羅雄彬 郭鋒 張俊 譚梁 何輝波

摘要：柴油發(fā)電機(jī)組一般由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制箱、燃油箱、起動(dòng)和控制用蓄電瓶、保護(hù)裝置、應(yīng)急柜等部件組成。由于其體積小、靈活、輕便、配套齊全，便于操作和維護(hù)，所以廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路、野外工地、道路交通維護(hù)、以及工廠等場(chǎng)所，作為備用電源或臨時(shí)電源。本文針對(duì)DK3GF柴油發(fā)電機(jī)在高海拔地區(qū)起動(dòng)困難、冒黑煙、額定功率輸出下降、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱等問(wèn)題，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的柴油發(fā)電機(jī)組在高原環(huán)境下能夠順利啟動(dòng)，并且在3000m輸出功率達(dá)到3kW，4500m輸出功率達(dá)到2.4kW。

Abstract： Diesel generator sets are generally made up of diesel engines，generators，Control boxes，fuel tanks，storage batteries for starting and control， protection devices， emergency cabinets and other components. Because of their small size， flexibility， portability， complete set， easy to operate and maintain， they are widely used in mines， railways， field sites， road traffic maintenance， factories and other places， as backup or temporary power supplies.This paper aimed at the DK3GF diesel generator's problems：? starting difficulty， smoke， rated power output drop， heat dissipation at high altitudes; to optimize the engine structure and parameter. Through the experiment， we found the optimized diesel generating set in the plateau environment would be able to start， and in 3000 m reach 3 kW output power， 4500 m output power of 2.4kW.

關(guān)鍵詞：噴油壓力;壓縮比;預(yù)熱;電啟動(dòng);散熱

Key words： injection pressure;compression ratio;preheating;electric start;heat dissipation

中圖分類(lèi)號(hào)：TM314? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0016-03

0? 引言

隨著柴油發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)、瑞典、德國(guó)、日本等國(guó)生產(chǎn)的小型柴油發(fā)電機(jī)組具有產(chǎn)品系列、規(guī)格齊全和技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論從銷(xiāo)量還是性能水平上領(lǐng)先于其他國(guó)家。與國(guó)外相比，我國(guó)雖然產(chǎn)量能與國(guó)外相提并論，但技術(shù)與性能仍然相對(duì)落后[1]。

目前在用的高海拔工況3kW柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力分進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)兩種，進(jìn)口柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組以德國(guó)和意大利為主，質(zhì)量穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，基本能滿足高海拔地區(qū)使用要求，但存在采購(gòu)周期長(zhǎng)、價(jià)格高、維修配件價(jià)格高等問(wèn)題，且在關(guān)鍵時(shí)刻容易受制于人。國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)存在環(huán)境適應(yīng)性較差、啟動(dòng)困難、功率下降嚴(yán)重、可靠性差、冒黑煙等問(wèn)題，嚴(yán)重干擾用戶日常使用。

聞雪友[2]等人通過(guò)對(duì)柴油機(jī)低工況下增加渦輪增壓系統(tǒng)用于提高柴油機(jī)的功率，但柴油機(jī)的體積和重量明顯增大。孫利魏[3]等人通過(guò)對(duì)柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)用于提高柴油機(jī)的效率。牛曉曉[4]等人通過(guò)仿真優(yōu)化柴油機(jī)的燃燒過(guò)程，用于提高柴油機(jī)的效率。陸傳榮[5]等人通過(guò)對(duì)冷卻水腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化用于提高柴油機(jī)的散熱效率。

雖然大量學(xué)者對(duì)柴油機(jī)的功率和散熱問(wèn)題進(jìn)行研究，但仍然存在許多問(wèn)題，因此為使柴油發(fā)電機(jī)能在高原環(huán)境下正常工作，必須對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化。

1? 原因分析及優(yōu)化方案

1.1 高原環(huán)境啟動(dòng)困難問(wèn)題

柴油機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中，活塞運(yùn)行到壓縮行程末端時(shí)產(chǎn)生高溫高壓的空氣，同時(shí)噴油嘴向燃燒室噴入霧化柴油，柴油與燃燒室內(nèi)的高溫高壓空氣充分結(jié)合，燃燒做功。但是在高原環(huán)境下，空氣稀薄、環(huán)境溫度較低，達(dá)不到理想的高溫高壓;國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)燃油霧化效果較差，實(shí)現(xiàn)不了燃油與空氣的充分結(jié)合;高原環(huán)境條件下，人體體能下降，達(dá)不到起動(dòng)柴油機(jī)規(guī)定的起動(dòng)轉(zhuǎn)速，因此起動(dòng)比較困難。

