新聞主題	柴油機低溫啟動工作的影響與預熱器原理

 

摘要：在北方嚴寒季節，當柴油機冷態起動時，即使壓縮充分，由于溫度低，噴入的燃油并未升溫至自然溫度，所以，為便于起動，在冬季應設法將進氣、潤滑油和冷卻水預熱，從而改善點火性能。預熱系統是柴油發電機所特有的，一般分為兩種方式，即室氣預熱系統和冷卻液預熱裝置。其原理是起動預熱系統在柴油機冷態起動前，通過電子裝置加熱壓縮空氣，提高柴油機冷起動的性能，在啟動后，依據冷卻液的溫度，將對空氣繼續加熱一段時間，從而減少柴油發電機爆燃與冒白煙的現象。

一、低溫啟動應具備的條件

 

      當氣溫在-10℃以下時，柴油發電機冷啟動就有一定困難；當氣溫降至-40℃以下時，不采取一些低溫啟動措施，則根本無法啟動。柴油發電機在冬季低溫啟動的必要條件如下：

1、必須達到一定的啟動轉速

      柴油發電機的啟動轉速一般大于100r/分鐘，其低溫啟動主要受啟動阻力的影響，啟動時曲軸的旋轉阻力包括：汽缸內壓縮空氣的反作用力、運動部位的慣性力、各摩擦副的摩擦阻力等。

2、汽缸內混合氣應有足夠的壓力

      柴油發電機的壓縮比很高，一般通用機型的壓縮比為14～22左右。壓縮沖程終了時，燃燒室內混合氣的壓力應達到3～5MPa。

3、汽缸內混合氣應有足夠的溫度

      壓縮沖程終了時，汽缸內的混合氣要具備足夠的溫度。一般柴油發電機要求壓縮沖程終了時，汽缸內的溫度應達到400℃以上。

2、壓縮空氣中氧氣含量應達標

      必須有足夠多的空氣進入汽缸，使壓縮空氣中含氧氣濃度足夠，汽缸內形成混合氣后才可充分燃燒。

 

二、低溫啟動困難的原因

 

1、摩擦阻力加大

      柴油發電機曲軸旋轉阻力矩和啟動轉速在低溫條件下主要受機油黏度的影響。隨著外界溫度降低，機油黏度增加甚至凝結，流動性差，各摩擦副之間的阻力加大，從而加大了曲軸的旋轉阻力矩，使柴油發電機啟動轉速降低。壓縮終了時，汽缸內壓縮空氣若達不到柴油燃燒所需的壓力和溫度，柴油發電機難以啟動。

2、啟動功率加大

      柴油發電機所選用的機油黏度等級越大，柴油發電機啟動所需要的功率也越大。例如，某柴油發電機在-23.3℃溫度下，使用SAE10W機油只需3.7KW的啟動功率，使用SAE20W機油啟動功率則需7.4KW，而使用人人又SAE30W機油啟動功率竟增加到11.8KW。

3、柴油的黏度和密度增大

      隨著外界溫度的降低，柴油的黏度和密度均增大，表面張力加大。據測定，當氣溫從40℃降到-10℃時，柴油的黏度提高83%，密度增大8%。這樣就使柴油的流動性變差，霧化不良，延長了著火滯后期，造成柴油發電機啟動困難。

4、蓄電池的輸出功率減小

      蓄電池的最佳工作溫度在10℃～40℃范圍。在低溫條件下，蓄電池電動勢變化不大，即環境溫度有較大變化時，蓄電池的單格電壓下降并不多。但是，隨著溫度的降低，蓄電池的電解液黏度增大，向極板的滲透能力下降，內阻增加；而為了防止電解液結冰，處界溫度越低，越需加大電解密度。同時，啟動柴油發電機時，蓄電池的放電電流很大，蓄電池的端電壓和容量下降明顯。蓄電池輸出能力在-30℃時，只有額定輸出的34%左右。柴油發電機低溫啟動時本來就需要較大的啟動功率，但是低氣溫使蓄電池的輸出功率減小，無力拖動啟動機帶動柴油發電機旋轉或不能過到最低啟動轉速，都將導致柴油發電機難以著火運轉。

 

三、柴油機低溫預熱措施

 

1、電火焰預熱器  

      進氣預預熱塞通常裝在柴油發電機進氣管上，其作用是預熱柴油發電機的進氣，結構與電路示意圖如圖1所示。外表絕緣的空心閥體由線膨脹系數較大的金屬材料制成。一端與進油管接頭相連，另一端通過內螺紋與帶有外螺紋的閥芯連接。閥芯的錐形端在預熱器不工作時將油管接頭的進油孔堵塞。閥體外繞有外表絕緣的電熱絲。

      起動時，接通預熱器電路后，電熱絲通電發熱并加熱閥體，閥體受熱伸長，帶動閥芯移動，使閥芯的錐形端離開進油孔。燃油流入閥體內腔受熱而汽化，從閥體的內腔噴出，并被熾熱的電熱絲點燃生成火焰噴入進氣管，使進氣得到預熱。當關閉預熱開關時，電路切斷，電熱絲變冷，閥體冷卻收縮，其錐形端又堵住進油孔而截止燃油的流入，于是火焰熄滅，預熱停止。該裝置的最低工作溫度為-40℃，使用簡單、可靠性高，起動效果良好，但在起動柴油發電機后立即應切忌加大油門運轉，否則易造成拉缸事故。起動液  有的康明斯柴油發電機在進氣管上裝有起動液噴射器。冷起動時將一些易燃燃料噴入進氣管，使其與空氣一起進入氣缸，促使混合氣的初次著火。起動液一般由乙醚（64%）、丙酮（16%）、11號潤滑油（10%）、硫（添加劑）和石油醚（10%）等混合而成。

