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　　研究開發利用超大容量電容器改善內燃機車柴油發電機組的電啟動性能李凱（北京鐵路局機務處，北京100860）車啟動的工作原理，分析了啟動輔助裝置的經濟效益，并通過內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電機組，技術上可行，效益明顯。

　　1概述目前國內內燃機車是用蓄電池組來啟動柴油發電機組，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；但傳統電容器的容量不能滿足內燃機車蓄電池組的要求。80年代，日本開始生產超大容量電容器。這種電容器是用活性碳超微孔纖維材料制成，技術含量很高，一直只有俄、美、日等少數幾個國家能批量生產，并且已成功地應用于內燃機車發電機組的電啟動。近幾年，國內也研制成功超大容量電容器，其性能接近國際水平，而價格僅為國外產品的三分之一，這就為國內內燃機車采用超大容量電容器作為電啟動輔助裝置創造了很好的條件。

　　2電容器輔助內燃機車電啟動的工作原理采用超大容量電容器作為內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.對于東風型內燃機車，蓄電池組由48節462Ah內燃機車用蓄電池組成，充滿電時每節電壓為2.1V，總電壓為0，啟動發電機內阻為0.0180.相應輔助裝置的超大容量電容器組，可采用4只并聯的電壓為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左右啟動結束。

　　在采用輔助裝置的情況下，依照柴油發電機組啟動的步驟，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。電阻的阻值可按發動機正式啟動前12min的準備時間內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電機組的啟動結束。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燃機車電啟動輔助裝置的線路原理觸器；MG啟動發電機；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，蓄電池技術狀態越差，就越能體現出電容器組輔助啟動裝置的作用。

　　3內燃機車電啟動試驗為了檢驗超大容量電容器作為內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，北京鐵路局北京內燃機務段和石家莊機務段分別在DF12型內燃機車（與DF4型機車裝載同樣功率的柴油機）和DF4型內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型內燃機車上的試驗采用1組4只并聯的電壓為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型內燃機車上的試驗采用1組3只并聯的電壓為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據如表1和表2所示。

　　表1 DF12型內燃機車啟動柴油機試驗數據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型內燃機車啟動柴油機試驗數據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型內燃機車啟動柴油機試驗的電流曲線如所示。從試驗數據可以看出，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經濟效益分析超大容量電容器作為內燃機車電啟動的輔助裝置，最適合應用在頻繁啟動的調車機車上。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有內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變壞時，尤為明顯。

　　由于啟動瞬時轉矩的增加，柴油機旋轉加速度加大，提高了燃油點燃質量，縮短了柴油發電機組的啟動時間。

　　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結論超大容量電容器作為內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。將這種輔助裝置應用于現有內燃機車上，可以減小現有蓄電池的容量，技術上是可行的，可帶來明顯的經濟效益。建議在國內內燃機車上逐步推廣使用這種電啟動的輔助裝置。

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