康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机组冷启动影响因素与加热装置特点

 

摘要：柴油发电机启动是否顺利是柴油发电机重要性能指标之一，而冷启动时想要启动顺利，并且要求污染小、油耗低、转速稳定，这对将柴油发电机电子控制提出了更高的要求。康明斯公司在本文针对影响电喷型发电机组冷启动性能的因素进行分析，影响因素包括进气量、喷油时刻与时间、混合气的形成、点火正时、配气相位等，各个因素之间又都有相互联系，在进行性能优化时必须充分考虑其他因素的影响，要通过深入的研究和试验，对柴油发电机冷启动时控制参数进行合理匹配，实现电喷型康明斯发电机组在低污染、低油耗下保证低温冷启动成功。


一、柴发冷启动的影响因素

1、 点火提前角的影响

      在柴油发电机做功过程中，最高燃烧压力出现在上止点后12°-15°时，做功能力最强，柴油发电机输出功率最大，从点火到最高燃烧压力点，得有一定的过程，这就需要点火时刻在压缩行程上止点之前某个时刻，即以曲轴转角表示的点火提前角。

      点火提前角的大小对柴油发电机性能的影响很大，点火提前角过小，则燃烧延长至膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，热效率降低，功率降低；点火提前角过大，容易导致爆震，并且活塞还未到达上止点，气缸内可燃混合气的燃烧压力已很大，与活塞的运动方向相反，作用在活塞顶部，产生较大的负功，使有效功率降低。启动过程中点火提前角的选取极为关键，点火提前角过大过小都会导致动力不足，不足以克服柴油发电机阻力矩，使得柴油发电机难以启动。有实验数据表明，以康明斯柴油发电机为例，初始点火提前角为7°和-3°时，在启动过程中转速都出现跌至50 r/min以下的情况，最多上冲到500 r/min左右，柴油发电机难以启动成功；初始点火提前角为3°时，能顺利启动柴油发电机。

      因此，对于某一特定型号的柴油发电机，确定启动时的最佳点火提前角，以后随柴油发电机各种参数的变化而变化。影响最佳点火提前角的因素较多，如转速、负荷、大气压力、温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、废气再循环等。

2、混合气浓度的影响

（1）混合气浓度不当

      柴油发电机不但难以启动，还造成排放污染物增多。混合气燃烧与启动、功率、温度之间的关系曲线如图1所示。

① 混合气浓度过稀，缸内燃烧会很不完全，容易熄火，只有部分燃料参与燃烧，因而产生大量的HC排放。

② 混合气过浓，缺少助燃的空气，也会使得缸内燃烧不完全，燃烧速度降低，导致HC排放明显增加，同时CO增多。特别是首循环燃烧对于柴油发电机冷启动整体排放相当重要，如果首循环失火将产生大量的HC，并影响后续燃烧的稳定性。首循环燃烧的缸压较高，燃烧稳定，HC的排放就低，而首循环混合气浓度过浓或者过低时，瞬态HC排放会急剧增加。所以，柴油发电机启动首循环的控制必须首先确保混合气浓度。

（2）防止缸内产生失火

① 柴油发电机首循环喷入的燃料，有大部分残留在进气道内，由于柴油发电机温度较低，最初几个循环中柴油液体不能充分蒸发，有一部分液体流进气缸内，凝结在气缸壁上，湿壁现象严重；

② 冷启动时缸壁温度较低，水蒸气易发生凝结，火花塞吸附液态燃料或水的可能较大，失火发生的概率增加；

③ 液体燃料只有部分蒸发，实际进入气缸的燃料不多，火焰传播时容易熄火。燃油沉积在气道壁面上，而进气道绝对压力随柴油发电机转速的变化相应剧烈变化，但转速的变化不可能与喷油量、燃料蒸发速度的变化恰到好处，难免会出现混合气过浓或者过稀，这些都造成柴油发电机启动困难和HC排放增多。

      为了保证冷启动可靠，最初几个循环要提供非常浓的混合气，但浓的混合气导致HC排放大大增多，所以冷启动工况，在保证可靠点火的前提下，必须控制最初几个循环的混合气浓度，来降低HC的排放。影响混合气浓度的因素有启动时的进气量、喷油时间和时刻等。

