、潤(rùn)滑油和冷卻水預(yù)熱。柴油機(jī)冬季起動(dòng)困難尤大。柴油機(jī)為了能在低溫下迅速可靠的起動(dòng)，常采用一些用以改善燃料著火條件和降低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)輔助裝置。如電熱塞、進(jìn)氣預(yù)熱器、起動(dòng)液噴射裝置以及減壓裝置等。
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圖1 柴油機(jī)起動(dòng)機(jī)與蓄電池關(guān)系圖 |
圖2 柴油機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)電路圖 |
二、柴發(fā)對(duì)啟動(dòng)系統(tǒng)的要求
起動(dòng)機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)電啟動(dòng)的必備裝置，起動(dòng)機(jī)主要包括電動(dòng)機(jī)、電磁開(kāi)關(guān)、離合器以及減速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剖面圖如圖3所示。電動(dòng)機(jī)引入來(lái)自蓄電池的電流并且使起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合入飛輪齒圈，同時(shí)能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后自動(dòng)脫開(kāi)；啟動(dòng)機(jī)電路的通斷則由一個(gè)電磁開(kāi)關(guān)來(lái)控制。其中，電動(dòng)機(jī)是起動(dòng)機(jī)內(nèi)部的主要部件，電動(dòng)機(jī)包括必要的電樞、換向器、磁極、電刷、軸承和外殼等部件。
1、起動(dòng)機(jī)額定功率對(duì)蓄電池的要求
當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)在-15℃以下的北方地區(qū)和在2000 m 海拔以上的高原地區(qū)使用時(shí)，應(yīng)采用高容量蓄電池和低溫蓄電池，以補(bǔ)償起動(dòng)電流因溫度下降而造成的損失。
表1 起動(dòng)機(jī)功率和蓄電池容量之間的匹配參數(shù)
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起動(dòng)機(jī)功率kW
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一般地區(qū)使用
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北方和高原地區(qū)使用
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蓄電池容量
AH
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冷啟動(dòng)電流
AH
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蓄電池容量
AH
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冷啟動(dòng)電流
AH
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3.7
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≥100
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300
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≥120
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400
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3.7
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≥120
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360
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≥150
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450
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4.8
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||||
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5.5
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≥135
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405
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≥165
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495
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6.6
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≥150
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450
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≥180
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540
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8
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≥180
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500
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≥195
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600
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2 、電池連接線的要求
蓄電池和起動(dòng)機(jī)之間的電纜連接如圖4所示。起動(dòng)機(jī)回路允許的最大電阻為0.004 Ω，因此，正確選用電線的截面積很重要，而且要使電線布置得最短，如果電線過(guò)長(zhǎng)，選用的截面積要相應(yīng)加大，因?yàn)殡娐冯娮柽^(guò)大，會(huì)造成電壓降加大，會(huì)發(fā)生起動(dòng)機(jī)的齒輪嚙合不良，或者起動(dòng)轉(zhuǎn)速過(guò)低，使低溫起動(dòng)性能惡化。根據(jù)起動(dòng)機(jī)的額定功率，推薦電線的截面積見(jiàn)下表2。
表2 起動(dòng)機(jī)和蓄電池之間連接電纜的匹配參數(shù)
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起動(dòng)機(jī)額定功率（kW）
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≤4.5
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≤6.0
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≤7.0
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≤9.0
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起動(dòng)機(jī)電源線截面積（mm2）
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50~60
