常温与低温下柴油机启动能力察看、测试及差异比较

起动流程承接柴油机从静止到运转的过渡，其维持的时间很短，一般只有几秒。在这段时间内，经历柴油机运转状态的巨大改变，必须能够在快速的工况变化中调节控制数据，以满足柴油机启动步骤中的各种需求。其启动性能直接危害柴油发电机的作业可靠性、使用寿命及其排放性能。启动的必要要素是必须提供足够大的启动力矩、启动速度、气缸压力和温度以及预润滑程度。如果上述条件之一恶化，则会发生不能启动。cummins公司在本文中对常低温下的柴油发电机启动需求的差异进行了比较，通过实测柴油机常温、低温启动时的转速和起动电压，提出了柴油机低温起动特征要点。

式中，ε为电枢反电动势；UN为电瓶额定电压；R0为蓄电池内阻；Rb为碳刷接触电阻；Ra为电枢绕组；La为电枢电感；ia为电枢电流。

式中，T为启动马达的电磁转矩；TL为负载力矩；Rω为旋转阻尼系数；ω为启动马达的角转速；J为起动马达的转子转动惯量。

      由上式知：输出功率由电枢绕组感应电动势E和电枢电流Ia两部分来决定，它与p康明斯柴油发电机价格、N柴油发电机组成图解、αp、φ和Ia等数据有关。

      起动机选取的是永磁材料的直流电动机，做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，永磁材料的磁化曲线相当于其退磁曲线在第一象限原点位置的镜像。

（3）电枢绕组与定子之间没有相对运动，电枢绕组电流均匀分布在线圈之中，碳刷位于几何中心线）计算启动马达的二维场，矢量磁位只有轴向分量；

（6）转子铁心和定子机壳的磁化曲线为单值函数，定子的外壳和转子内径处的矢量磁位为0，满足第一类狄里克利边界条件。

2分别为永磁材料和铁心的磁导率；Je为永磁材料的两侧的面电流；L为永磁铁侧面弧长。      定转子两部分通过气隙解耦联系在一起，转子的旋转以转动转子的有限元网格实现，考虑时间的要素，动态磁场场方程为

      在讲述起动机的静态磁场时，以起动机的定子外壳和转子轴作为边界要素，24V恒定电压作为激励源，启动马达的静态磁场分布如图1所示。在起动马达的磁场分布中，定子的内壳和转子中心轴外侧的磁场分布比较密集，起动马达出现的漏磁通比较小，由图中磁场分布线系数可以看到起动马达的磁场分布强弱。

      启动马达的瞬态综述时，考虑蓄电池供应的端电压是一个动态量，对电瓶提供的端电压变化情形作一定的假设：起动机槽内每股导线极，故而启动马达的转子内有4条支路进行电压换向，起动马达的瞬态磁场分布如图2所示。起动机带负荷运动，瞬间定子内壳的磁力线较密，磁场容易饱和；图中永磁体上闭合区域的漏磁通明显较静态磁场的漏磁通大。

      由于柴油发电机起动内容较为复杂，在工程实际中除通过公式对汽缸内压力、温度进行估算外还可实际测量柴油发电机启动转速、启动电机电压及汽缸内压缩压力，评估柴油发电机气缸内混合气点火条件是否具备。本文以康明斯某类型柴油发电机及其起动电机为例进行试验测试。

      为直观判定起动电机在特定发动机上操作时的启动能力，对起动电机拖动柴油发电机的作业状态进行测试，在柴油发电机不发火状态时，对柴油发电机速度、起动电机电压进行监控，以判断起动电机起动能力是否满足柴油发电机的较低启动转速要求。本试验用柴油发电机的拖动转速情形和常温状态起动电机的拖动扭矩曲线需记录在案。在启动电机纯拖动状态时，还可对缸内压缩压力进行监控，以判定缸内气休是否满足发火温度要点。试验用柴油发电机在启动电机拖动状态时的缸内压缩压力测定结果也需记录。

      在康明斯发电机组常温冷态情况下（非增压柴油发电机组不低于5℃，增压柴油发电机组不低于10℃），利用柴发机组的起动系统，按照使用使用手册规定的方式，启动柴发机组三次，每两次之间的时间间隔为10min，三次起动中，有一次起动成功即为合格。在试验程序中应注意以下几点：

