常温与低温下柴油机启动能力检查、测试及差异比较

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发布时间：2023-09-28 00:18:45 ▏阅读：次

摘要：起动性能是柴油发电机的重要技术指标之一，其过程虽仅持续数秒，却涉及柴油机从静止到运转的剧烈工况跃迁，必须满足起动力矩、起动转速、气缸压力/温度及预润滑程度等必要条件。本文以康明斯柴油机起动系统为研究对象，系统阐述起动机的数学模型，并基于二维静态/瞬态电磁场模型对永磁直流起动机进行有限元仿真，分析静态与带载瞬态下的磁场分布特征。针对低温起动，分析环境温度对燃油蒸发性、润滑油粘度、蓄电池容量及起动机输出特性的综合影响，对比常温与低温起动的关键差异，为柴油发电机组起动系统的匹配设计与低温环境适应性评估提供理论依据与试验方法。

一、起动机的数学模型与电磁场仿真

1. 起动机的数学模型

起动机的电压平衡方程可表示为：

$\begin{matrix} ε = U_{N} - i_{a} (R_{0} + R_{b} + R_{a}) - L_{a} \frac{d i_{a}}{d t} & (1) \end{matrix}$

式中， $ε$ 为电枢反电动势； $U_{N}$ 为蓄电池额定电压； $R_{0}$ 为蓄电池内阻； $R_{b}$ 为电刷接触电阻； $R_{a}$ 为电枢绕组电阻； $L_{a}$ 为电枢电感； $i_{a}$ 为电枢电流。

电枢电流随时间的变化为：

$\begin{matrix} \frac{d i_{a}}{d t} = \frac{U_{N} - ε - i_{a} (R_{0} + R_{b} + R_{a})}{L_{a}} & (2) \end{matrix}$

起动机的转矩方程为：

$\begin{matrix} T = T_{L} + R_{ω} \cdot ω + J \frac{d ω}{d t} & (3) \end{matrix}$

式中， $T 为起动机电磁转矩；$ $T_{L}$ 为负载力矩； $R_{ω}$ 为旋转阻尼系数； $ω$ 为起动机角速度； $J 为转子转动惯量。$

起动机的输出功率 $P 为：$

$\begin{matrix} P = E \cdot I_{a} = \frac{p N}{60} \cdot α_{p} \cdot ϕ \cdot I_{a} & (4) \end{matrix}$

式中， $p 为极对数；$ $N$ 为每相绕组匝数； $α_{p}$ 为极弧系数； $ϕ 为每极磁通量。可见输出功率由电枢绕组感应电动势$ $E$ 和电枢电流 $I_{a}$ 共同决定，与 $p$ 、 $N$ 、 $α_{p}$ 、 $ϕ$ 及 $I_{a}$ 等参数相关。

2. 起动机的电磁场仿真

起动机采用永磁直流电动机，基于二维静态电磁场模型假设：

（1）磁瓦等效为两侧有面电流的永磁铁，磁化曲线为退磁曲线在原点位置的镜像；

（2）以电枢铁心与磁瓦平均轴向长度为计算长度；

（3）电枢绕组电流均匀分布，电刷位于几何中心线；

（4）矢量磁位仅含轴向分量；

（5）采用三节点三角形单元划分网格；

（6）定子外壳和转子内径处矢量磁位为0，满足第一类狄里克利边界条件。

基本方程和边界条件为：

$\begin{matrix} \nabla \times (\frac{1}{μ} \nabla \times \vec{A}) = {\vec{J}}_{e} + {\vec{J}}_{s} & (5) \end{matrix}$

式中， ${\vec{J}}_{e}$ 为外加电流密度； $μ_{1}$ 、 $μ_{2}$ 分别为永磁材料和铁心的磁导率； ${\vec{J}}_{s}$ 为永磁体侧面面电流。

定转子通过气隙解耦，转子旋转以有限元网格转动实现。动态磁场方程为：

$\begin{matrix} \nabla \times (\frac{1}{μ} \nabla \times \vec{A}) + σ \frac{\partial \vec{A}}{\partial t} = {\vec{J}}_{s} & (6) \end{matrix}$

能量函数为： $\begin{matrix} W = \int (\frac{1}{2} \vec{B} \cdot \vec{H}) d V & (7) \end{matrix}$

在静态磁场分析中，以定子外壳和转子轴为边界条件，24V恒定电压为激励源，磁场分布如图1所示。定子内壳和转子中心轴外侧磁场密集，漏磁通较小。瞬态分析（图2）中，考虑蓄电池端电压为动态量，起动机槽内每股导线128根，4极转子含4条换向支路。带载运动时定子内壳磁力线较密，磁场易饱和，永磁体闭合区域漏磁通明显增大。

