高原柴油发电机性能的影响、多发状况及改进举措

随着国家“西部大开发”战略的实施，实用高原操作的常载电源越来越受到重视，而较受高原影响的柴油发电机是否具备稳定性能也越来越受到关注。本文以某高原低温地区康明斯柴油发电机为例，对其详细柴油发电机冷启动性能和运行损坏进行简述。研究表明，高原低温地区的柴油发电机在操作时，除了要克服低温缺氧问题，还必须按康明斯技术应用指南进行装配，才能保证设备处于正常运转状态，确保整个供电电源处于安全高效状态。

      因为西方国家高原面积较少且海拔过低，对柴油发电机在高原作业的相关问题探求较少，美国较高峰惠特尼山4418m，俄罗斯较高峰厄尔布鲁士峰5600m，自然他们就不会研制为高原作战而专门规划的装备。我国高原面积辽阔，工程建设和交通运输机组经常变海拔作业，故而科研作业者围绕着发电机的高原适应问题进行了大量的研讨。由于外界气压、气温和沙尘等条件的影响，导致存在以下几个问题：

      随着海拔的升高，大气温度逐渐减少，引起柴油发电机粘度增加，起动阻力拒增大，燃油消耗率增加。海拔升高，温度随之减小，蓄电池内部化学反应变慢，内阻增大，端电压减少，致使放电率下降，导致起动力矩减轻。并且燃油粘度增加，形成的混合气质量差，柴油发电机的燃烧会受到影响。

      环境温度是危害冷起动性能的详细起因之一。过低的环境温度直接对缸内压缩温度压力产生不利危害。环境温度过低还将造成燃油喷雾步骤恶化。研讨表明，冷起动要素下的缸内气体密度与正常工况相比偏低，这将引起燃油喷射破碎距离增大，雾化性能变差，附壁燃油量增多。低温燃烧曲线）喷油正时的危害

      喷油正时是影响冷启动流程缸内混合气形成及着火性能的重要条件。在冷启动程序中，发电机速度较低，虽然缸内压缩压力和温度过低造成滞燃期变长，但相同喷油持续时间所需要主轴转角则变小，这时，适当推迟喷油，有利于燃油的雾化蒸发，使得冷起动性能提高。若过早喷油时，缸内的压力温度很低，致使滞燃期较长，且使得燃油喷射贯穿距离变长，将引起严重的燃油附壁现象。而当喷油时刻靠后，则使得滞燃期延伸到膨胀行程中，这时活塞下行，缸内容积逐渐增大，混合气的焰前反应速率减缓，滞燃期将拉长，使得着火时刻落在膨胀行程中远离上止点的位置，造成燃烧着火性能变差。若喷油时刻过于靠后，甚至会导致混合气在膨胀行程中的焰前反应中止，发动困难燃烧，产生失火状况。

      燃料特点对冷启动程序的危害主要是由十六烷值和挥发性决定的。燃料的挥发性较好时，有利于缸内可燃混合气的形成，提升发电机的着火燃烧性能。十六烷值则具体影响混合气的滞燃期。当十六烷值由50变到60时，其对滞燃期的影响很小；而当十六烷值降到50以下时，滞燃期将随十六烷值的降低而迅速增大。

      压缩比是危害缸内压缩压力和温度的一个较重要的影响条件。提升压缩比，增大缸内压缩终了的压力和温度，一方面有利于改良燃油喷雾性能，减小燃油附壁量发电机厂家排行榜前十名，促进油滴蒸发；另一方面则有利于提高混合气焰前反应速率，缩短滞燃期。过高的压缩压力和温度能够有效缩短混合气的滞燃期，且可以显着减少燃油的附壁量。虽然提高压缩比有利于改良柴油发电机的冷启动性能，但实际压缩比的选择时必须综合考虑发电机的经济性、排放及强度。目前，在高增压大功率柴油发电机中，为了限制发电机的较高爆压，多采用了降低压缩比的程序，这将导致冷起动性能变差。

      缸内累积的附壁燃油对实际压缩比发生一定的危害，且因为附壁燃油的蒸发，将使得缸内总的燃油蒸汽浓度增大，这些要素将有利于促进缸内混合气的着火。，在冷启动过程中，前一不着火或着火性能较差循环中滞留燃油的蒸发，将对下一循环的燃空比产生一定的危害，从而影响该循环缸内混合气的着火燃烧性能。

      另外“开锅”状况也是康明斯发电机公司要注意的，通常柴油发电机防锈水的温度是在90℃左右，但随着海拔的升高，气压逐渐降低，水箱宝的沸点也在逐渐减小，于是低气压的状况下极容易产生“开锅”，致使柴油发电机机体发烫，燃烧异常，摩擦磨耗加剧，进而使柴油发电机整体性能下降，甚至缩短使用年限，所以有必要保持一定的防锈水温度。

