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柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式及輔助裝置介紹 |
摘要：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)用途和制造商的不同，其使用的啟動(dòng)系統(tǒng)也將不同，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)常見的啟動(dòng)方式分為人力啟動(dòng)（手搖式）、電啟動(dòng)（蓄電池）、氣起動(dòng)和液壓啟動(dòng)等起動(dòng)馬達(dá)。其中電啟動(dòng)方式是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最普及的裝置，由于使用方便，維護(hù)簡單且工作穩(wěn)定受到市場的普遍接納。下面由康明斯發(fā)電機(jī)公司為你介紹柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)工作原理、啟動(dòng)方式和輔助裝置的知識。
一、啟動(dòng)系統(tǒng)工作原理
發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，必須依靠外力助推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，才能得到初始的進(jìn)氣、壓縮、燃燒作功等幾個(gè)過程，產(chǎn)生動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)不斷地循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到開始運(yùn)轉(zhuǎn)的全過程，稱為啟動(dòng)。完成啟動(dòng)所需的一系列的裝置，稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系統(tǒng)，其原理如圖1所示。
發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，必須克服汽缸內(nèi)被壓縮的氣體阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)本身運(yùn)動(dòng)件及附件所產(chǎn)生的各種摩擦阻力和慣性力。克服這些阻力所需的力矩稱為啟動(dòng)力矩。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)所必需的最低轉(zhuǎn)速稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。對于柴油發(fā)電機(jī)，在0℃以上時(shí)，要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為（250～300）轉(zhuǎn)/分。由于柴油發(fā)電機(jī)壓縮比大，運(yùn)動(dòng)件慣性力大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速也較高，因此，它的啟動(dòng)功率比同功率的汽油機(jī)大（3～4）倍。
為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在任何溫度條件下都能可靠地啟動(dòng)，尤其是柴油發(fā)電機(jī)，通常采用各種便于啟動(dòng)的預(yù)熱裝置，對進(jìn)入汽缸的空氣或冷卻水套、下曲軸箱（油底殼）進(jìn)行預(yù)熱，一方可增加汽缸內(nèi)空氣的起燃溫度，一方面使各潤滑而的機(jī)油不致粘滯，減小引動(dòng)時(shí)所需扭矩。在柴油發(fā)電機(jī)上還裝減壓機(jī)構(gòu)便于啟動(dòng)。以電啟動(dòng)系統(tǒng)為例，結(jié)構(gòu)如圖2所示。起動(dòng)機(jī)的主要組成如下：
1、直流電動(dòng)機(jī)
用于將蓄電池輸入的電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械動(dòng)力(電磁轉(zhuǎn)矩)。
2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
用于將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力(電磁轉(zhuǎn)矩)傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪，并在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后自動(dòng)斷開發(fā)動(dòng)機(jī)向起動(dòng)機(jī)的逆向動(dòng)力傳遞。
3、電磁開關(guān)
控制起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的嚙合與分離以及電動(dòng)機(jī)電路的通斷。
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圖1 起動(dòng)機(jī)工作原理圖 |
圖2 起動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 |
二、啟動(dòng)方式
1、人力啟動(dòng)
（1）手搖式啟動(dòng)
一般在20KW以下小功率發(fā)動(dòng)機(jī)采用人力啟動(dòng)，這是最簡單的啟動(dòng)方法，通常用手搖柄或索直接轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。
（2）機(jī)械儲能式啟動(dòng)
