3kW柴油发电机组高原适应性优化及试验验证

罗雄彬 郭锋 张俊 谭梁 何辉波

摘要：柴油发电机组一般由柴油机、发电机、控制箱、燃油箱、起动和控制用蓄电瓶、保护装置、应急柜等部件组成。由于其体积小、灵活、轻便、配套齐全，便于操作和维护，所以广泛应用于矿山、铁路、野外工地、道路交通维护、以及工厂等场所，作为备用电源或临时电源。本文针对DK3GF柴油发电机在高海拔地区起动困难、冒黑烟、额定功率输出下降、发动机散热等问题，对发动机结构及参数进行优化，通过试验验证，发现优化后的柴油发电机组在高原环境下能够顺利启动，并且在3000m输出功率达到3kW，4500m输出功率达到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.

关键词：喷油压力;压缩比;预热;电启动;散热

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

中图分类号：TM314                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0016-03

0  引言

随着柴油发电技术的发展，美国、瑞典、德国、日本等国生产的小型柴油发电机组具有产品系列、规格齐全和技术先进等优点，无论从销量还是性能水平上领先于其他国家。与国外相比，我国虽然产量能与国外相提并论，但技术与性能仍然相对落后[1]。

目前在用的高海拔工况3kW柴油发电机组的动力分进口和国产两种，进口柴油发动机组以德国和意大利为主，质量稳定、环境适应性强，基本能满足高海拔地区使用要求，但存在采购周期长、价格高、维修配件价格高等问题，且在关键时刻容易受制于人。国产发电机存在环境适应性较差、启动困难、功率下降严重、可靠性差、冒黑烟等问题，严重干扰用户日常使用。

闻雪友[2]等人通过对柴油机低工况下增加涡轮增压系统用于提高柴油机的功率，但柴油机的体积和重量明显增大。孙利魏[3]等人通过对柴油机的配气机构进行优化设计用于提高柴油机的效率。牛晓晓[4]等人通过仿真优化柴油机的燃烧过程，用于提高柴油机的效率。陆传荣[5]等人通过对冷却水腔结构进行局部优化用于提高柴油机的散热效率。

虽然大量学者对柴油机的功率和散热问题进行研究，但仍然存在许多问题，因此为使柴油发电机能在高原环境下正常工作，必须对柴油发电机组进行结构和参数优化。

1  原因分析及优化方案

1.1 高原环境启动困难问题

柴油机在正常运行过程中，活塞运行到压缩行程末端时产生高温高压的空气，同时喷油嘴向燃烧室喷入雾化柴油，柴油与燃烧室内的高温高压空气充分结合，燃烧做功。但是在高原环境下，空气稀薄、环境温度较低，达不到理想的高温高压;国产柴油机燃油雾化效果较差，实现不了燃油与空气的充分结合;高原环境条件下，人体体能下降，达不到起动柴油机规定的起动转速，因此起动比较困难。

为了解决高原起动问题，可以采取以下措施：

①配置燃油喷射量控制装置，高原使用时该装置工作，减少喷油量，实现柴油与空气比例适当。②提高喷油压力，将喷油压力由18MPa提高到24MPa，使燃油有更好的雾化效果，与空气结合更充分，提升着火能力。图1是两种喷油压力下柴油雾化颗粒直径与数量。③提高压缩比，通过优化活塞的口径比、径深比及燃烧室形状，并提高发动机压缩比，从19.5提高为21.5，气缸压力从2.1MPa提高为2.3MPa，并将压缩终了时气缸内空气温度480～500℃提高到540～560℃，柴油更容易燃烧。④采用进气预热技术，设置两个预热塞，在短时间内使燃烧室内温度升高，足以使发动机压缩行程时缸内温度提高，柴油更容易着火燃烧，使低温环境下更容易起动，增加起动成功率。⑤增加电起动功能。解决高原环境条件下操作者体能下降，手拉起动困难的问题。

