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柴油發電機組的工作原理與結構視圖

 

導讀：柴油發電機組在我們的日常生活和工作中被廣泛使用，特別是在一些自然條件惡劣的地區，由于輸電線路經常被惡劣的自然環境所破壞，必須利用柴油發電機組發電來供應日常的生活和生產需求。柴油發電機組結構是由柴油機和發電機、控制系統三大關鍵主件等組成的，不同的配置標準 ，相應的價格也不同。我們在采購時應盡可能選擇質量可靠、燃油經濟性能好、噪聲低、壽命長的品牌柴油發電機組。

 

一、柴發機組性質、分類及原理

 

1、柴油發電機組的性質

（1）柴油發電機組是一種能源轉換設備?；瘜W能→熱能→機械能→電能燃油是其原料，電能是其產品。

（2）柴油發電機組是一種機電一體化設備，它是由柴油發動機、交流發電機和控制系統這三大部件組成，其技術涉及到機械動力學、電學和自動化控制等各個領域。

（3）柴油發電機組是一種成套設備，它是由一些獨立的部件組合而成，并且這些獨立部件的品質和性能對整個系統的質量有著重要的影響。

2、柴油發電機組的分類

      柴油發電機組主要包括用于實際發電的單個柴油機、油箱、控制發電機工作狀態并對發電機進行保護的控制器部分。根據我們日常生產和生活的實際需求，柴油發電機組包括固定式和移動式兩種：

（1）固定式柴油發電機

      固定柴油發電機組一般由柴油發動機、交流同步發電機、控制屏（配電及控制系統）三部分組成。柴油發動機和三相交流同步發電機一般為剛性連接，并通過減振器直接安裝于掛車車架或固定支架上。固定式柴油發電機組的公共底座一般固定在專門設計的鋼筋混凝土地基上，蓄電池放置在柴油機超支機一側。固定式機組的控制屏有的通過三角鐵支架安裝在交流同步發電機的上部，較小一點的控制屏則安裝在發電機控制部件殼體的上部。根據用戶或廠家的設計要求，固定式機組的柴油箱有的安裝在公共底座上，有的設置為獨立日用油箱。

 

圖1  固定式柴油發電機組安裝示例（側視圖）

圖2  固定式柴油發電機組安裝示例（俯視圖

 

（2）移動式發電機組

      發電設備通常被安裝在拖車上，如圖3所示。發電機組的使用者或者單位根據實際的需求，利用拖車可以將發電機組靈活地運輸到任何地點，完成工作任務后再將發電機組運走，放在固定的地點進行維護和保養。一般移動式柴油發電機組的控制屏、柴油箱和蓄電池直接安裝在車架上。

3、柴發機組工作原理

       由柴油機作為源動力，驅動發電機旋轉發電，實現把動能轉化為電能和熱能的設備就是柴油發電機組，通常認為世界上第一臺具有實用價值的柴油發電機組由科勒公司在1920年制造并生產。

      柴油發電機組原理如圖4所示。柴油機里安裝有過濾空氣的空氣濾清器，自然界中的空氣通過空氣濾清器變成純潔的空氣進入柴油機的氣缸內，與此同時，液態柴油經過高壓處理變為氣體狀態，也進入柴油發電機的氣缸，這樣氣態的純凈空氣與霧狀的柴油就會在發電機的氣缸內混合，在柴油機活塞的擠壓下，混合氣體的體積急劇縮小，溫度急劇上升，達到霧狀柴油的燃燒點，在空氣中的氧氣作為助燃劑的條件下充分燃燒，推動活塞進行運動，這就是將柴油中所含的化學能轉化為機械能的過程。轉化成的機械能通過柴油機傳遞給發電機，帶動發電機內的轉子進行圓周運動，最后利用電磁感應原理，將機械能轉化為我們日常所需要的電能，通過輸電線路進入用電單位。

 

圖3  移動發電機組結構圖

圖4  柴油發動機工作原理圖

 

二、柴發機組主要結構組成

 

      柴油發電機組結構由柴油發動機、發電機、控制系統三大主件組成。其中柴油發動機為整套系統最核心的組成部分。柴油發動機用于為整套系統提供源動力，發電機用于將發動機提供的動能轉化為所需的電能(目前轉化率最高可達95%)，控制系統用于控制柴油發電機組的運行狀態并提供保護。此外，根據用電需求，部分用戶選擇多臺柴發并聯發電模式，并機系統用于多臺柴油發電機組并列運行時控制柴發集群并網發電。

1、柴油機的基本結構

      柴油機是柴油發電機組的動力部分，是內燃機的一種類型，它是將柴油噴射到汽缸內與空氣混合，經壓縮燃燒釋放出能量轉變為機械能的熱力發動機。一般由機體組、曲軸連桿機構、配氣機構、燃油系統、進排氣系統、潤滑系統、冷卻系統、啟動系統和電氣系統組成，其結構組成框圖如圖5所示。

