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　　研究開發(fā)利用超大容量電容器改善內(nèi)燃機車柴油發(fā)電機組的電啟動性能李凱（北京鐵路局機務(wù)處，北京100860）車啟動的工作原理，分析了啟動輔助裝置的經(jīng)濟效益，并通過內(nèi)燃機車電啟動試驗證實，用超大容量電容器輔助蓄電池啟動柴油發(fā)電機組，技術(shù)上可行，效益明顯。

　　1概述目前國內(nèi)內(nèi)燃機車是用蓄電池組來啟動柴油發(fā)電機組，沒有使用其他輔助裝置。蓄電池組存在充電時間長、壽命短、運行維護費用高、污染環(huán)境等方面的問題。

　　如果用電容器作為電啟動的輔助裝置，則可以很好地解決這些問題，改善電啟動的性能；但傳統(tǒng)電容器的容量不能滿足內(nèi)燃機車蓄電池組的要求。80年代，日本開始生產(chǎn)超大容量電容器。這種電容器是用活性碳超微孔纖維材料制成，技術(shù)含量很高，一直只有俄、美、日等少數(shù)幾個國家能批量生產(chǎn)，并且已成功地應(yīng)用于內(nèi)燃機車發(fā)電機組的電啟動。近幾年，國內(nèi)也研制成功超大容量電容器，其性能接近國際水平，而價格僅為國外產(chǎn)品的三分之一，這就為國內(nèi)內(nèi)燃機車采用超大容量電容器作為電啟動輔助裝置創(chuàng)造了很好的條件。

　　2電容器輔助內(nèi)燃機車電啟動的工作原理采用超大容量電容器作為內(nèi)燃機車電啟動輔助裝置的線路原理如所示。原有啟動裝置包括蓄電池組XDC、蓄電池閘刀XK、啟動接觸器QC和啟動發(fā)電機MG；新增輔助裝置包括超大容量電容器組C、二極管VD、晶閘管VT、充電限流電阻R和啟動泵接觸器QBC.對于東風型內(nèi)燃機車，蓄電池組由48節(jié)462Ah內(nèi)燃機車用蓄電池組成，充滿電時每節(jié)電壓為2.1V，總電壓為0，啟動發(fā)電機內(nèi)阻為0.0180.相應(yīng)輔助裝置的超大容量電容器組，可采用4只并聯(lián)的電壓為96V、電容量為7F的電容器。

　　在沒有采用輔助裝置的情況下，啟動時閉合蓄電池閘刀XK及啟動接觸器QC，啟動電流最大值為2 100A，蓄電池端電壓最低值為38V，7s左右啟動結(jié)束。

　　在采用輔助裝置的情況下，依照柴油發(fā)電機組啟動的步驟，在閉合蓄電池閘刀XK后，閉合啟動泵接觸器QBC，啟動泵開始工作；同時晶閘管VT觸發(fā)導通，蓄電池組通過限流電阻R給電容器組充電。電阻的阻值可按發(fā)動機正式啟動前12min的準備時間內(nèi)給電容器組充滿電為標準來確定。正式啟動時，閉合啟動接觸器QC，蓄電池組與電容器組同時輸出所存儲的電能，通過啟動發(fā)電機的電流為蓄電池組輸出電流與電容器輸出電流之和。啟動瞬時最大電流約為3000A，蓄電池端電壓最低值約為55V；相應(yīng)地，蓄電池組的瞬時最大輸出電流為1500A，電容器組的最大輸出電流為1放電時間為1.11.5s.至此，電啟動輔助裝置作用于柴油發(fā)電機組的啟動結(jié)束。與沒有采用輔助裝置的情況相比，在蓄電池組輸出最大電流降低28%的情況下，啟動發(fā)電機的最大輸入電流增加了約43%，蓄電池端電壓最低值提高了約45%，啟動瞬時轉(zhuǎn)矩提高了約100%，啟動時間縮短1.01.5s.超大容量電容器作為內(nèi)燃機車電啟動輔助裝置的線路原理觸器；MG啟動發(fā)電機；C超大容量電容器組；VD二極管；VT晶閘管；R充電限流電阻；QBC啟動泵接觸器電容輔助啟動裝置與充滿電的蓄電池組聯(lián)合啟動時，蓄電池組的輸出電流與電容器組的輸出電流之比約為1：1；但當蓄電池因過放電而其容量降低時，電容器組的輸出電流能達到蓄電池組輸出電流的1.52倍。

　　因此，蓄電池技術(shù)狀態(tài)越差，就越能體現(xiàn)出電容器組輔助啟動裝置的作用。

　　3內(nèi)燃機車電啟動試驗為了檢驗超大容量電容器作為內(nèi)燃機車啟動輔助裝置的實際性能，并且與蓄電池單獨啟動性能進行對比，北京鐵路局北京內(nèi)燃機務(wù)段和石家莊機務(wù)段分別在DF12型內(nèi)燃機車（與DF4型機車裝載同樣功率的柴油機）和DF4型內(nèi)燃機車上進行了超大容量電容器輔助電啟動的啟動柴油機試驗。

