發動機啟動電源改造實驗研究

郝文友，張華明，烏蘭

（1.錫林郭勒職業學院；2.神華北電勝利能源有限公司，內蒙古 錫林浩特，026000）

1 背景

工程機械是露天礦生產的重要輔助作業設備，由于北方冬季氣候等原因，導致蓄電池容量下降明顯，在長時間熄火后再啟動困難。特別是在內蒙古等冬季氣溫較低省份，這一現象尤為明顯。介于超級電容工作溫度范圍寬、充電速度快等優點對卡特彼勒D10T推土機發動機啟動電源進行了并聯超級電容改造，設計了充放電控制方案、電容工作狀態監控、電容散熱控制等環節并進行了改造。針對改造后的實驗環節進行了設計并付諸于實施，對改造前后的實驗數據進行對比分析后得出了結論。

2 實驗設計

觀測發動機在單純蓄電池不同溫度下啟動情況，測量常溫下啟動電壓和電流情況進行分析。

統計冬季推土機冬季不同環境溫度下的蓄電池電壓情況、啟動電流大小。觀測發動機在上述同等溫度值下發動機啟動情況，測量并統計并聯超級電容后不同環境溫度下電容模組和蓄電池啟動電流。對并聯超級電容啟動和單純蓄電池啟動情況和相關參數進行對比得出結論。

3 實驗內容及分析

3.1 常溫啟動實驗及分析

（1）單純蓄電池啟動實驗及分析。發動機蓄電池組由用4塊12V、200Ah鉛酸蓄電池組成，采用先兩兩串聯后再并聯的方式連接。常溫啟動實驗選擇在環境溫度20℃時進行，測試時將超級電容模組與發動機啟動線路斷開，使原車蓄電池獨立承擔啟動發動機電能供應工作。經過多次啟動檢測蓄電池端電壓和啟動過程中的電流值，統計后進行平均值計算得出數據如表1。

表1 蓄電池啟動技術參數

通過表1可以看出在啟動過程中峰值電流出現在啟動開關開啟后0.5S左右，峰值電流約為260A,電壓處于最低值約為13.6V壓差為11.6V。此時馬達處于將要啟動瞬間，輸出轉矩最大。這就意味著在啟動瞬間對蓄電池的沖擊影響較大，峰值放電導致蓄電池壽命縮短，并且隨著峰值放電次數的增加蓄電池的壽命會進一步降低。特別是在低溫環境下伴隨蓄電池容量大幅下降，峰值放電對蓄電池的壽命影響變得更為突出。

（2）與電容模組并聯啟動實驗測試。將9塊3000F,2.7V單體電容串聯組成的電容模組與鉛酸蓄電池組并聯。在20℃環境溫度下進行啟動測試。經過多次測試蓄電池、電容模組電流和端電壓，取平均值得出數據如表2。

表2 并聯電容模組啟動技術參數表

并聯電容模組后啟動發動機，電壓谷值為17.4、壓差為7.8，相對并聯電容模組前電壓谷值提高3.8V。明顯降低了發動機啟動瞬間對蓄電池造成的電壓沖擊，而降低部分由超級電容模組分擔了。并聯電容模組后啟動發動機，蓄電池峰值電流由并聯前的260A下降到98A，電容模組峰值電流為392A，總電流峰值為490A，比并聯前提高了1.88倍。馬達吸收電流主要由電容模組提供，從蓄電池吸收的電流比并聯前降低了63.4%。較為明顯的降低了蓄電池的電流輸出，使發動機啟動瞬間給蓄電池帶來的電流沖擊明顯減弱。大部分電流由具有瞬間放電電流大的超級電容分擔。

并聯電容模組后啟動發動機，蓄電池峰值功率為1.7kW，超級電容膜組峰值功率為6.82kW，總功率為7.98kW，85.4%的功率由超級電容模組輸出。由此可見并聯超級電容模組后啟動發動機時對蓄電池造成的功率沖擊下降明顯，具有保護蓄電池的作用，此外輸出功率峰值也有較明顯的提高。由公式（1）可已看出直流馬達啟動轉矩與啟動電流成正比，當并聯超級電容模組后馬達啟動電磁轉矩也隨之增加如表3。

式（1）中，T為啟動轉矩；KT為轉矩常數；?n為額定磁通量；Ist為啟動電流。

表3 馬達啟動轉矩

3.2 低溫啟動實驗及分析

（1）單純蓄電池啟動實驗及分析。在0～-35℃之間不同溫度段對未并聯超級電容模組發動機啟動時蓄電池的各項技術數據進行了實地測量，整車在各測試溫度段內均熄火放置8小時。測量后對比發現端電壓和輸出電流受環境溫度影響不大。但當環境溫度在-20℃時出現啟動困難，且經過一次啟動后電壓下降幅度增大。當環境溫度低至-25℃以下時發動機無法啟動，且連續啟動每次發動機轉速有較為明顯的下降，連續3次后發動機出現啟動堵轉現象。

