柴油发电机的电起动、气动、弹簧储能和液压起动方法

摘要：柴油发电机根据功能和制造商的不一样，其操作的起动系统也将不同，柴油发电机多发的起动方法分为人力起动（手摇式）、电起动（电瓶）、气启动和液压起动等启动马达。其中电起动程序是柴油发电机较普及的机构，由于使用方便，维护简易且作业稳定受到市场的普遍接纳。下面由康明斯发电机公司为你推荐柴油发电机启动系统工作机理、启动方式和辅助装置的知识。

      发电机由静止状态转为运转状态，必须依靠外力助推动主轴转动，才能得到初始的进气、压缩、燃烧作功等几个程序，产生动力，使发电机持续不断地循环运转。发电机从静止状态到开始运转的全步骤，称为起动。完成启动所需的一系列的机构，称为发电机的起动装置，其机理如图1所示。

      发电机起动时，必须克服气缸内被压缩的气体阻力和发电机本身运动件及附件所产生的各种摩擦阻力和惯性力。克服这些阻力所需的力矩称为起动力矩。为保证发电机顺利起动所必需的较低速度称为启动转速。对于柴油发电机，在0℃以上时，要求启动速度为（250～300）转/分。因为柴油发电机压缩比大，运动件惯性力大，起动转速也过高，因此，它的起动容量比同功率的柴油机大（3～4）倍。

      为了保证发电机在任何温度要素下都能可靠地起动，尤其是柴油发电机，通常采用各种便于起动的预热系统，对进入汽缸的空气或冷却液套柴油发电机保养内容、下曲轴箱（油底壳）进行预热，一方可增加汽缸内空气的起燃温度，一方面使各润滑而的机油不致粘滞，减小引动时所需功率。在柴油发电机上还装减压系统便于启动。以电起动系统为例，结构如图2所示。起动机的详细构成如下：

      用于将电瓶输入的电能转换为驱动发电机转动的机械动力(电磁转矩)。

      用于将发电机的动力(电磁转矩)传递给发电机飞轮，并在发电机起动后自动断开发电机向起动马达的逆向动力传递。

      控制启动马达驱动齿轮与发电机飞轮的啮合与分离以及发电机电路的通断。

      通常在20KW以下小容量发电机采用人力启动，这是较简易的起动途径，一般用手摇柄或索直接转动主轴，使发电机启动。手摇启动机构简单，起动摇把或爪轮构造只允许单向传递功率，防范发电机反转伤人。此举措目前详细用于柴油发电机的电启动失效状况下，而采用摇把启动方法。

      弹簧储能起动机也称弹簧马达，外形如图3所示。其机理是将人力多次转动的机械能量，以弹簧作为介质储存起来，一次性释放，从而起动发电机，是“黑启动”或“瘫船起动”的较佳解决步骤，弹簧储能起动马达可以高效的妳补电起动的不足，保证发电机在电瓶亏电状态下（蓄电池不能带动电起动机，但可以正常给发电机控制单元供电）仍然可以正常起动。

      现有的手摇蝶形弹簧储能起动马达详细由四大系统构造，即盘动装置（储能轴头等部件）、储能装置（弹簧、输出曲轴、齿轮等组件）、释放机构（释放手柄等部件）和离合系统（离合器），摇动盘动机构，增加弹簧的储能，释放能量时，释放系统作业控制离合机构作业，使得储能机构的输出主轴转动，并通过齿轮带动发电机主轴转动，从而达到起动发电机的目的。相对气马达及液压马达，弹簧储能启动马达是一套集成的完整装置，无需依赖其他外部能源、无需维护维保的备载启动装置，仅需人力摇动就可以启动50L排量以内的柴油发电机。适用于柴油发电机有应急起动要求的场合，如*野战电源、船用应急发电、抢险\救援\应急发电和水泵机组等。

      直流起动机启动方法广泛用于各种现代发电机和各种功能的柴油发电机。这种措施是用铅酸电瓶作电源，由专用的直流起动启动马达拖动发电机曲轴旋转，将发电机发动起来，所以也叫“电启动”，外形如图4所示。为保证起动可靠，延迟电瓶的使用寿命，每次启动通电时间不得超过15s，持续使用不得超过3次，而且各次之间的间隙时间不少于1min。