      新疆西藏部分地区年降水稀少，空气干燥，蒸发量大，此时空气中尘土含量可达15g/m3，空气中灰尘较多，大量的颗粒就会在过滤器外表面上堆积，导致进气压力减少，充气量严重不足，造成发电机动力下降。长时间在此环境中作业会使沙尘进入到发电机内部，使发电机各机件损伤加剧，缩短使用寿命。另外，高原的强紫外线也会加载机组表面橡胶、塑料、油漆等高分子老化，龟裂。

      图3和图4为不一样速度、部分负载工况下柴油发电机特性参数随海拔的变化。随着负载增加，柴油发电机过度空气系数减少，涡前排气温度升高，燃油消耗量升高发电机组，有效燃油消耗率先减少后升高。随着负载增加，柴油发电机喷油量增加，增加了混合气中油的比例，燃烧释放热量增加。随着海拔升高，过量空气系数下降，涡前排气温度增加，燃油消耗量减轻，高效燃油消耗率增加。 

地区柴油发电机始终处于正常运行状态。      由于高原

地区的气压低，空气稀薄，含氧分量少，特别对于自然吸气的柴油发电机，虽然柴油发电机基本构造相同，但各种类型的柴油发电机标定功率不一样，因此它们在高原的能力是不一样的。因进气量不足而燃烧要素变差，无法象在平原上那样燃烧那么多的燃料而损失一些功率，电气装置的安全运行往往受环境要素影响较大，经常产生故障情形，如启动点火困难、涡轮增压器冒烟等等，从而为整个发电机使用后续运转带来极大威胁。

1、功率低效      由于高原地区的气压低，空气稀薄，含氧分量少，环境温度低，特别对自然进气的柴油发电机，因进气量不足而燃烧务件变差，使柴油发电机不能发出原规定的标定容量（曲线所示）。即使柴油发电机基本构造相同，但各型柴油发电机标定功率、排量康明斯、转速不同，因此它们在高原作业的能力是不一样的。在高原操作时每升高1000m，功率非增压机减小约6-10%，增压机约为2-5%，因此在高原长久使用时应根据当地的海拔高度，适当降低供油量（曲线所示）。考虑到在高原条件下着火廷迟的倾向，为了提高柴油发电机的运行经济性，通常推荐非增压柴油发电机供油提前角应适当提前。由于海拨升高，动力性下降，排气温度上升，因此用户在选择柴油发电机时也应当考虑柴油发电机的高原工作能力，严格防止超负载运行。据近年来的试验证明，对高原地区使用的柴油发电机，可采用废气涡轮增压的方法作为高原功率补偿。通过废气涡轮增压不但可弥补高原功率的不足，还可改进烟色、恢复动力性能和减小燃油消耗率。

图5  高海拔全负荷工况下柴油发电机功率曲线  高海拔全负荷工况下柴油发电机燃油消耗量曲线图

      高原低温区域内，柴油发电机附近的温度往往以0℃以下为主，此时，柴油发电机水箱和内部防锈水与环境温度接近。在发电机处于停运状态时，内部润滑油全部流入底部，后续起动时，润滑油也无法呈现出良好的润滑用途，再加上周围温度较低，致使金属部件萎缩严重，齿轮之间的间隙变小，增加整个装置的启动难度。在上述损坏问题排除上，使用人员首先要做的就是进行发电机预热元器件检测使用，看其是否处于正常运行状态，之后加装一套电热塞以加热柴油发电机内的空气-燃料混合物，使得可改良冷因素期间的发电机启动。发电机汽缸中的电热塞可升高发电机汽缸内的温度，使得当气缸中的活塞接近上止点压缩冲程时，汽缸内的空气-燃料混合物可在增加的汽缸压力下点燃（较高燃烧压力曲线所示）。因为发电机趋于加热空气-燃料混合物，故而当发电机温暖且被重新起动时可停用电热塞。

      高原环境下的空气稀薄，含氧量过低，发电机在冷启动时容易发生排黑烟现象，排烟管还会出现水滴情形。这种黑烟的产生，往往是因为柴油发电机超负载运行，或者是突然加大油门导致的。黑烟时柴油不完全燃烧的写照，如果柴油发电机负荷较大，会增加整个燃烧室温度，再加上喷入的燃料较多，混合气体无法充分燃烧，较终聚合成黑烟。该类故障的清除，操作人员可以选择定时更替空气滤清器以及燃油格，强化对涡轮增压器的保养检测力度，保证发电机内部的进气压力和含氧量。除此之外，使用人员还要对缸体气密性进行检修，防止因为漏气问题产生燃烧室压力不足现状。