（1）機體組

      機體組的作用是構成發動機的骨架，支承所有運動件，安裝輔助系統，利用曲軸箱將發動機總成安裝在機架上。機體組包括曲軸箱體、汽缸、汽缸蓋等，其結構如圖6零件圖所示。

① 曲軸箱體。

      曲軸箱體的作用是與汽缸體、汽缸蓋共同組成發動機基體。發動機許多零件均安裝在曲軸箱里，它承受著發動機多種作用力。曲軸箱有整體式和組合式兩種不同的結構類型。

②  汽缸。

      汽缸是發動機完成工作循環的場所，也是活塞運動的軌道，它承受著高溫高壓的作用，外殼鑄有若干散熱片，起散發熱量的作用。

③  汽缸蓋。

      汽缸蓋的作用是用來封閉汽缸的上端，與汽缸和活塞頂共同構成發動機的燃燒室，汽缸蓋也鑄有若干散熱片，起散發熱量的作用。。 

（2）曲軸連桿機構

      曲柄連桿機構的作用是承受氣體燃燒的爆發壓力，推動活塞連桿，再由連桿推動曲軸旋轉，使活塞的直線往復運動變為曲軸的旋轉運動，為柴油機提供動力。同時，活塞在曲軸和飛輪的帶動下，完成進氣、壓縮、排氣三個輔助行程，并驅動配氣機構及輔助裝置。曲軸連桿機構主要包括活塞、活塞環、活塞銷、連桿、連桿大小軸承、曲軸、飛輪等，在組合式曲軸中還有曲柄銷。

① 活塞。

      它的作用是在汽缸內承受燃燒氣體的壓力作高速往復運動，汽缸內的爆發壓力通過活塞、活塞銷，傳遞給連桿和曲軸。二沖程發動機的活塞還起著控制進氣、換氣、排氣的作用。

②  活塞環。

      活塞環根據其功用有氣環和油環兩種。氣環的作用是防止燃燒氣體從活塞與汽缸壁之間竄入曲軸箱，使燃燒室保持一定的壓力；另一個作用是將活塞頂部的熱量傳至汽缸壁上散掉。油環的作用是刮去汽缸壁上的過量潤滑油，不使潤滑油漏入燃燒室內，以防止積炭產生。

③ 活塞銷。

      用來連接活塞和連桿，承受燃燒氣體所產生的巨大壓力，將此力傳遞給連桿。

④ 連桿。

      用來連接活塞和曲軸，將活塞承受的氣體壓力傳給曲軸，使活塞的直線往復運動轉變成曲軸的旋轉運動。

⑤ 曲軸。

      它的作用是將連桿傳來的動力變成旋轉的扭轉力矩而輸出功率，還起平衡作用。

⑥ 飛輪。

      用以貯存發動機的旋轉慣量。當發動機膨脹行程作功時，飛輪將能量吸收貯存，而當進氣、壓縮、排氣行程時，利用飛輪的慣量，帶動曲軸旋轉，保持發動機平穩工作，并滿足柴油機啟動和加速的要求。

⑦ 曲柄銷。

      曲柄銷是組合式曲軸中的一個重要零件。用于連接曲軸和連桿，使左、右曲軸連成一體；它承受連桿傳來的爆發力和慣性力。

（3）配氣機構

      配氣機構的作用是使發動機在工作過程中控制汽缸按照一定的時間吸入混合氣和排除廢氣。此機構工作正常與否直接影響發動機工作好壞。該機構主要包括凸輪軸、氣門、氣門座、氣門彈簧、氣門彈簧座、分氣正時齒輪、分氣主動齒輪、氣門挺桿（頂置式氣門結構中是推桿）、挺桿導管（或搖臂、搖臂軸）等零件。

① 凸輪軸。

      它的作用是控制氣門的開啟和關閉。有的凸輪軸上安裝斷電器凸輪，以控制斷電器觸點的開啟。

② 氣門。

     氣門有進氣門和排氣門之分。它們的作用是分別控制進、排氣門通道。在工作過程中，進氣門按照一定的時間使可燃燒混合氣流進入汽缸，而排氣門則按一定的時間將汽缸中燃燒后的廢氣排出。

③ 氣門座。

      承受氣門落座時的巨大沖擊力，并起密封作用。

④ 氣門彈簧。

      它的作用是使氣門回位并使氣門與氣門座緊密貼合。

⑤ 氣門彈簧座。

      安裝氣門彈簧并起定位作用。

⑥ 搖臂。

      承受凸輪軸轉動時通過推桿傳遞來的推力，定時頂開氣門。

 

圖5  柴油發電機組結構框圖

圖6  發動機三大機構零件圖

 