彈簧儲能起動(dòng)機(jī)也稱彈簧馬達(dá)，外形如圖3所示。其原理是將人力多次轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能量，以彈簧作為介質(zhì)儲存起來，一次性釋放，從而起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，是“黑啟動(dòng)”或“癱船啟動(dòng)”的最佳解決方案，彈簧儲能起動(dòng)機(jī)可以有效的妳補(bǔ)電起動(dòng)的不足，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在蓄電池虧電狀態(tài)下（蓄電池不能帶動(dòng)電起動(dòng)機(jī)，但可以正常給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元供電）仍然可以正常起動(dòng)。
現(xiàn)有的手搖蝶形彈簧儲能起動(dòng)機(jī)主要由四大機(jī)構(gòu)組成，即盤動(dòng)機(jī)構(gòu)（儲能軸頭等部件）、儲能機(jī)構(gòu)（彈簧、輸出主軸、齒輪等組件）、釋放機(jī)構(gòu)（釋放手柄等部件）和離合機(jī)構(gòu)（離合器），搖動(dòng)盤動(dòng)機(jī)構(gòu)，增加彈簧的儲能，釋放能量時(shí)，釋放機(jī)構(gòu)工作控制離合機(jī)構(gòu)工作，使得儲能機(jī)構(gòu)的輸出主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過齒輪帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的目的。相對氣馬達(dá)及液壓馬達(dá)，彈簧儲能起動(dòng)機(jī)是一套集成的完整系統(tǒng)，無需依賴其他外部能源、無需維護(hù)保養(yǎng)的備用起動(dòng)裝置，僅需人力搖動(dòng)就可以起動(dòng)50L排量以內(nèi)的柴油機(jī)。適合于柴油機(jī)有應(yīng)急起動(dòng)要求的場合，如軍用野戰(zhàn)電源、船用應(yīng)急發(fā)電、搶險(xiǎn)\救援\應(yīng)急發(fā)電和水泵機(jī)組等。
2、電啟動(dòng)
直流起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方法廣泛用于各種現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)和各種用途的柴油發(fā)電機(jī)。這種方法是用鉛酸蓄電池作電源，由專用的直流啟動(dòng)起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)起來，所以也叫“電啟動(dòng)”，外形如圖4所示。為保證啟動(dòng)可靠，延長蓄電池的使用壽命，每次啟動(dòng)通電時(shí)間不得超過15s，連續(xù)使用不得超過3次，而且各次之間的間隙時(shí)間不少于1min。
柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)起動(dòng)機(jī)功率Nq，其公式為
Nq=（0．02～01）Ne（kW)
式中，Ne—為柴油發(fā)電機(jī)輸出的有效功率。
啟動(dòng)用蓄電池電壓為（12～24）V，容量為（100～200）Ah。
電啟動(dòng)目前柴油發(fā)電機(jī)中最常見，最普及的起動(dòng)方式，也因其大量使用而成本相對也較低，通過電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和自動(dòng)起動(dòng)功能。整套電起動(dòng)系統(tǒng)需要：電馬達(dá)，電池，控制組件、電纜，充電機(jī)等。
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圖3 彈簧儲能起動(dòng)機(jī)示意圖 |
圖4 康明斯電啟動(dòng)馬達(dá)外形圖 |
3、氣啟動(dòng)
對于功率較大的柴油發(fā)電機(jī)通常采用壓縮空氣啟動(dòng)，其方法有兩種：
（1）壓縮空氣起動(dòng)
壓縮空氣起動(dòng)就是具有一定壓力的壓縮空氣，再用空氣分配器將壓力為（2450～2940）kPa（25～30kgf/cm2）的高壓空氣，按照柴油發(fā)電機(jī)的工作次序送入各個(gè)汽缸，直接推動(dòng)活塞完成自行點(diǎn)火。壓縮空氣起動(dòng)的起動(dòng)能量大，啟動(dòng)迅速可靠，在緊急情況下可用壓縮空氣進(jìn)行剎車，但該裝置構(gòu)造復(fù)雜，重量較重，故此法一般適用于缸徑≥150mm的柴油發(fā)電機(jī)。
（2）氣動(dòng)馬達(dá)啟動(dòng)
氣動(dòng)馬達(dá)也稱為風(fēng)動(dòng)馬達(dá)，是指將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的裝置，外形如圖5所示。一般作為更復(fù)雜裝置或機(jī)器的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源。氣動(dòng)馬達(dá)按結(jié)構(gòu)分類為：葉片式氣動(dòng)馬達(dá)，活塞式氣動(dòng)馬達(dá)，緊湊葉片式氣動(dòng)馬達(dá)，緊湊活塞式氣動(dòng)馬達(dá)。整套氣起動(dòng)系統(tǒng)組成由氣馬達(dá)，油水分離裝置，控制組件，高壓管道，儲氣罐，空壓機(jī)等。
4、輔助汽油機(jī)啟動(dòng)
工程機(jī)械用柴油機(jī)，通常采用輔助汽油機(jī)啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)先用人力啟動(dòng)汽油機(jī)再通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。
5、液壓啟動(dòng)