　　DF12型內(nèi)燃機車上的試驗采用1組4只并聯(lián)的電壓為96V、電容量為7F的電容器。原車蓄電池為NG462Ah（殘存容量80%），同時還準備了1組東方紅5型調(diào)車機車使用的NG300Ah的蓄電池（殘存容量80%）。試驗儀器為546008型記憶示波器1臺，2000八分流器2只。

　　DF4型內(nèi)燃機車上的試驗采用1組3只并聯(lián)的電壓為96V、電容量為8.5F的電容器。原車蓄電池為NG420Ah（殘存容量80%），同時也準備了1組NG300Ah的蓄電池（殘存容量80%）。試驗儀器為HP54602A四通道150MHz數(shù)字存儲示波器1臺，1000A分流器4只。

　　兩種機型在以下三種情況下分別進行了啟動柴油機試驗：將超大容量電容器接入，輔助原車的462Ah將蓄電池換成300Ah，用超大容量電容器輔助。

　　在這三種情況下，電流最大值和電壓最低值等試驗數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

　　表1 DF12型內(nèi)燃機車啟動柴油機試驗數(shù)據(jù)啟動裝置電壓最低值/V蓄電池輸出電流最大值/A電容器輸出電流最大值/A啟動發(fā)電機的最大輸入電流/A啟動時間附注單獨使用蓄電池電容器輔助462Ah蓄電池7次啟動試驗均順利成功電容器輔助300Ah蓄電池3次啟動試驗均順利成功表2 DF4型內(nèi)燃機車啟動柴油機試驗數(shù)據(jù)啟動裝置電壓最低值/V蓄電池輸出電流最大值/A電容器輸出電流最大值/A啟動發(fā)電機的最大輸入電流/A啟動時間附注單獨使用蓄電池3次啟動試驗均順利成功電容器輔助420Ah蓄電池3次啟動試驗均順利成功電容器輔助300Ah蓄電池4次啟動試驗均順利成功DFi2型內(nèi)燃機車啟動柴油機試驗的電流曲線如所示。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，用超大容量電容器輔助462Ah蓄電池啟動，蓄電池端電壓最低值比單獨使用蓄電池啟動提高了60%80%，蓄電池輸出電流降低了30%50%，這對蓄電池是有利的；同時，啟動瞬時轉(zhuǎn)矩增大，這將有助于縮短啟動時間，提高啟動可靠性。

　　容器配合啟動，蓄電池的最大輸出電流只有670A，低于啟動型鉛酸蓄電池允許的最大放電電流（35）。的標準。但在超大容量電容器輔助下多次啟動試驗均順利成功，說明東風型內(nèi)燃機車采用超大容量電容器作為電啟動輔助裝置，可減小現(xiàn)有蓄電池的容量或延長其使用時間。

　　動的電流曲線圖，電壓最低值為30V，電流最大值2100A.（b）為將超大容量電容器接入，輔助原車462Ah蓄電池啟動的電流曲線圖，電壓最低值為49V，電容器輸出電流最大值為2240A，蓄電池輸出電流最大只有1060A.（c）為將蓄電池換成300Ah與超大容量電容器共同啟動的電流曲線圖，啟動2次均成功，電壓最低值為40V，蓄電池輸出電流最大值670A. 4經(jīng)濟效益分析超大容量電容器作為內(nèi)燃機車電啟動的輔助裝置，最適合應(yīng)用在頻繁啟動的調(diào)車機車上。以往為防止蓄電池虧電，要求在短時待機時不得停機。而在安裝啟動輔助裝置后，待機時就可隨時停機，沒有任何限制。這樣既降低了柴油機的機械磨損，又節(jié)省了燃油。

　　安裝電啟動輔助裝置后，在柴油機啟動時，由于30%50%以上的啟動電流來自于超大容量電容器，蓄電池的負擔要比過去小得多，因此可以大大延長蓄電池的使用壽命，并且還可適當減少現(xiàn)有內(nèi)燃機車蓄電池的容量，降低成本和重量。

　　安裝電啟動輔助裝置后，柴油機啟動的可靠性大為提高，特別是在低溫以及蓄電池組虧電或電參數(shù)變壞時，尤為明顯。

　　由于啟動瞬時轉(zhuǎn)矩的增加，柴油機旋轉(zhuǎn)加速度加大，提高了燃油點燃質(zhì)量，縮短了柴油發(fā)電機組的啟動時間。

　　5操作與維護由于電容器是儲能器件，在機車的日常操作與維護過程中首要注意的就是人身安全，因此，在輔助裝置的電路設(shè)計上要考慮安全放電回路。放電回路可以利用機車上既有設(shè)備（如電阻制動電路、前照燈電路或電爐電路等），也可以利用電啟動輔助裝置中的充電限流電阻作為負載。放電控制方式可以人工，也可自動，而以自動更為安全可靠。

　　6結(jié)論超大容量電容器作為內(nèi)燃機車電啟動的輔助裝置，可以縮短啟動時間，提高啟動可靠性，延長蓄電池的使用壽命。將這種輔助裝置應(yīng)用于現(xiàn)有內(nèi)燃機車上，可以減小現(xiàn)有蓄電池的容量，技術(shù)上是可行的，可帶來明顯的經(jīng)濟效益。建議在國內(nèi)內(nèi)燃機車上逐步推廣使用這種電啟動的輔助裝置。

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