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60~85
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85~100
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100~150
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嚙合開(kāi)關(guān)線截面積（mm2）
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≥8
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≥8
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≥8
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≥8
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5、蓄電池要求
蓄電池的容量用20小時(shí)率額定容量C20（A·h）表示，它是在-18℃±1℃環(huán)境中，以規(guī)定的冷卻起動(dòng)電流If=3·C20（A）放電60 s，蓄電池中單體蓄電池的平均電壓不得低于1.4 V。
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圖3 柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)和電路示意圖 |
圖4 柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)和蓄電池接線圖 |
三、起動(dòng)機(jī)功率與蓄電池容量的確定
1、起動(dòng)機(jī)功率的選擇
起動(dòng)機(jī)的功率P（kW）應(yīng)根據(jù)柴油機(jī)起動(dòng)所需功率選取，它取決于柴油機(jī)的起動(dòng)阻力矩MQ（N·m）和最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速nQ（r/min），并可由式1計(jì)算：
P≥MQnQ/9550..........................（公式1）
（1）起動(dòng)阻力矩
柴油機(jī)的起動(dòng)阻力矩是指在最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)的柴油機(jī)阻力矩，主要包括氣缸氣體壓縮阻力矩、運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力矩和慣性力矩。
M=C?V..........................（公式2）
式中，M——溫度為0℃時(shí)柴油機(jī)的阻力矩；
V——柴油機(jī)的工作容積（L）；
C?——系數(shù)，不同柴油機(jī)的系數(shù)。
（2）最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速
柴油機(jī)的最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速是指起動(dòng)時(shí)能保證進(jìn)入氣缸內(nèi)的混合氣在壓縮終了時(shí)具有一定的溫度和良好的霧化，能使柴油機(jī)可靠點(diǎn)火發(fā)動(dòng)所需的最低轉(zhuǎn)速。柴油發(fā)電機(jī)的最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速為100～200r/min。
溫度為0℃時(shí)柴油機(jī)起動(dòng)所需功率可由經(jīng)驗(yàn)公式3推算：
P=（0.74～1.1）V..........................（公式3）
2、傳動(dòng)比選擇
起動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)的傳動(dòng)比一般在如下范圍內(nèi)選擇：柴油發(fā)電機(jī)為8～10。
3、蓄電池容量的選擇
起動(dòng)機(jī)的功率確定以后，可以按經(jīng)驗(yàn)公式4確定蓄電池的容量：
c=（610~810）（P/U）..........................（公式4）
式中，U——起動(dòng)機(jī)額定電壓（V）;
P——起動(dòng)機(jī)額定功率（kW）;
C——蓄電池額定容量（A·h）。
對(duì)于大功率起動(dòng)機(jī)（7.0～10kW），蓄電池的容量可以選擇比計(jì)算值小一些。
四、啟動(dòng)系統(tǒng)的使用與注意事項(xiàng)
免維護(hù)蓄電池是柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)工作的電源裝置，其性能直接影響柴油發(fā)電機(jī)正常啟動(dòng)工作，并且應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)特性選擇適合容量的起動(dòng)電池。市場(chǎng)通?；诮?jīng)驗(yàn)，這將導(dǎo)致容量過(guò)高，或者無(wú)法啟動(dòng)太小的能力?？得魉共裼桶l(fā)電機(jī)組所用的啟動(dòng)電池，可以根據(jù)CCA來(lái)匹配啟動(dòng)馬達(dá)，合理且最大化的利用電池容量。匹配公式如下：
CCA =（啟動(dòng)馬達(dá)÷起動(dòng)電壓）×2.5..........................（公式5）
（1）匹配電池前要確認(rèn)電池安裝位置，接線應(yīng)盡可能靠近起動(dòng)馬達(dá)，以縮短電池和馬達(dá)之間電纜線連接線的長(zhǎng)度，同時(shí)防止啟動(dòng)時(shí)的連接線壓降，并且電線用于35平方毫米低壓電纜線線。當(dāng)馬達(dá)啟動(dòng)電流大時(shí)，電壓12V和24V啟動(dòng)馬達(dá)，電纜線的電壓降0.5V—1V之間。
（2）蓄電池是柴油發(fā)電機(jī)出廠的配套包裝，就是蓄電池是新的狀態(tài)時(shí)，或者防止了一段時(shí)間以后。電池的容量不一定是滿荷電狀態(tài)時(shí)，必須按照電池廠家使用規(guī)定。對(duì)電池進(jìn)行充電，確保電池是滿荷電狀態(tài)。在柴油發(fā)電機(jī)組的操作正常工作過(guò)程中，通常應(yīng)該用于觀察充電電流的值是否合適。當(dāng)表指示值接近“0”時(shí)，或者當(dāng)充電器綠燈打開(kāi)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)電池已至滿荷電狀態(tài)，可以斷開(kāi)充電電源。
（3）柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)普通結(jié)構(gòu)如圖5所示。為了避免起動(dòng)后未及時(shí)放松開(kāi)關(guān)和誤接通起動(dòng)開(kāi)關(guān)，現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)通常會(huì)配置帶保護(hù)功能的啟動(dòng)馬達(dá)，如圖6所示。
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圖5 柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖（普通型） |
圖6 柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖（帶保護(hù)裝置） |
總結(jié)：
綜上所述，起動(dòng)柴油機(jī)時(shí)，蓄電池必須能在短時(shí)間（5～10s）內(nèi)向起動(dòng)機(jī)連續(xù)提供強(qiáng)大的起動(dòng)電流。柴油機(jī)一般需要500～1000A，甚至更大。因此，對(duì)發(fā)電用蓄電池的基本要求是容量大、內(nèi)阻小，以保證蓄電池具有足夠的起動(dòng)能力。一般而言，康明斯公司出廠柴油發(fā)電機(jī)組配置的啟動(dòng)電瓶為鉛酸蓄電池，其突出特點(diǎn)是內(nèi)阻小、起動(dòng)性能好、電壓穩(wěn)定，此外還有成本低、原料豐富等優(yōu)點(diǎn)，所以在柴油發(fā)電機(jī)組上廣泛應(yīng)用。
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