為了解決高原起動(dòng)問(wèn)題，可以采取以下措施：

①配置燃油噴射量控制裝置，高原使用時(shí)該裝置工作，減少?lài)娪土?，?shí)現(xiàn)柴油與空氣比例適當(dāng)。②提高噴油壓力，將噴油壓力由18MPa提高到24MPa，使燃油有更好的霧化效果，與空氣結(jié)合更充分，提升著火能力。圖1是兩種噴油壓力下柴油霧化顆粒直徑與數(shù)量。③提高壓縮比，通過(guò)優(yōu)化活塞的口徑比、徑深比及燃燒室形狀，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，從19.5提高為21.5，氣缸壓力從2.1MPa提高為2.3MPa，并將壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)空氣溫度480～500℃提高到540～560℃，柴油更容易燃燒。④采用進(jìn)氣預(yù)熱技術(shù)，設(shè)置兩個(gè)預(yù)熱塞，在短時(shí)間內(nèi)使燃燒室內(nèi)溫度升高，足以使發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程時(shí)缸內(nèi)溫度提高，柴油更容易著火燃燒，使低溫環(huán)境下更容易起動(dòng)，增加起動(dòng)成功率。⑤增加電起動(dòng)功能。解決高原環(huán)境條件下操作者體能下降，手拉起動(dòng)困難的問(wèn)題。

1.2 高原環(huán)境功率下降問(wèn)題

高海拔低氣壓環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒所需要的氧氣含量較少，燃燒不充分，輸出功率隨海拔高度的升高而急劇下降。

①一般情況下可采用增壓技術(shù)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量來(lái)穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，但考慮到進(jìn)一步降低機(jī)組重量和減小機(jī)組尺寸，通過(guò)優(yōu)化活塞的口徑比、徑深比及燃燒室并提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比到21.5來(lái)提高功率。②由于高原進(jìn)氣量少，空氣流速慢，將燃燒室的形狀設(shè)計(jì)為縮口深淺型燃燒室形狀，燃燒室深度變淺，寬度增加，使進(jìn)入的氣體更分布均勻，燃燒更充分，提高燃燒效率。③將空濾器濾芯的直徑由？覫60增大到？覫70，進(jìn)氣門(mén)外徑由？覫5.6增加大？覫6，氣門(mén)頭部直徑由？覫30增加到？覫32，通過(guò)這些措施來(lái)增加進(jìn)氣的有效流通面積，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量。④提高噴油壓力，噴油壓力由18MPa提高到24MPa，提高柴油的霧化細(xì)度和均勻度，進(jìn)而改善燃燒過(guò)程，提高燃燒效率。⑤將活塞與缸壁的間隙，活塞環(huán)開(kāi)口間隙，氣門(mén)組件間隙等匹配到最佳數(shù)值范圍。⑥改變凸輪軸型線，優(yōu)化供油規(guī)律。調(diào)整進(jìn)、排氣升程和進(jìn)、排氣相位時(shí)間，來(lái)達(dá)到增加進(jìn)氣量，獲得最佳氣門(mén)正時(shí)。進(jìn)而改善燃燒過(guò)程，提高燃燒效率。⑦針對(duì)進(jìn)氣量較少的問(wèn)題，設(shè)計(jì)進(jìn)氣旁路增壓進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，即利用飛輪端起動(dòng)器外殼的導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)一部分空氣進(jìn)入空濾器內(nèi)，經(jīng)過(guò)濾芯的過(guò)濾后進(jìn)入燃燒室。該設(shè)計(jì)效果較好，可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，同時(shí)不增加相關(guān)零部件和發(fā)動(dòng)機(jī)重量。

通過(guò)提高壓縮比、提高3kW柴油發(fā)電機(jī)組在高原環(huán)境條件下的燃燒效率、增大進(jìn)氣量、減少摩擦損失等措施，改進(jìn)后的發(fā)電機(jī)組在高原低溫低壓環(huán)境下，能以較高的功率輸出。

1.3 高原環(huán)境散熱問(wèn)題

高原環(huán)境下空氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果沒(méi)有平原地區(qū)好，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量主要來(lái)自于柴油的燃燒，即汽缸頭散發(fā)的熱量。

①在DK3GF基礎(chǔ)上優(yōu)化缸頭的氣門(mén)結(jié)構(gòu)、增加散熱面積、改進(jìn)散熱通道，有效的改善了散熱效果，如圖2所示。

②增大冷卻風(fēng)量，將風(fēng)扇葉片高度增加4mm，散熱風(fēng)量可以增大12%，從而能夠改善散熱效果。

2? 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

通過(guò)對(duì)DK3GF柴油發(fā)電機(jī)組在高原環(huán)境下的啟動(dòng)困難、功率下降、散熱困難等問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)照表見(jiàn)表1。

制備優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的原理樣機(jī)進(jìn)行第一次試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

在第一次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)原理樣機(jī)分別在海拔高度3000m、4500m、4700m進(jìn)行高原試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)如表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，電站在3000m輸出功率達(dá)到3kW，4500m輸出功率達(dá)到2.4kW;電氣性能指標(biāo)、可靠性與維修性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性、保護(hù)性能指標(biāo)均達(dá)預(yù)期效果。

3? 總結(jié)

針對(duì)DK3GF普通柴油發(fā)電機(jī)組，高海拔工況啟動(dòng)難、功率下降、散熱困難等問(wèn)題，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的噴油壓力、壓縮比、預(yù)熱裝置、燃燒室等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使柴油發(fā)電機(jī)組在海拔3000m輸出功率達(dá)到3kW，在海拔4500m輸出功率達(dá)到2.4kW;電氣性能指標(biāo)、可靠性與維修性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性、環(huán)保護(hù)性能指標(biāo)均能滿足高原環(huán)境下用戶使用要求。

參考文獻(xiàn)：

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