柴油发电机起动机静态磁场分布.png

图1 柴油发电机起动机静态磁场分布

柴油发电机起动机瞬态磁场分析图.png

图2 柴油发电机起动机瞬态磁场分析图

二、常温下启动性能试验

柴油发电机组常温启动性能试验，主要考核机组在常温条件下能否快速、可靠地启动并投入带载运行。这项试验需遵循特定标准，关键技术指标包括启动成功率和带载时间要求。其接线如图3所示，测试原理如图4所示。

1. 常温不发火拖动测试

为直观判定起动能力，对启动电机拖动柴油发电机的工作状态进行测试。在柴油机不发火状态下，监控转速和启动电机电压，判定是否满足最低起动转速要求。同时监控缸内压缩压力，判定气体是否满足发火温度要求。试验记录拖动转速曲线、拖动扭矩曲线及缸内压缩压力测量结果。

2. 试验注意事项

康明斯发电机组常温冷态条件下（非增压≥5℃，增压≥10℃），按使用说明书方法启动三次，间隔10min，一次成功即为合格。注意事项包括：

① 燃油、润滑油均按产品规范规定使用；

② 在试验室或自然环境中进行试验；

③ 具有两种以上启动方式的机组，每种方式分别进行三次，启动成功后即停机，10min后进行下一次；

④ 按说明书做好启动前准备；

⑤ 一人记录、一人操作，启动过程中不允许调整或更换零件；

⑥ 记录员下达“开始启动”指令后秒表计时，操作人员立即启动；

⑦ 启动后建立电压、控制屏指示灯亮、可带满载稳定工作表示成功，记录时间；

⑧ 记录环境温度、相对湿度、大气压力和启动成功时间。

柴油发电机组带载测试接线图.png

图3 柴油发电机组带载测试接线图

柴油发电机组负载测试系统图.png

图4 柴油发电机组负载测试系统原理图

三、低温启动性能影响与试验

1. 柴油机低温起动的影响因素

低温下柴油机快速可靠起动需可靠的起动系统，关键参数包括电磁功率、输出功率、转矩、转速及感应电动势。除起动机结构参数外，还受环境温度、柴油机状态、蓄电池容量等因素影响：

（1）燃油蒸发性恶化：低温下燃油粘度密度增大，雾化不良，喷入缸内燃油过多且油滴尺寸偏大，贯穿度增大，燃油碰触冷燃烧室壁，燃烧效果差。

（2）摩擦阻力增大：低温下润滑油运动粘度剧增（0℃时粘度为100℃时数值的数千倍），起动阻力矩显著增大，最低着火转速提高。

（3）蓄电池输出下降：低温下电解液粘度和电阻增大，输出电压降低，起动电流减小，起动机驱动乏力。

2. 低温试验注意事项

柴油发电机组应有低温启动措施。在环境温度-40℃（或-25℃）时，功率≤250kW的机组应能在30min内顺利启动，并具备启动后3min内带25%额定负载稳定工作的能力；功率＞250kW机组按康明斯技术规范执行。注意事项包括：

① 燃油、润滑油按产品规范规定；

② 在试验室或自然环境中试验；

③ 具有两种以上启动方式的机组，每种方式分别进行三次，启动成功后即停机，10min后进行下一次；

④ 一人记录、一人操作，过程中不允许调整或更换零件；

⑤ 采用产品规范规定的低温启动措施，措施准备时间计入启动成功时间；

⑥ 记录员下达指令后秒表计时，操作人员立即操作低温措施并启动；

⑦ 启动后建立电压、控制屏指示灯亮、可带25%额定负载稳定工作表示成功；

⑧ 记录环境温度、相对湿度、大气压力和启动成功时间。

3. 常温与低温起动差异比较

柴油发电机低温起动较常温起动更具挑战性，主要原因包括：

（1）压缩始点温度低、传热多、漏气增加，压缩终点温度和压力下降，不利于混合气形成和燃烧。

（2）燃油粘度和密度增大，蒸发雾化不良，大量燃油以液态存在，蜡质析出可能堵塞滤清器和管路。

（3）摩擦副阻力受润滑油粘度影响显著，低温下起动阻力大幅增加。

（4）蓄电池输出电压降低，起动电流减小，造成起动乏力。

结合起动电机特性测量数据，通过测试柴油机拖动转速和起动端电压可计算初始起动力矩和拖动阻力矩；结合温度对阻力矩的影响，可求得低温状态阻力矩，代入低温启动电机特性公式求得对应转速，从而简化低温起动系统判定程序，节省低温标定测试费用。

总结：

本文以康明斯柴油机的起动系统为研究对象，探讨了常温和低温工况下起动机的工作特性，建立了起动机的运行特性模型，分析环境温度对起动机的输出转速、转矩、功率的变化规律；在满足设计目标的情况下，根据起动机的功率，确定起动机的结构设计，对起动机进行仿真；通过柴油机的常温与低温起动试验，考察低温下蓄电池的结构参数对蓄电池容量的影响，分析起动系统对柴油机起动性能的影响。

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