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操作使用與維護保養(yǎng) |
柴油發(fā)電機啟動條件和對蓄電池的要求 |
摘要：柴油發(fā)電機、起動機與蓄電池三者關(guān)系是柴油機決定所需起動機功率，起動機功率決定所需蓄電池容量。故進行起動機設(shè)計之前，對三者進行相應(yīng)的匹配分析估算，比較合理地確定柴油機需配起動機的性能參數(shù)，有利于更好地為柴油機服務(wù)，有利于提高起動系統(tǒng)工作的可靠性、耐久性、經(jīng)濟性。起動機工作的環(huán)境溫度按標(biāo)準為-30~105 ℃，但由于高溫時起動困難，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 ℃低溫情況進行柴油機所需配套起動機的功率估算，這樣既符合絕大多數(shù)柴油機處于較惡劣環(huán)境下的工況，基本上能滿足柴油機對起動機的性能要求，又有利于起動系統(tǒng)的經(jīng)濟性。對低于-18 ℃的低溫起動，宜由柴油發(fā)電機生產(chǎn)廠家針對性研究進行功率匹配。
一、柴發(fā)的啟動條件
使柴油發(fā)電機從靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)的全過程，叫柴油發(fā)電機的起動，完成起動所需要的裝置叫啟動系統(tǒng)，柴油機與啟動系統(tǒng)之間關(guān)系如圖1所示。啟動系統(tǒng)電路如圖2所示，其原理是起動時接通起動開關(guān)，起動電機電路通電，繼電器的吸引線圈和保持線圈通電，產(chǎn)生很強的磁力，吸引鐵芯左移，并帶動驅(qū)動杠桿繞其銷軸轉(zhuǎn)動，使齒輪移出與飛輪齒圈嚙合。與此同時，由于吸引線圈的電流通過電動機的繞組，電樞開始轉(zhuǎn)動，齒輪在旋轉(zhuǎn)中移出，減小沖擊。如果齒輪與飛輪齒端相對，不能馬上嚙合此時彈簧壓縮，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)過一個角度后，齒輪與飛輪迅速嚙合。當(dāng)鐵芯移動到使短路開關(guān)閉合的位置時，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關(guān)吸合的位置。
柴油發(fā)電機的設(shè)計是在-15℃環(huán)境溫度時，不依靠低溫起動裝置能夠順利起動，因此需要起動機提供125 r/min 以上的拖動轉(zhuǎn)速。起動機電壓如為24V，柴油機起動條件如下：
（1）起動轉(zhuǎn)矩
能夠使曲轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩，起動轉(zhuǎn)矩必須克服壓縮阻力和內(nèi)磨擦阻力矩。起動阻力矩與柴油發(fā)電機壓縮比、溫度、機油粘度等有關(guān)。
（2）起動轉(zhuǎn)速
能使柴油發(fā)電機起動的曲軸最低轉(zhuǎn)速稱為起動轉(zhuǎn)速，在0~20℃時，柴油機的起動轉(zhuǎn)速為150~300r/min。
（3）起動輔助裝置
柴油發(fā)電機在嚴寒冬季起動困難，這是由于機油粘度增高，起動阻力矩增大，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，在冬季應(yīng)設(shè)法將進氣、潤滑油和冷卻水預(yù)熱。柴油機冬季起動困難尤大。柴油機為了能在低溫下迅速可靠的起動，常采用一些用以改善燃料著火條件和降低起動轉(zhuǎn)矩的起動輔助裝置。如電熱塞、進氣預(yù)熱器、起動液噴射裝置以及減壓裝置等。
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圖1 柴油機起動機與蓄電池關(guān)系圖 |
圖2 柴油機啟動系統(tǒng)電路圖 |
二、柴發(fā)對啟動系統(tǒng)的要求
起動機是柴油發(fā)電機電啟動的必備裝置，起動機主要包括電動機、電磁開關(guān)、離合器以及減速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)剖面圖如圖3所示。電動機引入來自蓄電池的電流并且使起動機的驅(qū)動齒輪產(chǎn)生機械運動；傳動機構(gòu)將驅(qū)動齒輪嚙合入飛輪齒圈，同時能夠在發(fā)動機起動后自動脫開；啟動機電路的通斷則由一個電磁開關(guān)來控制。其中，電動機是起動機內(nèi)部的主要部件，電動機包括必要的電樞、換向器、磁極、電刷、軸承和外殼等部件。
1、起動機額定功率對蓄電池的要求
當(dāng)柴油發(fā)電機在-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，應(yīng)采用高容量蓄電池和低溫蓄電池，以補償起動電流因溫度下降而造成的損失。
表1 起動機功率和蓄電池容量之間的匹配參數(shù)
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起動機功率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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冷啟動電流
AH
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蓄電池容量
AH
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冷啟動電流