      自柴油发电机组投入运用后，往往会装配在一个狭小空间内，通风状态不佳。另外，在发电机底座布置时，还要加装缓冲胶点，在散热器封口处，还要规划无遮挡物体。若没有满足上述要素，应进行改进。首先，高原地区空气稀薄，通风因素不佳，致使排烟回路产生严重发热情形。其次，发电机底座没有设置缓冲胶垫，发电机在运转时抖动严重。为此，在实际排烟回路规划时，使用人员需要将排烟主管和消音器运用三脚架固定在墙上，支撑起整个排气回路，之后加装中间伸缩管，展示出减振散热效果。在末端设置消音器，防止因为过热现象引起壳体出现断裂或者是变薄等问题。

      因为海拨的升高，水的沸点减少，同时冷却空气的风压和冷却空气质量减小，以及每KW在单位时间内散热量的增加，因此冷却装置的散热条件要比平原差。一般在高海拔地区不宜采用开式玲却循环，可采用加压的闭式冷却装置以提高高原操作时冷却水的沸点，闭式循环冷却装置构造如图8所示。

     改善柴油发电机的冷启动性能除了对柴油发电机自身进行优化设计外，较重要的是采用低温辅助措施。目前，柴油发电机都采用低温启动辅助举措辅助柴油发电机在低温环境要素下顺利起动。低温起动辅助装置具体有两类：应急起动辅助系统和升温起动辅助装置：低温启动辅助预热装置详细有进气预热系统、燃烧室电热塞、电瓶加热保温装置、燃油加热器以及其他辅助办法等。

      选定免保养电瓶，可在-40℃环境因素下正常工作。另外也可以给采用给蓄电池加装保温措施来减小电解质黏度，增加蓄电池的蓄电量。

      不一样标号的柴油理化指标不一样，理论选择原则是柴油的凝点应该比环境温度低5℃左右为宜，通常规定在10月份气温减少时加注-10#柴油，根据气温下降幅度和时间逐步延伸到-20#和-35#柴油。

      操作5W/40四季通用机油，环境温度范围-15℃～30℃，基本能满足要求，低温下机油粘度增加不明显。另外在进入严冬前提前对发电机组的防冻液冰点进行检测，冰点在-35℃以上的进行更换。

      详细是通过预热装置在发电机冷态启动前对吸入的空气进行加热，提高柴油发电机的启动性，即使在起动后，依据当时的水箱宝温度，对空气继续加热一段时间，同时还可以降低柴油发电机爆震和排白烟。

      通常来说，柴油发电机可通过加热燃油和预热气缸的程序，可以提升柴油发电机的起动性能和燃烧效率，减小损伤和排放污染物的出现。加热流程和预热系统构造如图9、图10所示。

表 1       提升柴油温度的步骤和优劣性对比

      在一台柴油发电机上装配两个柴油箱，一个油箱盛装0#柴油，另外一个根据温度盛装负号柴油。低温起动时首先接通负号柴油的箱内的负号柴油来起动柴油发电机。在发电机组正常运行后通过柴油发电机的冷却液循环给0#柴油箱加热，达到一定的温度后转换燃油供给装置开关，开启0#柴油箱，操作0#柴油正常工作。

③ 由于防锈水工作温度大约在85℃～95℃之间，发电机组正常运转时防冻液对0#柴油箱连续加热，无法控制温度，容易增加油耗且有安全隐患。

      在机上安装专门的液体燃油加热器，使用12V～24V直流电源，由发电机、燃烧室、水套体、水泵等结构。发电机带动油泵、助燃风扇及雾化器转动，油泵吸入的燃油经输油管送到雾化器，雾化后与助燃风扇吸入的空气在主燃烧室内混合，被电热塞点燃，在后燃烧室内充分燃烧后折返，经水套内壁的散热片将热量传给水套夹层中的防冻液介质，被加热介质在水泵的功用下，在整个管路装置中循环，达到加热的目的。

 可以与发电机及强制散热器等辅助散热装置组成循环装置，也可以单独与散热器、除霜器等构造循环装置。

      操作发电机组自带的电瓶供电，在特制的油管内穿一根过热丝给柴油发电机进油管加热，配合使用棒式的加热器插进油箱内加热燃油，使燃油保持一定的温度。（1）好处：

      仅需要更换燃油供给系的部分管路，不改变原机构造，不破坏油箱整体封闭性。（2）短处：

① 高温丝与柴油直接接触，可能存在很大的风险，易导致油管老化，使用时限短，耗电量大。

随着柴油的消耗，油箱内的油液面不断下降，暴露的部分变大，无用功耗电散热加大，而浸泡在燃油液面下的部分加热变慢，燃油温度不稳定，进而使发电机工作不稳定，耗能多，而且燃油加热温度不可调控，易使燃油变异，对发电机有损，更不能进行恒温安全控制而造成耗油比增加。

      综上所述，从实际柴油发电机损坏问题详述中可以看出，相关操作人员需要对设备运行知识等内容进行全面熟悉，依照主要论说结论执行维修改良使用。另外，还要做好消缺保养以及正确的规范使用，将装备操作价值更好的呈现出来，只有这样，才能防范电源故障，为高原低温区域柴油发电机运转供应有利因素。