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

　　1概述目前國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)車是用蓄電池組來啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，沒有使用其他輔助裝置。蓄電池組存在充電時(shí)間長(zhǎng)、壽命短、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高、污染環(huán)境等方面的問題。

　　如果用電容器作為電啟動(dòng)的輔助裝置，則可以很好地解決這些問題，改善電啟動(dòng)的性能；但傳統(tǒng)電容器的容量不能滿足內(nèi)燃機(jī)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(gè)國(guó)家能批量生產(chǎn)，并且已成功地應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車發(fā)電機(jī)組的電啟動(dòng)。近幾年，國(guó)內(nèi)也研制成功超大容量電容器，其性能接近國(guó)際水平，而價(jià)格僅為國(guó)外產(chǎn)品的三分之一，這就為國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)車采用超大容量電容器作為電啟動(dòng)輔助裝置創(chuàng)造了很好的條件。

　　2電容器輔助內(nèi)燃機(jī)車電啟動(dòng)的工作原理采用超大容量電容器作為內(nèi)燃機(jī)車電啟動(dòng)輔助裝置的線路原理如所示。原有啟動(dòng)裝置包括蓄電池組XDC、蓄電池閘刀XK、啟動(dòng)接觸器QC和啟動(dòng)發(fā)電機(jī)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(dòng)泵接觸器QBC.對(duì)于東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車，蓄電池組由48節(jié)462Ah內(nèi)燃機(jī)車用蓄電池組成，充滿電時(shí)每節(jié)電壓為2.1V，總電壓為0，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)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(dòng)時(shí)閉合蓄電池閘刀XK及啟動(dòng)接觸器QC，啟動(dòng)電流最大值為2 100A，蓄電池端電壓最低值為38V，7s左右啟動(dòng)結(jié)束。

　　在采用輔助裝置的情況下，依照柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)的步驟，在閉合蓄電池閘刀XK后，閉合啟動(dòng)泵接觸器QBC，啟動(dòng)泵開始工作；同時(shí)晶閘管VT觸發(fā)導(dǎo)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(dòng)機(jī)正式啟動(dòng)前12min的準(zhǔn)備時(shí)間內(nèi)給電容器組充滿電為標(biāo)準(zhǔn)來確定。正式啟動(dòng)時(shí)，閉合啟動(dòng)接觸器QC，蓄電池組與電容器組同時(shí)輸出所存儲(chǔ)的電能，通過啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的電流為蓄電池組輸出電流與電容器輸出電流之和。啟動(dòng)瞬時(shí)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(shí)最大輸出電流為1500A，電容器組的最大輸出電流為1放電時(shí)間為1.11.5s.至此，電啟動(dòng)輔助裝置作用于柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)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(dòng)發(fā)電機(jī)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(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩提高了約100%，啟動(dòng)時(shí)間縮短1.01.5s.超大容量電容器作為內(nèi)燃機(jī)車電啟動(dòng)輔助裝置的線路原理觸器；MG啟動(dòng)發(fā)電機(jī)；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(dòng)泵接觸器電容輔助啟動(dòng)裝置與充滿電的蓄電池組聯(lián)合啟動(dòng)時(shí)，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(dāng)蓄電池因過放電而其容量降低時(shí)，電容器組的輸出電流能達(dá)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(dòng)裝置的作用。

　　3內(nèi)燃機(jī)車電啟動(dòng)試驗(yàn)為了檢驗(yàn)超大容量電容器作為內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)輔助裝置的實(shí)際性能，并且與蓄電池單獨(dú)啟動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比，北京鐵路局北京內(nèi)燃機(jī)務(wù)段和石家莊機(jī)務(wù)段分別在DF12型內(nèi)燃機(jī)車（與DF4型機(jī)車裝載同樣功率的柴油機(jī)）和DF4型內(nèi)燃機(jī)車上進(jìn)行了超大容量電容器輔助電啟動(dòng)的啟動(dòng)柴油機(jī)試驗(yàn)。