3、温度的影响

（1）大气温度、冷却液温度低，燃油的雾化质量较差，需提供较大的循环供油量，使得混合气加浓，冷却液温度越低，混合气越浓；

（2）缸壁的激冷效应会造成火焰淬熄现象，部分混合气未燃或者不完全燃烧，导致HC和CO的排放量较大。随着冷却液温度和燃烧室壁面温度的逐渐升高，激冷层厚度不断减少，循环供油量也在逐渐减少，混合气浓度不断降低。电控柴油发电机控制根据启动时冷却液温度确定基本循环供油量，与进气量合理匹配，形成合适的混合气浓度，顺利启动柴油发电机。由于供油量较大，为了避免火花塞“淹死”，有的柴油发电机控制系统要求电磁喷油器在柴油发电机每一转中分多次进行喷射。如康明斯柴油发电机在冷启动时，与冷却液温度有关的喷油量以曲轴喷3次/圈的方式喷入，共喷5圈。在喷完5圈后，喷油量变小至一个与转速有关的喷油量。

（3）合适的喷射时刻，会降低燃油湿壁现象的影响。

4、燃料蒸发特性和雾化效果的影响

      改善燃油的挥发性对降低冷启动过程HC排放有利，据报道，有研究者设计了部分氧化系统，将液体燃料转化为气态燃料，还有进气道空气辅助喷射，如此在冷启动阶段就可少提供一些燃油，降低HC排放。改善燃料的雾化效果，减少燃油粒径，尽量减少燃油在进气道和燃烧室壁面的沉积，也有利于降低HC排放。国内外许多研究者作了积极的探索，如使用涡旋型喷油器，并在喷油器内部安装加热装置。燃料蒸发和雾化变好，有利于形成合适的混合气浓度，即便于启动，又降低HC的排放。

5、配气相位的影响

      配气相位直接影响进入气缸的混合气质量及混合气形成和燃烧特性，相位演示图如图2所示。在启动阶段，转速低，进入气缸的空气流速慢，因此对混合气的扰流强度小，恶化了燃油混合的均匀性及蒸发和雾化质量，在启动过程气门重叠角期间，进气管和缸内真空度很高有可能会使废气倒流，前一个循环残余废气对工质进行稀释，混合气的质量变差，影响火焰前锋的发展，导致下一个循环燃烧恶化，不利于冷启动过程燃烧的稳定性。不佳的气门重叠角还会使未燃的混合气由排气门短路逃逸，造成HC排放量剧增，启动困难。因此，确定启动时的配气相位至关重要。

      通过分析研究，柴油发电机冷启动时需要控制的内容包括进气量、喷油时刻与时间、混合气的形成、点火正时、配气相位等。各个因素之间都有相互联系，在进行性能优化时都必须考虑其他因素的影响，要通过深入研究和试验，对柴油发电机冷启动时控制参数进行合理匹配，使柴油发电机启动顺利，并且污染小，油耗低，转速稳定，则对柴油发电机电子控制提出了更高的要求，很好地规划一个全方位的控制策略，确定柴油发电机冷启动时的控制方法，最终实现冷启动时各参数的精确控制，在低污染、低油耗下保证低温冷启动成功。

 

图1  柴油机空燃比曲线图

图2  柴油机配气相位示意图

 

二、柴发冷启动装置

 

      如果用户有高寄生负载、极端的寒冷环境、特别的柴油发电机负载要求或配置问题等特殊应用，请在购买以前咨询康明斯发电机组供应商。

1、乙醚启动装置系统

      乙醚电磁阀控制是被用于驱动输送乙醚到进气歧管的继电器和/或电磁阀。当有使用启动装置的指令时，ECU控制乙醚电磁阀的控制输出。康明斯提供与每个柴油发电机独特冷启动策略相符合的可选乙醚启动系统。请参见工业柴油发电机零部件价格清单。如果使用第三方的乙醚喷射系统，康明斯柴油发电机的质保无效。

      如果冷却液温度传感器和进气温度传感器存在故障。ECU不激活乙醚喷射系统。如果冷却液温度传感器或进气温度传感器其中一个有故障，那么正常的传感器将使用在乙醚控制策略中。如果冷却液温度传感器和进气温度传感器都是有效的，那么冷的温度将被使用。如果两个传感器都是有效，那么进气加热器的使用将不会影响乙醚控制策略。

      乙醚控制策略是以温度和海拔为基础建立在乙醚喷射期间的。如果温度在临界值以下{在海平面0℃(32℉)},并试图使柴油发电机启动，乙醚电磁阀控制将“激活“，直到柴油发电机转速达到少于低怠速的50RPM。如果柴油发电机已启动或防止燃料注射重复情况，乙醚电磁阀控制将“禁止”。