③ 具有两种以上起动方法的内燃发电柴油发电机组，每种起动方法应分别进行三次，启动成功后即停机，10min后方可进行下一次起动；

⑦ 启动后柴油发电机组建立电压，控制系统指示灯亮，可带满载稳定工作，表示起动成功（从下达开始起动指令至柴发机组带满载作业的全部流程所用的时间，即为起动成功时间）；

      柴油机在低温下快速、可靠地启动，需要可靠

      低温对柴油机启动性能的影响详细是燃油蒸发性：

（1）环境温度减小，燃油的粘度和密度增大，雾化不良，流动性变差、雾化效果差，喷入缸内的燃油过多，混合气较浓，缸内燃烧温度低。由于柴油机起动时速度不高，进气管内的流速降低，无法形成足够强度的空气涡流，造成实际参与燃烧的柴油过少。且柴油机速度低致使喷油压力低，使油滴尺寸偏大，从而使喷油量贯穿度较大，过度的贯穿度会使燃油碰到冷的燃烧室壁，燃烧效果差，无法着车。

（2）低温起动时，柴油机的摩擦非常严重，尤其在起动后尚未达到平滑运行的程序中，摩擦较大。环境温度越低，润滑油粘度越大，柴油机起动阻力矩增大；混合气压燃困难，较低着火转速将提高；电瓶能量随之下降，内阻增加，导致起动电压与电流下降，提供给启动马达的电压不足。

      此外，起动温度太低容易造成润滑油的运动粘度增加，起动阻力矩增大；电瓶的电压下降，起动马达的输出容量减少，柴油机无法起动；柴油的不完全燃烧，排放污染物增加，严重污染环境。

      柴发机组应有低温启动办法。在环境温度-40℃（或-25℃）时，对功率不大于250kw的柴发机组应能在30min内顺利启动，并应有在启动后3min内带规定负荷作业的能力；对容量大于250kw的柴发机组，在低温下的启动时间及带载作业时间按康明斯技术规范的规定。在试验流程中应注意以下几点：

③ 具有两种以上启动方式的内燃发电柴油发电机组，每种启动程序应分别进行三次，起动成功后即停机，10min后方可进行下一次起动；

⑤ 起动柴发机组时，选取产品规范规定的低温启动措施，低温起动措施的准备时间应计入启动成功的时间之内；

⑥ 记录员下达“开始启动”指令后用秒表开始计时，操作人员立即使用低温启动方案并启动柴油发电机组；

⑦ 起动后柴油发电机组建立电压，操作界面指示灯亮，可带25％额定负荷稳定工作，表示柴油发电机组起动成功；

      柴油发电机低温启动较之常温启动在不操作辅助启动系统的情形下更难实现，其主要因素有∶

（1）低温启动时，气缸内压缩始点温度低，向汽缸壁传热增多，因为启动转速低而导致漏气量增加，从而使压缩终点温度和压力下降，不利于混合气的形成和燃烧。

（2）低温时燃油粘度和密度增大，使 流动性变差，蒸发和雾化不好，引起大部分燃油以液态存在于汽缸内，从而影响混合气的形成，造成混合气过稀。低温时，柴油中的蜡质易析出，有时会造成柴油滤清器和管路的堵塞。

（3）摩擦副中摩擦阻力的大小，详细取决于润滑油的润滑功能。润滑油的粘度随温度的减少而大幅增加，0℃时的运动粘度达到100℃时运动粘度的几千倍。润滑油粘度大，起动阻力就大。

（4）在低温下蓄电池电解液的粘度和电阻值增大使蓄电池输出电压减轻，还使启动电流减小，造成发动机启动乏力。

      不同功能和规格的发动机，其低温启动性能的要点不一样，结合启动电机启动特征测量参数，测试柴油发电机拖动转速和起动电机起动端电压即可计算出柴油发电机初始起动力矩和拖动阻力矩；结合温度对柴油发电机阻力矩的影响，可求得低温起动状态下的阻力矩，代入低温启动电机特点公式可得对应温度和阻力状态下的柴油发电机速度柴油发电机警示标牌，由此简化了对柴油发电机低温起动装置的判断程序，从而节省了低温标定的测试费用。

       本文以康明斯柴油机的启动系统为研讨对象，探求了常温和低温工况下起动机的作业特点，建立了启动马达的运转特点模型，解惑环境温度对起动机的输出速度、转矩、功率的变化规律；在满足设计目标的情形下，根据起动机的容量，确定启动马达的结构规划，对启动马达进行仿真；通过柴油机的常温与低温启动试验，考察低温下蓄电池的结构参数对蓄电池功率的影响，细说启动系统对柴油机启动性能的影响。