2、PTC預熱器

      PTC預熱器是在進氣系統布置一個具有一定質量的加熱儲能體，起動前用小電流將儲能體加熱到設定溫度，起動時儲能體可以作為一個熱源不斷地向進氣管內空氣提供熱量。如圖2所示，PTC預熱器裝置是一種儲能型電熱陶瓷透氣預熱加熱器，它采用正溫度系數熱敏陶瓷作為熱體。以儲熱一熱交換方式工作，結構為同心分布多級串聯散熱片形式。正溫度系數的PTC電熱陶瓷材料是屬于鐵鈦酸鋇類半導體，其電阻值可隨溫度變化而改變，使加熱器的電流發生變化，加熱溫度得到自動控制。當外界溫度為20℃時，其電阻僅為0.2～0.4Ω。電路一接通，即柴油發電機起動開關一打開，瞬時加熱電流很大，溫度迅速升高，1min內即可達到60～80℃，3min內即可達到200℃。此時，電阻值趨向無窮大，電流趨于0，溫度不再升高，電路幾乎切斷。

      康明斯6BT5.9柴油發電機裝配的PTC預熱器，裝配在柴油發電機增壓器至進氣管蓋總成之間。PTC預熱器電路系統，主要由預熱器保險、預熱開關、預熱時間控制器、預熱指示燈、預熱繼電器和預熱器等組成。該裝置與常用的火焰塞、電熱塞相比，具有結構緊湊、熱量集中、熱效率高、功耗低、可靠性好、發熱體不氧化、壽命長、適用溫度范圍廣等優點。

      當柴油發電機在5～-40℃因低溫起動困難時，可利用PTC進氣預熱器先行預熱后再起動柴油發電機。其工作過程是拉出預熱器氣門機構手柄，按下預熱開關，時間控制器工作使繼電器得電閉合，PTC預熱器通電開始預熱。經過設定的預熱時間（一般為6min），控制器使繼電器失電斷開，切斷預熱器電路，同時指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫。此時可起動柴油發電機。起動后關閉預熱開關，推回氣門手柄。預熱器氣門機構用以控制進入柴油發電機進氣支管的空氣流量（車用）。在加熱時，減小流量，提高預熱效果；工作時則恢復流量。如果使用不當或調整不當，都能造成預熱效果不良，或柴油發電機動力下降等人為故障。

 

圖1  柴油機預熱塞結構與電路圖

圖2   柴油機進氣預熱裝置示意圖

 

3、燃油加熱系統

     燃油加熱器的工作由電腦控制，操作員可以通過定時器來預選加熱時間。燃油加熱器不僅可以與柴油發電機冷卻系統相連，通過加熱由附帶水泵強制循環的冷卻液在低溫起動前對柴油發電機進行預熱，而且還可以與發電機組供暖系統相連，這種低溫預熱方式的整個加熱過程需30～40min，能將柴油發電機機體溫度加熱到40～50℃左右。此時柴油發電機的潤滑油也得以加熱，潤滑油的粘度降低，柴油發電機在低溫條件下的潤滑條件改善，使柴油發電機順利起動。

4、水套加熱器

      水套加熱系統則是為柴油發電機組冷卻水、潤滑油專業預熱的一種裝置，在工作環境可能低于4℃時，水套加熱系統是柴油發動機啟動設備時必備的配套裝置，它可使機體冷卻系統溫度達到并保持在要求的范圍內（25℃-50℃），由于潤滑油受到熱傳遞而間接加熱，發電機組也保持一定溫度，冬天防止柴油發電機組凍裂，從而使柴發機組時刻處于熱備用狀態，不管嚴冬臘月，柴油機在嚴寒低溫狀態下也能夠快速、穩定、可靠地應急啟動，并在最短時間內加載到全負荷，機組的機械磨損降低，輸出功率穩定。

      在水套加熱系統供電線路的JK繼電器中間串接入一個溫度控制器和一個JK1固態繼電器，溫度控制器的溫度傳感器接到金屬水管壁上，以此實時采集水溫，然后通過溫度控制器感應環境溫度的變化，進而精確地控制水套加熱系統供電線路的導通與斷開。

      通過對柴油發電機組加裝水套加熱系統，柴油機始終處于良好的暖機待運行狀態，有效精準地控制水套加熱系統的水溫溫度，遠程監控客戶端監測發現柴油發電機組的水溫能夠很好地控制在25度到50度之間，延長了加熱器設備以及冷卻水管路的使用壽命，減少了柴油機維護工作量，杜絕了水套加熱系統在高溫度環境下無效運行情況的發生，節約了電能。

5、電控系統冷啟動技術

      電控ECM 可根據柴油機冷卻液溫度決定預熱時間（前預熱、預熱、后預熱）、預熱塞繼電器及QOS 指示燈的動作。QOS系統可提高低溫時啟動性能、并可減少啟動后的白煙及噪音。鑰匙開關 “ON”位置，ECM根據來自冷卻液溫度傳感器（ECT）的信號，檢測出柴油機冷卻液溫度，通過改變預熱時間，得到最佳的啟動條件。同時，利用后預熱，保證啟動后，柴油機在怠速能穩定地運轉。 柴油機預熱系統啟動曲線如圖3所示，其原理如圖4所示。

 

圖3  柴油機預熱系統啟動曲線

圖4  電控柴油機預熱系統原理圖

 

總結：

      綜上所述，柴油發電機的預熱原理對于保證發動機的正常運行和延長使用壽命具有重要意義。在實際操作中，應充分了解柴油機預熱裝置的原理和特點，按照規定進行維護與保養，確保預熱系統始終處于良好的工作狀態。同時，應注意觀察發動機的運行狀況，如發現異常應及時處理，以保障柴油發電機組的正常運行和延長使用壽命。

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