      当柴油发电机的转速大于零时乙醚才开始喷射，柴油发电机盘车以前乙醚将不会喷射。用户不能对温度的临界值进行可编程。

表1    乙醚启动装置系统安装零件

 

2、进气口加热器

（1）进气口加热器操作

      进气加热（IAH）被用来改善柴油发电机的冷启动。ECU通过进气加热器继电器来控制IAH。加热器和继电器是安装在康明斯的柴油发电机上，安装示例如图3所示，电路连接如图4所示。进气加热器和乙醚启动装置能安装在同一个柴油发电机上。ECU启动装置策略控制设备的优先级，以便这些装置不能在同一时间操作。

      进气加热器运行在5个不同的阶段分为功率上升，预先加热，柴油发电机摇车，柴油发电机运行和后加热。进气加热器运行在各个阶段的调变点温度取决于冷却液温度和进气温度合计。以下是在正常启动的5个阶段进气加热器的操作概述：

① 功率上升周期：

      加热器和等待启动灯将打开，如果温度不能满足预加热条件，那么2秒钟后灯会关闭。上升周期本来主要是元件检查阶段，将不会理会温度或柴油发电机转速如何。

② 预加热周期：

      如果冷却液温度和进气歧管空气温度合计低于64℃(147℉),在预加热周期ECU将转化到进气空气加热器继电器输出，并且等待启动灯开启30秒以上。如果预加热结束以前就试图启动柴油发电机，在柴油发电机盘车启动期间ECU将继续控制加热器。当柴油发电机检测到转速时等待启动灯将关闭。如果柴油发电机转速仍然是0RPM,不管温度如何，最多30秒钟后加热器和灯都将关闭。

③ 柴油发电机盘车周期：

      当在盘车期间，如果冷却液温度和进气歧管温度合计少于147℉或64℃，加热器将开启。如果柴油发电机启动失败，预加热周期将重启。

④ 柴油发电机运行周期：

      柴油发电机获得较低的怠速后，通过进气歧管空气温度和冷却液温度的组合来决定IAH是否运行。如果温度条件满足，加热器可能开启最多7分钟。任何时候进气歧管空气温度和冷却液温度合计超过147℉或64℃，进气管加热器将关闭。如果柴油发电机熄火或停止，预加热周期会重启。

⑤ 后加热周期：

      如果柴油发电机处于运行周期7分钟后，冷却液温度和空气温度是低于147℉或64℃。那么加热器会循环在开启和停止之间再运行13分钟，此时该周期会10秒钟开启和10秒钟关闭。

      如果冷却液温度传感器和进气歧管空气温度传感器存在故障，ECU将不会激活空气进气加热器。如果冷却液温度传感器存在活动代码，并且进气歧管空气温度低于10℃(50℉)，那么加热器将被激活。如果进气歧管温度传感器存在活动代码，并且冷却液温度低于40℃(104℉)，那么加热器将被激活。

（2）进气加热器安装

      客户负责连接进气加热器继电器则连接头到蓄电池电压，康明斯推荐在这一线路上使用130 安培的电路保护，且有连续100安培的电流负载能力。进气加热器继电器最长开启时间为7分钟，最低需要导线的规格为4AWG 。储电池电源线必须固定，并且不要附着在燃油管线上。使用9.0±1.0N.m的扭矩紧固在接线端子上的线鼻子。线鼻子螺母和锁紧垫圈是继电器配备好的。

 

图3  柴油机进气加热器安装图

图4  柴油机进气加热器电路图

 

总结：
        启动过程的控制一方面要顺利启动，另一方面要控制排放污染物。柴油发电机正常启动的三个要素为强且正时准确的高压火花、合适的空燃比、足够的气缸压力，这三方面均应符合要求，缺一不可。总之，我们清楚地认识到影响柴油发电机启动的决定因素有压力、点火、供油、温度、最低启动转速。除此之外，为使柴油发电机顺利启动，还必须具备其基本前提：即柴油发电机装配要符合有关技术要求，如各轴瓦的配合间隙、气门间隙、配气相位以及各运动副之间的润滑状况。否则，过大的曲轴扭矩将使启动机带不动。不正确的配气相位（气门开闭）也影响其正常启动。

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