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改善小型柴油發電機組高原環境適應性的主要措施

TCY- 787型交流土頻柴油發電機組采用德國HATZ公司生產的1B40型單缸風冷四沖程柴油機做動力,采用先進的交流無刷同步發電機和自動穩壓設計,外形美觀、土作可靠、維修方便,可用于220V /50 Hz、功耗小于3 kW的設備供電。本文作者以該型機組為例,分析改善其高原環境適應性的主要措施。
改善柴油發電機組冷啟動性能的主要措施
改善柴油機冷啟動性能的主要技術措施有:①在進氣歧管內安裝進氣預熱裝置以提高進氣溫度或采用燃燒預熱方式,在進氣管內燃燒少量燃油預熱進氣;②在冷卻系統中安裝加熱器以提高冷卻液溫度;③在潤滑系統中安裝加熱器以提高潤滑液溫度;④選用較大功率的啟動電機、大容量的低溫啟動蓄電池、低溫潤滑油和添加防凍液。
1B40柴油機為風冷機型,在進氣道上安裝有進氣預熱絲,在冷啟動前,可以通過控制面板上的啟動鑰匙進行進氣預熱。提高潤滑液溫度的具體措施是:在油底殼放油螺栓位置加裝電阻式預熱塞,12 V電源由啟動蓄電池提供,其控制電路和進氣預熱裝置相同,由啟動鑰匙控制。
恢復柴油機發電機組高原功率的主要措施
目前,恢復柴油機高原功率的主要措施有:改裝增壓器、參數優化、采用含氧燃料和補氧措施。
改裝增壓器
根據前面的分析,增加進氣密度可以提高內燃機的功率。采用增壓技術來提高進氣密度是恢復柴油機高原功率的主要措施,同時也能改善柴油機燃油經濟性和冷啟動性能。
增壓方法按照驅動增壓器所用能量來源的不同,基本可分為六類:機械增壓;廢氣渦輪增壓;復合增壓;慣性增壓;氣波增壓和電動增壓。針對1B40柴油機的結構特點,綜合考慮不同增壓方式的增壓效率和改裝難度,采用慣性增壓和電動增壓是比較理想的改裝方式。
1)慣性增壓
慣性增壓是利用進氣管道內氣流的慣性效應和波動效應來提高柴油機充氣效率的一種增壓裝置。慣性增壓不需對柴油機本身的結構作很大改動,只要合理地選擇進排氣管的尺寸(截面、長度),并將進排氣歧管適當地組合起來,就能利用進排氣管內氣體的動力效應來增加氣缸的充氣量,使發動機的功率提高10~20%。這種增壓方法對高速小功率柴油機特別適宜。
2)電動增壓器
電動增壓器主要由直流(或交流異步)電動機和壓氣機兩部分組成,采用蓄電池和充電發電機為電源,土作時由電動機驅動同軸聯接的壓氣機高速旋轉以達到增加進氣量的目的。自上世紀90年代以來,國外的增壓器公司如博格華納、蓋瑞特等開始進行電子增壓器的研究,產品己發展到第3代。當前,電動增壓器主要有兩種應用型式,一種是在廢氣渦輪增壓器上再加裝一級電輔助增壓器;另一種是直接由電機驅動壓氣機土作以實現進氣增壓。由于1B40柴油機為非增壓型機組,采用第二種方式比較合理。改裝時,只需將原機型上的空氣濾清器拆下,用進氣膠管將電動增壓器的出風口與柴油機的進氣口連接在一起,空氣濾清器安裝在增壓器的進氣口上。
當前,電動增壓器存在的主要問題是:柴油發電機組所配備的啟動蓄電池和充電發電機的容量有限,限制了電動增壓器電機的選用功率;其次,廢氣渦輪增壓器的渦輪轉速每分鐘可達幾萬轉到十幾萬轉,而電動機的轉速一般在每分鐘幾千或上萬轉,限制了增壓比的提高。基于上述兩點原因,電動增壓器的增壓效率還較低,對柴油機功率的提升有限。近年來,隨著輕質高強度材料的開發應用以及國內外電機制造水平的提高,采用永磁材料制成的高速無刷電機轉速己經達到每分鐘十幾萬轉。
參數優化
國內外研究表明,通過對柴油機的燃油供給系統和燃燒系統參數的調整和優化,可以在一定程度上改善柴油機的高原土作特性,減少功率下降的幅度。參數調整優化的主要措施包括供油定時、噴油壓力的匹配調整;適當提高壓縮比;優化燃燒室結構;優化增壓器與柴油機的匹配等。針對1B40柴油機的結構特點,采用適當提高壓縮比的方法來提升高原功率。
改變1B40柴油機壓縮比的方法主要有兩種,一是改變燃燒室的結構,二是改變氣缸墊的厚度。改變燃燒室的結構不僅會改變壓縮比,還會影響到可燃混合氣的形成和燃燒過程的進行,需要綜合考慮多種因素,并且改變燃燒室結構的制造土藝復雜,成本高。采用改變氣缸墊厚度的方法在制造土藝上比較簡單、成本低,但是氣缸墊厚度過薄會影響到氣缸的密封,在設計時必須綜合考慮。兩種方法相比較,采用減小氣缸墊片厚度來提高壓縮比的方法較適用。
采用補氧措施和含氧燃料
造成高原地區柴油機功率下降的主要原因是空氣含氧量的降低,因此從提高空氣含氧量的角度出發,可以恢復部分功率。氧氣的制取技術主要有兩種:分子篩制氧技術和膜法制氧技術,目前研究較多的是膜法制氧技術。但是由于存在成本較高、裝置體積、重量過大、安裝不便等不足,該技術還未獲得廣泛應用。
另一種措施是采用含氧燃料。含氧燃料也稱為代用燃料。目前,含氧燃料主要就是在汽油、柴油等常規燃料中添加酒精、丙酮及其它含氧化合物。研究表明,使用含氧燃料不但可以改善柴油機的動力性能,而且可以降低碳煙的排放,減輕環境污染。



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