3kW柴油發電機組高原適應性優化及試驗驗證

羅雄彬 郭鋒 張俊 譚梁 何輝波

摘要：柴油發電機組一般由柴油機、發電機、控制箱、燃油箱、起動和控制用蓄電瓶、保護裝置、應急柜等部件組成。由于其體積小、靈活、輕便、配套齊全，便于操作和維護，所以廣泛應用于礦山、鐵路、野外工地、道路交通維護、以及工廠等場所，作為備用電源或臨時電源。本文針對DK3GF柴油發電機在高海拔地區起動困難、冒黑煙、額定功率輸出下降、發動機散熱等問題，對發動機結構及參數進行優化，通過試驗驗證，發現優化后的柴油發電機組在高原環境下能夠順利啟動，并且在3000m輸出功率達到3kW，4500m輸出功率達到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.

關鍵詞：噴油壓力;壓縮比;預熱;電啟動;散熱

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

中圖分類號：TM314? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0016-03

0? 引言

隨著柴油發電技術的發展，美國、瑞典、德國、日本等國生產的小型柴油發電機組具有產品系列、規格齊全和技術先進等優點，無論從銷量還是性能水平上領先于其他國家。與國外相比，我國雖然產量能與國外相提并論，但技術與性能仍然相對落后[1]。

目前在用的高海拔工況3kW柴油發電機組的動力分進口和國產兩種，進口柴油發動機組以德國和意大利為主，質量穩定、環境適應性強，基本能滿足高海拔地區使用要求，但存在采購周期長、價格高、維修配件價格高等問題，且在關鍵時刻容易受制于人。國產發電機存在環境適應性較差、啟動困難、功率下降嚴重、可靠性差、冒黑煙等問題，嚴重干擾用戶日常使用。

聞雪友[2]等人通過對柴油機低工況下增加渦輪增壓系統用于提高柴油機的功率，但柴油機的體積和重量明顯增大。孫利魏[3]等人通過對柴油機的配氣機構進行優化設計用于提高柴油機的效率。牛曉曉[4]等人通過仿真優化柴油機的燃燒過程，用于提高柴油機的效率。陸傳榮[5]等人通過對冷卻水腔結構進行局部優化用于提高柴油機的散熱效率。

雖然大量學者對柴油機的功率和散熱問題進行研究，但仍然存在許多問題，因此為使柴油發電機能在高原環境下正常工作，必須對柴油發電機組進行結構和參數優化。

1? 原因分析及優化方案

1.1 高原環境啟動困難問題

柴油機在正常運行過程中，活塞運行到壓縮行程末端時產生高溫高壓的空氣，同時噴油嘴向燃燒室噴入霧化柴油，柴油與燃燒室內的高溫高壓空氣充分結合，燃燒做功。但是在高原環境下，空氣稀薄、環境溫度較低，達不到理想的高溫高壓;國產柴油機燃油霧化效果較差，實現不了燃油與空氣的充分結合;高原環境條件下，人體體能下降，達不到起動柴油機規定的起動轉速，因此起動比較困難。

為了解決高原起動問題，可以采取以下措施：

①配置燃油噴射量控制裝置，高原使用時該裝置工作，減少噴油量，實現柴油與空氣比例適當。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量。③提高壓縮比，通過優化活塞的口徑比、徑深比及燃燒室形狀，并提高發動機壓縮比，從19.5提高為21.5，氣缸壓力從2.1MPa提高為2.3MPa，并將壓縮終了時氣缸內空氣溫度480～500℃提高到540～560℃，柴油更容易燃燒。④采用進氣預熱技術，設置兩個預熱塞，在短時間內使燃燒室內溫度升高，足以使發動機壓縮行程時缸內溫度提高，柴油更容易著火燃燒，使低溫環境下更容易起動，增加起動成功率。⑤增加電起動功能。解決高原環境條件下操作者體能下降，手拉起動困難的問題。

1.2 高原環境功率下降問題

高海拔低氣壓環境下，發動機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增加發動機的進氣量來穩定發動機的輸出功率，但考慮到進一步降低機組重量和減小機組尺寸，通過優化活塞的口徑比、徑深比及燃燒室并提高發動機壓縮比到21.5來提高功率。②由于高原進氣量少，空氣流速慢，將燃燒室的形狀設計為縮口深淺型燃燒室形狀，燃燒室深度變淺，寬度增加，使進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，進氣門外徑由？覫5.6增加大？覫6，氣門頭部直徑由？覫30增加到？覫32，通過這些措施來增加進氣的有效流通面積，進而提高發動機的進氣量。④提高噴油壓力，噴油壓力由18MPa提高到24MPa，提高柴油的霧化細度和均勻度，進而改善燃燒過程，提高燃燒效率。⑤將活塞與缸壁的間隙，活塞環開口間隙，氣門組件間隙等匹配到最佳數值范圍。⑥改變凸輪軸型線，優化供油規律。調整進、排氣升程和進、排氣相位時間，來達到增加進氣量，獲得最佳氣門正時。進而改善燃燒過程，提高燃燒效率。⑦針對進氣量較少的問題，設計進氣旁路增壓進氣結構，即利用飛輪端起動器外殼的導風結構，引導一部分空氣進入空濾器內，經過濾芯的過濾后進入燃燒室。該設計效果較好，可以增加發動機的進氣量，同時不增加相關零部件和發動機重量。

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

1.3 高原環境散熱問題

高原環境下空氣稀薄，發動機的散熱效果沒有平原地區好，發動機的熱量主要來自于柴油的燃燒，即汽缸頭散發的熱量。

①在DK3GF基礎上優化缸頭的氣門結構、增加散熱面積、改進散熱通道，有效的改善了散熱效果，如圖2所示。

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

2? 試驗數據及分析

通過對DK3GF柴油發電機組在高原環境下的啟動困難、功率下降、散熱困難等問題進行結構和參數優化，優化前后參數對照表見表1。

制備優化結構參數的原理樣機進行第一次試驗，得到的數據見表2。

在第一次試驗的基礎上，對原理樣機分別在海拔高度3000m、4500m、4700m進行高原試驗，得到的數據如表3。

試驗結果表明，電站在3000m輸出功率達到3kW，4500m輸出功率達到2.4kW;電氣性能指標、可靠性與維修性、環境適應性、安全性、保護性能指標均達預期效果。

3? 總結

針對DK3GF普通柴油發電機組，高海拔工況啟動難、功率下降、散熱困難等問題，對柴油發電機組的噴油壓力、壓縮比、預熱裝置、燃燒室等結構參數進行優化，使柴油發電機組在海拔3000m輸出功率達到3kW，在海拔4500m輸出功率達到2.4kW;電氣性能指標、可靠性與維修性、環境適應性、安全性、環保護性能指標均能滿足高原環境下用戶使用要求。

參考文獻：

[1]邵仁恩.小型通用柴油機的現狀和發展[J].小型內燃機，1985（04）：1-10.

[2]聞雪友，陸犇，夏軍宏，等.柴油機注汽渦輪增壓系統[J].熱能動力工程，2003，18（2）：190-193.

[3]孫利魏，蘇鐵熊，許俊峰，等.高功率密度柴油機配氣機構優化設計[J].中北大學學報（自然科學版），2012，33（3）：262-265，271.

[4]牛曉曉，劉文斌，聶志斌，等.某型高速大功率船用柴油機燃燒優化[J].河南科技大學學報（自然科學版），2019，40（4）：29-35.

[5]陸傳榮，李佳，苗偉馳，等.高功率密度船用柴油機冷卻系統優化仿真分析[J].柴油機，2016，38（2）：20-23.