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改善小型柴油发电机组高原环境适应性的主要措施

TCY- 787型交流土频柴油发电机组采用德国HATZ公司生产的1B40型单缸风冷四冲程柴油机做动力,采用先进的交流无刷同步发电机和自动稳压设计,外形美观、土作可靠、维修方便,可用于220V /50 Hz、功耗小于3 kW的设备供电。本文作者以该型机组为例,分析改善其高原环境适应性的主要措施。
改善柴油发电机组冷启动性能的主要措施
改善柴油机冷启动性能的主要技术措施有:①在进气歧管内安装进气预热装置以提高进气温度或采用燃烧预热方式,在进气管内燃烧少量燃油预热进气;②在冷却系统中安装加热器以提高冷却液温度;③在润滑系统中安装加热器以提高润滑液温度;④选用较大功率的启动电机、大容量的低温启动蓄电池、低温润滑油和添加防冻液。
1B40柴油机为风冷机型,在进气道上安装有进气预热丝,在冷启动前,可以通过控制面板上的启动钥匙进行进气预热。提高润滑液温度的具体措施是:在油底壳放油螺栓位置加装电阻式预热塞,12 V电源由启动蓄电池提供,其控制电路和进气预热装置相同,由启动钥匙控制。
恢复柴油机发电机组高原功率的主要措施
目前,恢复柴油机高原功率的主要措施有:改装增压器、参数优化、采用含氧燃料和补氧措施。
改装增压器
根据前面的分析,增加进气密度可以提高内燃机的功率。采用增压技术来提高进气密度是恢复柴油机高原功率的主要措施,同时也能改善柴油机燃油经济性和冷启动性能。
增压方法按照驱动增压器所用能量来源的不同,基本可分为六类:机械增压;废气涡轮增压;复合增压;惯性增压;气波增压和电动增压。针对1B40柴油机的结构特点,综合考虑不同增压方式的增压效率和改装难度,采用惯性增压和电动增压是比较理想的改装方式。
1)惯性增压
惯性增压是利用进气管道内气流的惯性效应和波动效应来提高柴油机充气效率的一种增压装置。惯性增压不需对柴油机本身的结构作很大改动,只要合理地选择进排气管的尺寸(截面、长度),并将进排气歧管适当地组合起来,就能利用进排气管内气体的动力效应来增加气缸的充气量,使发动机的功率提高10~20%。这种增压方法对高速小功率柴油机特别适宜。
2)电动增压器
电动增压器主要由直流(或交流异步)电动机和压气机两部分组成,采用蓄电池和充电发电机为电源,土作时由电动机驱动同轴联接的压气机高速旋转以达到增加进气量的目的。自上世纪90年代以来,国外的增压器公司如博格华纳、盖瑞特等开始进行电子增压器的研究,产品己发展到第3代。当前,电动增压器主要有两种应用型式,一种是在废气涡轮增压器上再加装一级电辅助增压器;另一种是直接由电机驱动压气机土作以实现进气增压。由于1B40柴油机为非增压型机组,采用第二种方式比较合理。改装时,只需将原机型上的空气滤清器拆下,用进气胶管将电动增压器的出风口与柴油机的进气口连接在一起,空气滤清器安装在增压器的进气口上。
当前,电动增压器存在的主要问题是:柴油发电机组所配备的启动蓄电池和充电发电机的容量有限,限制了电动增压器电机的选用功率;其次,废气涡轮增压器的涡轮转速每分钟可达几万转到十几万转,而电动机的转速一般在每分钟几千或上万转,限制了增压比的提高。基于上述两点原因,电动增压器的增压效率还较低,对柴油机功率的提升有限。近年来,随着轻质高强度材料的开发应用以及国内外电机制造水平的提高,采用永磁材料制成的高速无刷电机转速己经达到每分钟十几万转。
参数优化
国内外研究表明,通过对柴油机的燃油供给系统和燃烧系统参数的调整和优化,可以在一定程度上改善柴油机的高原土作特性,减少功率下降的幅度。参数调整优化的主要措施包括供油定时、喷油压力的匹配调整;适当提高压缩比;优化燃烧室结构;优化增压器与柴油机的匹配等。针对1B40柴油机的结构特点,采用适当提高压缩比的方法来提升高原功率。
改变1B40柴油机压缩比的方法主要有两种,一是改变燃烧室的结构,二是改变气缸垫的厚度。改变燃烧室的结构不仅会改变压缩比,还会影响到可燃混合气的形成和燃烧过程的进行,需要综合考虑多种因素,并且改变燃烧室结构的制造土艺复杂,成本高。采用改变气缸垫厚度的方法在制造土艺上比较简单、成本低,但是气缸垫厚度过薄会影响到气缸的密封,在设计时必须综合考虑。两种方法相比较,采用减小气缸垫片厚度来提高压缩比的方法较适用。
采用补氧措施和含氧燃料
造成高原地区柴油机功率下降的主要原因是空气含氧量的降低,因此从提高空气含氧量的角度出发,可以恢复部分功率。氧气的制取技术主要有两种:分子筛制氧技术和膜法制氧技术,目前研究较多的是膜法制氧技术。但是由于存在成本较高、装置体积、重量过大、安装不便等不足,该技术还未获得广泛应用。
另一种措施是采用含氧燃料。含氧燃料也称为代用燃料。目前,含氧燃料主要就是在汽油、柴油等常规燃料中添加酒精、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机的动力性能,而且可以降低碳烟的排放,减轻环境污染。