　　DF12型內(nèi)燃機(jī)車上的試驗(yàn)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(shí)還準(zhǔn)備了1組東方紅5型調(diào)車機(jī)車使用的NG300Ah的蓄電池（殘存容量80%）。試驗(yàn)儀器為546008型記憶示波器1臺(tái)，2000八分流器2只。

　　DF4型內(nèi)燃機(jī)車上的試驗(yàn)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(shí)也準(zhǔn)備了1組NG300Ah的蓄電池（殘存容量80%）。試驗(yàn)儀器為HP54602A四通道150MHz數(shù)字存儲(chǔ)示波器1臺(tái)，1000A分流器4只。

　　兩種機(jī)型在以下三種情況下分別進(jìn)行了啟動(dòng)柴油機(jī)試驗(yàn)：將超大容量電容器接入，輔助原車的462Ah將蓄電池?fù)Q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(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

　　表1 DF12型內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)柴油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)啟動(dòng)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(dòng)發(fā)電機(jī)的最大輸入電流/A啟動(dòng)時(shí)間附注單獨(dú)使用蓄電池電容器輔助462Ah蓄電池7次啟動(dòng)試驗(yàn)均順利成功電容器輔助300Ah蓄電池3次啟動(dòng)試驗(yàn)均順利成功表2 DF4型內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)柴油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)啟動(dòng)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(dòng)發(fā)電機(jī)的最大輸入電流/A啟動(dòng)時(shí)間附注單獨(dú)使用蓄電池3次啟動(dòng)試驗(yàn)均順利成功電容器輔助420Ah蓄電池3次啟動(dòng)試驗(yàn)均順利成功電容器輔助300Ah蓄電池4次啟動(dòng)試驗(yàn)均順利成功DFi2型內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)柴油機(jī)試驗(yàn)的電流曲線如所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，用超大容量電容器輔助462Ah蓄電池啟動(dòng)，蓄電池端電壓最低值比單獨(dú)使用蓄電池啟動(dòng)提高了60%80%，蓄電池輸出電流降低了30%50%，這對(duì)蓄電池是有利的；同時(shí)，啟動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩增大，這將有助于縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高啟動(dòng)可靠性。

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

　　動(dòng)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(dòng)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?fù)Q成300Ah與超大容量電容器共同啟動(dòng)的電流曲線圖，啟動(dòng)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(jì)效益分析超大容量電容器作為內(nèi)燃機(jī)車電啟動(dòng)的輔助裝置，最適合應(yīng)用在頻繁啟動(dòng)的調(diào)車機(jī)車上。以往為防止蓄電池虧電，要求在短時(shí)待機(jī)時(shí)不得停機(jī)。而在安裝啟動(dòng)輔助裝置后，待機(jī)時(shí)就可隨時(shí)停機(jī)，沒有任何限制。這樣既降低了柴油機(jī)的機(jī)械磨損，又節(jié)省了燃油。

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

　　安裝電啟動(dòng)輔助裝置后，柴油機(jī)啟動(dòng)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(shí)，尤為明顯。

　　由于啟動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的增加，柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)加速度加大，提高了燃油點(diǎn)燃質(zhì)量，縮短了柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間。

　　5操作與維護(hù)由于電容器是儲(chǔ)能器件，在機(jī)車的日常操作與維護(hù)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(jì)上要考慮安全放電回路。放電回路可以利用機(jī)車上既有設(shè)備（如電阻制動(dòng)電路、前照燈電路或電爐電路等），也可以利用電啟動(dòng)輔助裝置中的充電限流電阻作為負(fù)載。放電控制方式可以人工，也可自動(dòng)，而以自動(dòng)更為安全可靠。

　　6結(jié)論超大容量電容器作為內(nèi)燃機(jī)車電啟動(dòng)的輔助裝置，可以縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高啟動(dòng)可靠性，延長(zhǎng)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(jī)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(jì)效益。建議在國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)車上逐步推廣使用這種電啟動(dòng)的輔助裝置。

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