液壓起動(dòng)器又叫液壓起動(dòng)馬達(dá)、液壓馬達(dá)，是利用液壓能驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)飛輪齒圈實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)的馬達(dá)稱為液壓起動(dòng)器，外形如圖6所示。事實(shí)上，液壓起動(dòng)依靠的是一套完整的液壓系統(tǒng)，并不僅僅只是一個(gè)液壓馬達(dá)。整套系統(tǒng)基本包含油箱，液壓起動(dòng)馬達(dá)，液力發(fā)生裝置，過濾器，壓力計(jì)，儲能器，控制閥、高壓油管等。價(jià)格十分高昂。一般只適合于特殊的應(yīng)用工況。
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圖5 氣動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖 |
圖6 液壓起動(dòng)馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖 |
三、柴發(fā)啟動(dòng)的輔助裝置
1、減壓機(jī)構(gòu)
（1）減壓機(jī)構(gòu)的作用
使氣門不受凸輪和氣門彈簧的控制而進(jìn)行啟動(dòng)，汽缸內(nèi)的壓力不會(huì)因壓縮而升高，從而減小啟動(dòng)時(shí)汽缸內(nèi)的壓縮阻力。
（2）減壓機(jī)構(gòu)工作原理
它用凸輪將配氣機(jī)構(gòu)推杵頂起，使進(jìn)氣門處于開啟狀態(tài)。
2、減速機(jī)構(gòu)
在起動(dòng)機(jī)的電樞軸與驅(qū)動(dòng)齒輪之間裝有齒輪減速器的起動(dòng)機(jī)，稱為減速起動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。串激式直流電動(dòng)機(jī)的功率與其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速成正比，可見，當(dāng)提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)降低其轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以保持起動(dòng)機(jī)功率不變，故當(dāng)采用高速、低轉(zhuǎn)矩的串激式直流電動(dòng)機(jī)作為起動(dòng)機(jī)，在功率相同的情況下，可以使起動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量大大減小。但是，起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩過低，不能滿足起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。為此，在起動(dòng)機(jī)中采用高速、低轉(zhuǎn)矩的直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)的電樞軸與驅(qū)動(dòng)齒輪之間安裝齒輪減速器，可以在降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)提高其轉(zhuǎn)矩。
3、預(yù)熱裝置
眾所周知，柴油發(fā)電機(jī)是靠高溫高壓使柴油自燃，因此，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，汽缸內(nèi)溫度的高低，對啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)影響很大，尤其環(huán)境溫度低的情況下，影響更大，所以用直流起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的柴油發(fā)電機(jī)，通常在輔助燃燒室中裝設(shè)電熱裝置，以便柴油在燃燒室內(nèi)容易霧化形成可燃混合氣。一般柴油發(fā)電機(jī)預(yù)熱裝置大部分采用水套加熱器，其外形結(jié)構(gòu)如圖8所示。
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圖7 啟動(dòng)馬達(dá)的二級減速機(jī)構(gòu) |
圖8 水套加熱器外形尺寸圖 |
四、啟動(dòng)系統(tǒng)改造措施
發(fā)電機(jī)組的控制柜供電電源為2組24V蓄電池，每組蓄電池的容量（24V，160Ah）能滿足柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)要求，在蓄電池充滿電后每組蓄電池能保證連續(xù)啟動(dòng)3次，兩組共保證6次。2組蓄電池處于一主一備狀態(tài)，具有自動(dòng)切換功能。兩套啟動(dòng)系統(tǒng)的切換邏輯是通過兩組啟動(dòng)蓄電池的電壓低信號進(jìn)行切換，一主一備，啟動(dòng)過程中主用蓄電池的端電壓低于23.2V，則切換至備用蓄電池啟動(dòng)，但只要主用蓄電池的端電壓恢復(fù)至23.2V，則斷開備用蓄電池，還是通過主用蓄電池來啟動(dòng)，當(dāng)然，所有的這些切換時(shí)間，均應(yīng)在柴油發(fā)電機(jī)組的一個(gè)啟機(jī)時(shí)間間隔（5S）之內(nèi)。這些邏輯都是通過電控柜的繼電器來實(shí)現(xiàn)的。
1、啟動(dòng)成功率低及原因分析
（1）柴油機(jī)啟機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)切換邏輯的因素。
在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過程中，兩套啟機(jī)系統(tǒng)之間頻繁自動(dòng)切換，難以給機(jī)組提供持續(xù)的啟動(dòng)力矩，造成柴油發(fā)電機(jī)組啟機(jī)能力不強(qiáng)，尤其是大修解體之后，首次啟動(dòng)成功率較低。
（2）柴油機(jī)啟機(jī)系統(tǒng)充電裝置的因素。