      柴油发电机的起动起动马达容量Nq，其公式为

      起动用蓄电池电压为（12～24）V，容量为（100～200）Ah。

      电启动目前柴油发电机中较易发，较普及的启动步骤，也因其大量操作而成本相对也较低，通过电路规划可以实现远程和自动起动功用。整套电启动装置需要：电马达，电池，控制组件、电缆，充电机等。

      对于容量较大的柴油发电机一般采用压缩空气起动，其手段有两种：

      压缩空气启动就是具有一定压力的压缩空气，再用空气分配器将压力为（2450～2940）kPa（25～30kgf/cm2）的高压空气，按照柴油发电机的作业次序送入各个汽缸，直接推动活塞完成自行点火。压缩空气起动的起动能量大，启动迅速可靠，在紧急情况下可用压缩空气进行刹车，但该机构构成复杂，毛重较重，故此法通常实用于缸径≥150mm的柴油发电机。

      气动马达也称为风动马达，是指将压缩空气的能量切换为旋转的机械能的装置，外形如图5所示。一般作为更复杂系统或机器的旋转动力源。气动马达按构成分类为：叶片式气动马达，活塞式气动马达，紧凑叶片式气动马达，紧凑活塞式气动马达。整套气起动机构构造由气马达，油水分离装置，控制组件，高压管道，储气罐，空压机等。

      工程机械用柴油发电机，通常采用辅助柴油机启动。启动时先用人力起动柴油机再通过传动机构带动柴油发电机启动。

      液压启动器又叫液压起动机、液压马达，是利用液压能驱动柴油发电机飞轮齿圈实现柴油发电机点火启动的马达称为液压起动器，外形如图6所示。事实上，液压启动依靠的是一套完整的液压机构，并不仅仅只是一个液压马达。整套系统基础包含油箱，液压启动马达，液力发生装置，滤清器，压力计，储能器，控制阀、高压油管等。价格十分高昂。一般只适合于特殊的应用工况。

      使气门不受凸轮和气门弹簧的控制而进行启动，汽缸内的压力不会因压缩而升高，从而降低启动时气缸内的压缩阻力。

      它用凸轮将配气机构推杵顶起，使进气门处于开启状态。此装置在进气门挺柱的上部有一个切槽，切槽内装有一个切边圆柱体的减压轴，对四缸机而言，减压轴形状，第一、二缸为单面切边，第三、四缸为两面切边，通过减压轴臂可操纵减压轴位置切换。当切边平面朝上时，挺柱处于正常工作位置，减压轴不起功用；当减压轴圆柱面转到上面时，圆柱面将挺柱抬起，使进气门打开，与进气凸轮表面脱离开，气缸内不再发生压缩，从而达到减压目的，实现减压启动。

      在起动马达的电枢轴与驱动齿轮之间装有齿轮减速器的起动机，称为减速启动马达，组成如图7所示。串激式直流发电机的功率与其转矩和速度成正比，可见，当提升发电机转速的同时减小其转矩时，可以保持启动马达容量不变，故当采用高速、低转矩的串激式直流发电机作为起动机康明斯发电机组价格一览表，在功率相同的情况下，可以使起动马达的体积和质量大大降低。但是，起动机的转矩偏低，不能满足启动发电机的要求。为此，在起动马达中采用高速、低转矩的直流发电机时，在发电机的电枢轴与驱动齿轮之间安装齿轮减速器，可以在减轻发电机转速的同时提高其转矩。

      众所周知，柴油发电机是靠发烫高压使柴油自燃，因此，柴油发电机启动时，汽缸内温度的高低，对起动柴油发电机影响很大，尤其环境温度低的情况下，影响更大，故而用直流起动机起动的柴油发电机，通常在辅助燃烧室中装设电热机构，以便柴油在燃烧室内容易雾化形成可燃混合气柴油发电机故障灯标志图解。一般柴油发电机预热机构大部分采用水套加热器，其外形结构如图8所示。