1.2 高原环境功率下降问题

高海拔低气压环境下，发动机燃烧所需要的氧气含量较少，燃烧不充分，输出功率随海拔高度的升高而急剧下降。

①一般情况下可采用增压技术增加发动机的进气量来稳定发动机的输出功率，但考虑到进一步降低机组重量和减小机组尺寸，通过优化活塞的口径比、径深比及燃烧室并提高发动机压缩比到21.5来提高功率。②由于高原进气量少，空气流速慢，将燃烧室的形状设计为缩口深浅型燃烧室形状，燃烧室深度变浅，宽度增加，使进入的气体更分布均匀，燃烧更充分，提高燃烧效率。③将空滤器滤芯的直径由？覫60增大到？覫70，进气门外径由？覫5.6增加大？覫6，气门头部直径由？覫30增加到？覫32，通过这些措施来增加进气的有效流通面积，进而提高发动机的进气量。④提高喷油压力，喷油压力由18MPa提高到24MPa，提高柴油的雾化细度和均匀度，进而改善燃烧过程，提高燃烧效率。⑤将活塞与缸壁的间隙，活塞环开口间隙，气门组件间隙等匹配到最佳数值范围。⑥改变凸轮轴型线，优化供油规律。调整进、排气升程和进、排气相位时间，来达到增加进气量，获得最佳气门正时。进而改善燃烧过程，提高燃烧效率。⑦针对进气量较少的问题，设计进气旁路增压进气结构，即利用飞轮端起动器外壳的导风结构，引导一部分空气进入空滤器内，经过滤芯的过滤后进入燃烧室。该设计效果较好，可以增加发动机的进气量，同时不增加相关零部件和发动机重量。

通过提高压缩比、提高3kW柴油发电机组在高原环境条件下的燃烧效率、增大进气量、减少摩擦损失等措施，改进后的发电机组在高原低温低压环境下，能以较高的功率输出。

1.3 高原环境散热问题

高原环境下空气稀薄，发动机的散热效果没有平原地区好，发动机的热量主要来自于柴油的燃烧，即汽缸头散发的热量。

①在DK3GF基础上优化缸头的气门结构、增加散热面积、改进散热通道，有效的改善了散熱效果，如图2所示。

②增大冷却风量，将风扇叶片高度增加4mm，散热风量可以增大12%，从而能够改善散热效果。

2  试验数据及分析

通过对DK3GF柴油发电机组在高原环境下的启动困难、功率下降、散热困难等问题进行结构和参数优化，优化前后参数对照表见表1。

制备优化结构参数的原理样机进行第一次试验，得到的数据见表2。

在第一次试验的基础上，对原理样机分别在海拔高度3000m、4500m、4700m进行高原试验，得到的数据如表3。

试验结果表明，电站在3000m输出功率达到3kW，4500m输出功率达到2.4kW;电气性能指标、可靠性与维修性、环境适应性、安全性、保护性能指标均达预期效果。

3  总结

针对DK3GF普通柴油发电机组，高海拔工况启动难、功率下降、散热困难等问题，对柴油发电机组的喷油压力、压缩比、预热装置、燃烧室等结构参数进行优化，使柴油发电机组在海拔3000m输出功率达到3kW，在海拔4500m输出功率达到2.4kW;电气性能指标、可靠性与维修性、环境适应性、安全性、环保护性能指标均能满足高原环境下用户使用要求。

参考文献：

[1]邵仁恩.小型通用柴油机的现状和发展[J].小型内燃机，1985（04）：1-10.

[2]闻雪友，陆犇，夏军宏，等.柴油机注汽涡轮增压系统[J].热能动力工程，2003，18（2）：190-193.

[3]孙利魏，苏铁熊，许俊峰，等.高功率密度柴油机配气机构优化设计[J].中北大学学报（自然科学版），2012，33（3）：262-265，271.

[4]牛晓晓，刘文斌，聂志斌，等.某型高速大功率船用柴油机燃烧优化[J].河南科技大学学报（自然科学版），2019，40（4）：29-35.

[5]陆传荣，李佳，苗伟驰，等.高功率密度船用柴油机冷却系统优化仿真分析[J].柴油机，2016，38（2）：20-23.