由于某些用戶充電裝置的產(chǎn)品型號陳舊，性能不穩(wěn)，特別是出現(xiàn)過柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)蓄電池失效后檢查發(fā)現(xiàn)非工作狀態(tài)下初始電壓即低于24V的情況，分析認(rèn)為存在充電器無法將蓄電池充足的問題。
（3）柴油機(jī)啟機(jī)系統(tǒng)蓄電池容量的因素。
鑒于以往機(jī)組大修后應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)中，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在一個(gè)啟動(dòng)信號周期（5S）內(nèi)，兩套蓄電池的電壓一共下降了12次（每套蓄電池均下降了6次），并且隨著蓄電池供電次數(shù)的增加，蓄電池的恢復(fù)電壓（負(fù)荷切除后的電壓）逐次下降。即應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后，蓄電池電壓在平均約0.4S就下降到了23.2V而導(dǎo)致了兩套蓄電池的切換。數(shù)據(jù)還僅是LLS柴油發(fā)電機(jī)組1次啟動(dòng)而采集的數(shù)據(jù)，而實(shí)際上蓄電池的供電是為3次正常啟動(dòng)而設(shè)計(jì)的，由此就工程實(shí)踐中負(fù)荷的要求來看目前的蓄電池容量有必要進(jìn)行擴(kuò)容。蓄電池容量需要進(jìn)行擴(kuò)容的另一個(gè)原因是其工作的環(huán)境因素即溫度因素。在電池溫度降低的情況下，特別是在溫度低于10℃時(shí)，其放電容量會(huì)有大幅降低。因此蓄電池工作溫度是蓄電池容量選擇中不得不考慮的一個(gè)重要因素。
2、啟動(dòng)成功率低的改進(jìn)方案
（1）改進(jìn)啟機(jī)系統(tǒng)的切換邏輯。
為了驗(yàn)證是否可以通過一套發(fā)電機(jī)組啟機(jī)系統(tǒng)就能成功完成發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的成功啟動(dòng)，在通過短接觸點(diǎn)的方式閉鎖兩套啟機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)切換以實(shí)現(xiàn)僅通過一套啟機(jī)系統(tǒng)來完成啟動(dòng)。通過蓄電池電壓波形來確認(rèn)兩組電池沒有進(jìn)行切換。僅用一套啟機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果表明：在試驗(yàn)過程中，僅有一套啟機(jī)系統(tǒng)在工作，即可一次成功啟動(dòng)。即可考慮修改兩套啟機(jī)系統(tǒng)之間的自動(dòng)切換邏輯，以減少2套LLS系統(tǒng)啟機(jī)系統(tǒng)的切換頻度，為LLS柴油機(jī)系統(tǒng)提供了持續(xù)可靠的啟動(dòng)力矩，并保護(hù)啟動(dòng)電機(jī)免受沖擊。
（2）調(diào)整啟機(jī)系統(tǒng)的切換定值。
由LIS啟機(jī)系統(tǒng)單套啟機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)的試驗(yàn)可知，單套啟機(jī)系統(tǒng)就能完成應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的正常啟動(dòng)。由于采用PLC控制，而PLC的電源要求直流24V，范圍-15%~20%（20.4V~28.8V），啟動(dòng)蓄電池在柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)電壓低于20.4V有可能影響柴油機(jī)啟動(dòng)性能，結(jié)合《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL/T5044-2004中對于蓄電池出口端電壓在放電情況下的電壓下限的要求：專供動(dòng)力負(fù)荷的直流系統(tǒng)，應(yīng)不低于直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的87.5%。對于應(yīng)急啟機(jī)系統(tǒng)的24V電壓而言，其端電壓的下限應(yīng)為24*87.5%=21V，可考慮將啟機(jī)系統(tǒng)的切換電壓定值調(diào)低到21V。
總結(jié)：
通過對啟動(dòng)系統(tǒng)一次成功率低進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)可靠性低的原因分析，提出了3大類改進(jìn)方案：修改切換邏輯（修改電壓低切換定值和增加電壓低切換的延時(shí)環(huán)節(jié)）、充電裝置換型和蓄電池?cái)U(kuò)容。以上三種改進(jìn)方案可以相互獨(dú)立，均可以在一定程度上提高應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)成功率，基于經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性的考慮，優(yōu)選修改切換邏輯（增加電壓低切換的延時(shí)環(huán)節(jié)）和充電裝置換型方案，將修改切換邏輯（修改電壓低切換定值）和蓄電池?cái)U(kuò)容作為備選方案。對于出現(xiàn)類似發(fā)電機(jī)組一次啟動(dòng)成功率低的電廠，在無條件或短期無法修改啟機(jī)邏輯和充電器換型的情況下，也可根據(jù)自身情況采用備選方案：“修改電壓低切換定值”和“蓄電池?cái)U(kuò)容”，以此提高發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)的可靠性。
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