      发电机组的控制柜供电电源为2组24V蓄电池，每组电瓶的容量（24V，160Ah）能满足柴发机组起动要求，在蓄电池充满电后每组电瓶能保证持续启动3次，两组共保证6次。2组蓄电池处于一主一备状态，具有自动转换作用。两套起动机构的切换逻辑是通过两组起动电瓶的电压低信号进行转换，一主一备，启动流程中常载蓄电池的端电压低于23.2V，则转换至备载蓄电池启动，但只要常用蓄电池的端电压恢复至23.2V，则断开备载电瓶，还是通过常载电瓶来启动，当然，所有的这些切换时间，均应在柴油发电机组的一个启机时间间隔（5S）之内。这些逻辑都是通过电控柜的继电器来实现的。

       在应急柴发机组启动流程中，两套启机系统之间频繁自动转换，难以给机组提供持续的启动力矩，造成柴油发电机组启机能力不强，尤其是大修解体之后，首次启动成容量较低。

      由于某些用户充电机构的产品类型陈旧，性能不稳，特别是出现过柴油发电机组启动蓄电池失效后检查发现非作业状态下初始电压即低于24V的状况，简述认为存在充电器无法将电瓶充足的问题。

       鉴于以往机组大修后应急柴油发电机组启动试验中，应急柴油发电机组在一个起动信号周期（5S）内，两套蓄电池的电压一共下降了12次（每套蓄电池均下降了6次），并且随着蓄电池供电次数的增加，电瓶的恢复电压（负荷切除后的电压）逐次下降。即应急柴油发电机组起动后，电瓶电压在平均约0.4S就下降到了23.2V而致使了两套蓄电池的切换。参数还仅是LLS柴油发电机组1次启动而采集的参数，而实际上电瓶的供电是为3次正常起动而布置的，由此就工程实践中负载的要求来看目前的蓄电池容量有必要进行扩容。蓄电池容量需要进行扩容的另一个原由是其工作的环境条件即温度因素。在电池温度降低的情形下，特别是在温度低于10℃时，其放电功率会有大幅减小。因此电瓶工作温度是电瓶功率选型中不得不考虑的一个重要因素。

      为了验证是否可以通过一套发电机组启机机构就能成功完成发电机组装置的成功启动，在通过短接触点的步骤闭锁两套启机机构自动转换以实现仅通过一套启机系统来完成起动。通过蓄电池电压波形来确认两组电池没有进行转换。仅用一套启机机构进行启动的试验结果表明：在试验程序中，仅有一套启机系统在作业，即可一次成功起动。即可考虑修改两套启机系统之间的自动切换逻辑，以减小2套LLS装置启机装置的切换频度，为LLS柴油发电机装置供应了持续可靠的起动力矩，并保护启动电机免受冲击。

      由LIS启机系统单套启机机构进行起动的试验可知，单套启机装置就能完成应急柴油发电机组的正常起动。由于采用PLC控制，而PLC的电源要求直流24V，范围-15%~20%（20.4V~28.8V），启动蓄电池在柴油发电机组起动时电压低于20.4V有可能影响柴油发电机起动性能，结合《电力工程直流机构布置技术规程》DL/T5044-2004中对于蓄电池出口端电压在放电状况下的电压下限的要求：专供动力负载的直流系统，应不低于直流系统标称电压的87.5%。对于应急启机系统的24V电压而言，其端电压的下限应为24*87.5%=21V，可考虑将启机装置的转换电压定值调低到21V。

      通过对启动系统一次成容量低进而引起发电机组装置可靠性低的原因浅谈，提出了3大类改善策略：修改转换逻辑（修改电压低转换定值和增加电压低切换的延时环节）、充电装置换型和蓄电池扩容。以上三种改善对策可以相互独立，均可以在一定程度上提升应急柴油发电机组起动成容量，基于经济性和技术可行性的考虑，优选修改切换逻辑（增加电压低转换的延时环节）和充电系统换型方案，将修改切换逻辑（修改电压低转换定值）和电瓶扩容作为备选措施。对于产生类似发电机组一次启动成容量低的电厂，在无条件或短期无法修改启机逻辑和充电器换型的状况下，也可根据自身情况采用备选对策：“修改电压低转换定值”和“电瓶扩容”，以此提升发电机组启动的可靠性。