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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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
蓄電池和起動機之間的電纜連接如圖4所示。起動機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，如果電線過長，選用的截面積要相應(yīng)加大，因為電路電阻過大，會造成電壓降加大，會發(fā)生起動機的齒輪嚙合不良，或者起動轉(zhuǎn)速過低，使低溫起動性能惡化。根據(jù)起動機的額定功率，推薦電線的截面積見下表2。
表2 起動機和蓄電池之間連接電纜的匹配參數(shù)
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起動機額定功率（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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起動機電源線截面積（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 柴油機啟動馬達結(jié)構(gòu)和電路示意圖 |
圖4 柴油機啟動馬達和蓄電池接線圖 |
三、起動機功率與蓄電池容量的確定
1、起動機功率的選擇
起動機的功率P（kW）應(yīng)根據(jù)柴油機起動所需功率選取，它取決于柴油機的起動阻力矩MQ（N·m）和最低起動轉(zhuǎn)速nQ（r/min），并可由式1計算：
P≥MQnQ/9550..........................（公式1）
（1）起動阻力矩
柴油機的起動阻力矩是指在最低起動轉(zhuǎn)速時的柴油機阻力矩，主要包括氣缸氣體壓縮阻力矩、運動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℃時柴油機的阻力矩；
V——柴油機的工作容積（L）；
C?——系數(shù)，不同柴油機的系數(shù)。
（2）最低起動轉(zhuǎn)速
柴油機的最低起動轉(zhuǎn)速是指起動時能保證進入氣缸內(nèi)的混合氣在壓縮終了時具有一定的溫度和良好的霧化，能使柴油機可靠點火發(fā)動所需的最低轉(zhuǎn)速。柴油發(fā)電機的最低起動轉(zhuǎn)速為100～200r/min。
溫度為0℃時柴油機起動所需功率可由經(jīng)驗公式3推算：
P=（0.74～1.1）V..........................（公式3）
2、傳動比選擇
起動機與柴油機的傳動比一般在如下范圍內(nèi)選擇：柴油發(fā)電機為8～10。
3、蓄電池容量的選擇
起動機的功率確定以后，可以按經(jīng)驗公式4確定蓄電池的容量：
c=（610~810）（P/U）..........................（公式4）
式中，U——起動機額定電壓（V）;
P——起動機額定功率（kW）;
C——蓄電池額定容量（A·h）。
對于大功率起動機（7.0～10kW），蓄電池的容量可以選擇比計算值小一些。
四、啟動系統(tǒng)的使用與注意事項
免維護蓄電池是柴油發(fā)電機啟動工作的電源裝置，其性能直接影響柴油發(fā)電機正常啟動工作，并且應(yīng)根據(jù)啟動特性選擇適合容量的起動電池。市場通常基于經(jīng)驗，這將導(dǎo)致容量過高，或者無法啟動太小的能力?？得魉共裼桶l(fā)電機組所用的啟動電池，可以根據(jù)CCA來匹配啟動馬達，合理且最大化的利用電池容量。匹配公式如下：
CCA =（啟動馬達÷起動電壓）×2.5..........................（公式5）
（1）匹配電池前要確認電池安裝位置，接線應(yīng)盡可能靠近起動馬達，以縮短電池和馬達之間電纜線連接線的長度，同時防止啟動時的連接線壓降，并且電線用于35平方毫米低壓電纜線線。當(dāng)馬達啟動電流大時，電壓12V和24V啟動馬達，電纜線的電壓降0.5V—1V之間。
（2）蓄電池是柴油發(fā)電機出廠的配套包裝，就是蓄電池是新的狀態(tài)時，或者防止了一段時間以后。電池的容量不一定是滿荷電狀態(tài)時，必須按照電池廠家使用規(guī)定。對電池進行充電，確保電池是滿荷電狀態(tài)。在柴油發(fā)電機組的操作正常工作過程中，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，或者當(dāng)充電器綠燈打開時，柴油發(fā)電機電池已至滿荷電狀態(tài)，可以斷開充電電源。
（3）柴油機啟動馬達普通結(jié)構(gòu)如圖5所示。為了避免起動后未及時放松開關(guān)和誤接通起動開關(guān)，現(xiàn)代柴油發(fā)電機通常會配置帶保護功能的啟動馬達，如圖6所示。
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圖5 柴油發(fā)電機啟動馬達結(jié)構(gòu)示意圖（普通型） |
圖6 柴油發(fā)電機啟動馬達結(jié)構(gòu)示意圖（帶保護裝置） |
總結(jié)：
綜上所述，起動柴油機時，蓄電池必須能在短時間（5～10s）內(nèi)向起動機連續(xù)提供強大的起動電流。柴油機一般需要500～1000A，甚至更大。因此，對發(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能力。一般而言，康明斯公司出廠柴油發(fā)電機組配置的啟動電瓶為鉛酸蓄電池，其突出特點是內(nèi)阻小、起動性能好、電壓穩(wěn)定，此外還有成本低、原料豐富等優(yōu)點，所以在柴油發(fā)電機組上廣泛應(yīng)用。
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