 （4）進排氣系統

      進排氣系統用于向柴油機各工作氣缸提供新鮮、清潔、密度足夠大的空氣是柴油機第一重要的系統，因為充足、清潔的空氣對柴油機的性能影響很大。其原理是空氣自外界被吸入進氣口隨后經空氣濾清器將其中攜帶的雜質過濾，而后被送入渦輪增壓器增壓至約1.5bar，隨后將高溫高壓的進氣送入中冷器將其冷卻以降低擴散效果，之后被送入與缸中與柴油噴霧混合燃燒推動活塞做工，做工后的廢氣經過渦增壓器驅動渦輪旋轉，隨后經排氣管排入大氣中。

（5）燃油供給系統

      燃油供給系統用于完成燃料的儲存、濾清和輸送工作，按柴油機各種不同工況的要求，定時，定量、定壓并以一定的噴油質量噴入燃燒室，使其與空氣迅速而良好地混合和燃燒。

（6）潤滑系統

      潤滑系統是向潤滑部位供給潤滑劑的一系列的給油脂、排油脂及其附屬裝置的總稱，用于向做相對運動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油，以實現液體摩擦減小摩擦阻力，減輕機件的磨損，并對零件表面進行清洗和冷卻。其系統油路走向框圖如圖7所示。

（7）冷卻系統

      冷卻系統的作用是保持柴油機在最適宜的溫度范圍內工作。柴油機工作時，由于燃料的燃燒，氣缸內氣體溫度高達2200K~2800K，所產生的熱量大約1/3做功轉變為機械能，大部分隨廢氣排出，其余則被柴油機零件吸收，使柴油機零部件溫度升高，特別是直接與高溫氣體接觸的零件，若不及時冷卻，會造成嚴重不良后果。冷卻系統工作原理如圖8所示。

（8）啟動系統

      要使柴油機由靜止狀態過渡到工作狀態，必須先用外力轉動柴油機的曲軸，使活塞作往復運動，氣缸內的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動活塞向下運動使曲軸旋轉。柴油機才能自行運轉，工作循環才能自動進行。因此，曲軸在外力作用下開始轉動到柴油機開始自動地怠速運轉的全過程，稱為柴油機的起動。啟動電機啟動系統主要有啟動電機、蓄電池、充電發電機等部件組成。啟動電機用于產生驅動柴油機曲軸旋轉的外力，蓄電池用于為啟動電機旋轉提供電能，充電發電機用于在柴油機運轉時為柴油機用電裝置供電，并為蓄電池充電。

 

圖7  柴油機潤滑系統油路走向框圖

圖8  柴油機冷卻系統工作原理圖

 

2、發電機的基本原理

      發電機可分為定子、轉子、機座等元件，以實際應用中使用最多的為三相交流發電機為例，A,B,C三相線圈相互間隔120°鑲嵌在定子鐵芯中，轉子鐵芯中布置有勵磁線圈用于產生磁場。當轉子在原動機的帶動下勻速轉動時，磁場也隨之旋轉，定子中的三個線圈依次切割磁感線并產生感生電動勢，其幅度變化周期與頻率相同，相位相差120°。調節原動機的輸出功率可以調整發電機發出的有功功率，調整勵磁可以調節發電機發出的無功功率。

3、控制系統

      控制系統是柴油發電機組控制系統的核心部分。它根據監測系統反饋的參數來控制發電機組的運行狀態?？刂葡到y包括發動機控制器和發電機控制器兩個部分。

（1）發動機控制器：

      發動機控制器負責監測和控制發動機的運行狀態。它根據監測系統反饋的參數來調整發動機的轉速、冷卻水溫度、機油壓力、燃油壓力等。發動機控制器還可以實現發動機的自動啟停、負載平衡、燃油控制等功能，以保證發動機的穩定運行。

（2）發電機控制器：

      發電機控制器負責監測和控制發電機的工作狀態。它可以實時監測電壓、電流、頻率等參數，并根據設定值來調整發電機的輸出電壓和頻率。發電機控制器還可以實現自動切換、自動同步、自動負載共享等功能，以保證發電機組的穩定輸出。

 

總結：

      柴油發電機組控制系統通過監測、控制、保護和遠程管理等功能，實現對發電機組的全面控制和管理，以保證柴油發電機組的安全、高效運行。以康明斯公司產品為例，美國康明斯發動機公司始建于 1919年，主要生產發電設備、工業和汽車等行業使用發動機?？得魉构驹谑澜绮裼桶l動機技術方面居領先地位，一直是 147 kW 以上柴油發動機最大的生產廠家。 中美合資東風康明斯和重慶康明斯發動機具有體積小 、重量輕、功率高、制造工藝穩定、售后服務范圍廣 ( 遍布全球 ) 等優點。與其他國產發電機相比，其承載能力強、綜合油耗低 。

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