（2）與電容模組并聯啟動實驗測試。在0～-35℃之間不同溫度段對并聯超級電容模組發動機啟動時蓄電池的各項技術數據進行了實地測量，整車在各測試溫度段內均熄火放置8小時。測量對比發現端電壓和輸出電流受環境溫度影響不大。在-25℃時一次啟動順利著車、在-30℃時依然能一次性順利著車、在-35℃時出現一次啟動未著車，繼續啟動在第三次啟動時發動機順利著車，電壓有輕微下降。

表4 不同溫度著車啟動次數

4 實驗結論

通過改造后進行現場實驗測試和分析比較，發現并聯超級電容模組后啟動發動機蓄電池端電壓壓差、啟動輸出電流、和輸出功率明顯變小，超級電容模組承擔了主要的功率輸出。這樣大幅減小了發動機啟動時對蓄電池造成的電流和功率輸出波動，進而間接延長了蓄電池的使用壽命。

改造前環境溫度下降到-25℃就發動機就已無法啟動，且蓄電池容量下降明顯，連續汽車約10s左右發動機啟動堵轉。并聯超級電容模組后，整個電源的輸出電流和功率都有大幅提高，使馬達啟動功率和啟動轉矩提高了1.8倍。特別是在低溫情況下啟動效果明顯在環境溫度-35℃下停放8小時后經過3次啟動發動機著車，且電源電壓下降微小。

綜上所述采用并聯超級電容冷啟動改造后，實現了較好的啟動效果特別是在寒冷的冬季效果尤為突出。在保護蓄電池的同時避免了研究背景中所述的要求司機每十分鐘左右啟動一次發動機給蓄電池充電。在節能減排的同時也避免了頻繁啟動給發動機帶來的傷害，減輕了司機的工作強度。

5 效益分析

5.1 直接效益分析

項目利用超級電容節能環保、使用壽命長、安全、工作溫度范圍寬、充電速度快、免維護等多項鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鋰電池所不具備的優點，進行C27EUI發動機冷啟動電源改造，彌補了蓄電池作為發動機冷啟動電源的缺點，解決了冷啟動所帶來的不利影響。超級電容作為發動機冷啟動時電源，彌補因氣溫低蓄電池容量下降問題，避免冬季冷啟動困難等問題；避免因低溫狀態下頻繁啟動所帶來的蓄電池加速老化問題，能夠保證蓄電池正常使用壽命；避免冬季因頻繁啟動導致發動機節氣門、缸筒內壁等部位積炭增多，降低發動機故障率；保證露天礦工程機械出動率，降低企業生產運營成本。

保證露天礦工程機械出動率，降低企業生產運營成本。卡特彼勒一臺C27EUI發動機總成預計160萬元，大修一次發動機預計40余萬元。發動機啟動回路通過利用超級電容改造后，可以延長發動機大修周期，減少因發動機故障而導致發動機提前進入大修期的幾率。根據目前工程機械發動機運轉小時數，僅神華北電勝利能源有限公司就擁有14臺D10T推土機，改造后預計每年可以節約成本預計80萬左右。

此外通過調查研究發現在內蒙、東北、新疆等冬季氣溫普遍偏低地區，礦山生產作業過程中輔助工程機械同樣面臨蓄電池容量下降嚴重冷啟動困難等問題，給礦山生產帶來了較大影響，不僅提高了維修成本也在一定程度上影響了生產效率，目前已成為礦山企業亟待解決的問題之一。除礦山生產之外在寒冷地區其他發動機應用場合也面臨同樣問題。運用超級電容冷啟動技術可以較大程度的方便生產和生活。從上述情況可以看出發動機超級電容冷啟動技術在我國北方寒冷地區具有較為廣闊的推廣應用前景。

5.2 間接效益分析

C27EUI發動機超級電容冷啟動改造研究除了在直接經濟方面效益明顯外，在節能環保和降低勞動強度等方面也具有較為明顯的效益。C27EUI發動機在超級電容冷啟動改造前平均需要每隔10分鐘需啟動發動機充電10分鐘，C27發動機排量為27L，僅怠速充電過程就占了近30%的出動時間，此過程不僅增加了發動機的油耗還增大了尾氣的日排放量。改造后發動機無需為了給蓄電池充電而頻繁啟動，也無需為了給蓄電池充電而每隔10分鐘充電10分鐘。這樣間接的降低了發動機的日工作油耗，減小了排放。總體來說節約了生產成本，減小了尾氣排放帶來的環境污染達到了節能降耗的目的。

此外C27EUI發動機超級電容冷啟動后無需司機頻繁啟動發動機，降低了司機的勞動強度，緩解了司機的工作疲勞間接的使發生誤操作系數大大降低，提高了作業的精準率和工作效率。