新聞主題	柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的原理及組成

 

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是燃燒柴油來獲取能量釋放的發(fā)動(dòng)機(jī)，而柴油發(fā)電機(jī)組是以柴油為主燃料的一種發(fā)電設(shè)備，以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為原動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能和熱能的機(jī)械設(shè)備。其結(jié)構(gòu)組成包括底盤、水箱、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及設(shè)于發(fā)電機(jī)上的控制柜。康明斯公司在本文中為您介紹柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和同步交流發(fā)電機(jī)的部件組成。

 

一、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

 

      柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程其實(shí)跟汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的，每個(gè)工作循環(huán)也經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)沖程，其工作原理如圖1所示。

1、進(jìn)氣沖程

      進(jìn)入汽缸的工質(zhì)是純空氣。由于柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)阻力較小，進(jìn)氣終點(diǎn)壓力pa= (0.85~0.95)p0，比汽油機(jī)高。進(jìn)氣終點(diǎn)溫度Ta=300~340K，比汽油機(jī)低。

      進(jìn)氣的任務(wù)是使氣缸內(nèi)充滿新鮮空氣。當(dāng)進(jìn)氣沖程開始時(shí)，活塞位于上止點(diǎn)，氣缸內(nèi)的燃燒室中還留有一些廢氣。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)肘，連桿使活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)，同時(shí)，利用與曲軸相聯(lián)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使進(jìn)氣閥打開。隨著活塞的向下運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)活塞上面的容積逐漸增大：造成氣缸內(nèi)的空氣壓力低于進(jìn)氣管內(nèi)的壓力，因此外面空氣就不斷地充入氣缸。

2、壓縮沖程

      由于壓縮的工質(zhì)是純空氣，因此柴油機(jī)的壓縮比比汽油機(jī)高(一般為ε=16~22)。壓縮終點(diǎn)的壓力為3000~5000kPa，壓縮終點(diǎn)的溫度為750~1000K，大大超過柴油的自燃溫度(約520K)。

3、做功沖程

      當(dāng)壓縮沖程接近終了時(shí)，在高壓油泵作用下，將柴油以10MPa左右的高壓通過噴油器噴入汽缸燃燒室中，在很短的時(shí)間內(nèi)與空氣混合后立即自行發(fā)火燃燒。汽缸內(nèi)氣體的壓力急速上升，最高達(dá)5000~9000kPa，最高溫度達(dá)1800~2000K。由于柴油機(jī)是靠壓縮自行著火燃燒，故稱柴油機(jī)為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。

4、 排氣沖程

      柴油機(jī)的排氣與汽油機(jī)基本相同，只是排氣溫度比汽油機(jī)低。一般Tr=700~900K。對(duì)于單缸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，其轉(zhuǎn)速不均勻，發(fā)動(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)，振動(dòng)大。這是因?yàn)樗膫€(gè)沖程中只有一個(gè)沖程是做功的，其他三個(gè)沖程是消耗動(dòng)力為做功做準(zhǔn)備的沖程。為了解決這個(gè)問題，飛輪必須具有足夠大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這樣又會(huì)導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量和尺寸增加。采用多缸發(fā)動(dòng)機(jī)可以彌補(bǔ)上述不足。現(xiàn)代汽車用多采用四缸、六缸和八缸發(fā)動(dòng)機(jī)。

      現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)基本以增壓型為主，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比（兩者不同原理如圖2所示），增加了渦輪增壓器，還增加了中冷器，目的是降低進(jìn)氣溫度，增加進(jìn)氣量。此外，為了在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火以后能夠延時(shí)散熱，避免高溫的渦輪增壓器被燒蝕，現(xiàn)代的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)還增加了獨(dú)立的電控冷卻系統(tǒng)。

 

圖1  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖

圖2  增壓和自然吸氣柴油機(jī)的區(qū)別

  

二、發(fā)電機(jī)的原理和組成

 

1、發(fā)電機(jī)原理 

        交流同步發(fā)電機(jī)是通過與電力網(wǎng)絡(luò)同步運(yùn)行，利用轉(zhuǎn)子和定子之間的磁場(chǎng)互感作用產(chǎn)生電能的一種發(fā)電機(jī)。其工作原理如下：

（1） 轉(zhuǎn)子在發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過電源產(chǎn)生電場(chǎng)，形成磁場(chǎng)。

（2）定子上的線圈也產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子和定子之間的磁場(chǎng)互相作用，使得定子上的線圈中的電子受到電磁力的作用而運(yùn)動(dòng)（如圖3所示）。

（3）這些運(yùn)動(dòng)的電子在定子線圈中產(chǎn)生電流，即交流電（電路如圖4所示）。這個(gè)交流電通過輸出端口送到電力網(wǎng)絡(luò)中。

（4）發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)電力的大小和頻率，使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率與電力網(wǎng)絡(luò)保持同步。

      交流同步發(fā)電機(jī)具有輸出電壓和頻率穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。

 

圖3  同步交流發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)原理

圖4  同步交流發(fā)電機(jī)工作原理圖

 

 

2、發(fā)電機(jī)部件組成

      同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，電路如圖6所示。

（1）定子座和繞組

      定子座為焊接設(shè)計(jì)。定子鐵芯位于定子座的中心并且不能轉(zhuǎn)動(dòng)及移動(dòng)。

      定子繞組為雙層線圈，絕緣等級(jí)為H級(jí)。絕緣是采用專門的制做工藝，由云母與瓷釉合成的絕緣材料用澆注樹脂浸漬。這可使電機(jī)具有很高的介電強(qiáng)度、防潮、阻擋氣體和水蒸汽、強(qiáng)度高以及壽命長(zhǎng)等特性。

（2）轉(zhuǎn)子和繞組

① 發(fā)電機(jī)軸通常是設(shè)計(jì)成圓柱形軸伸的雙軸承形式。電機(jī)軸是用法蘭連接。

② 主機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯是安裝在軸上，軸向壓緊，軸上還安裝了勵(lì)磁繞組和阻尼繞組，阻尼繞組條位于轉(zhuǎn)子鐵芯槽里并焊接成環(huán)狀。

③ 整流器的固定輪轂安裝在軸上兩個(gè)鐵芯層組之間。

④ 轉(zhuǎn)子為動(dòng)態(tài)平衡。

 

圖5  交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部剖切圖

圖6  同步發(fā)電機(jī)電路圖

 

（3）交流勵(lì)磁機(jī)

      交流勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式，三相，同步發(fā)電機(jī)。旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)不同于普通發(fā)電機(jī)，定子和轉(zhuǎn)子為相反關(guān)系。電樞安裝在軸的非聯(lián)接端輸出交流電，靜態(tài)勵(lì)磁裝置的輸出連接到如圖2所示的安裝在固定端的勵(lì)磁繞組。

（4）旋轉(zhuǎn)整流器

      旋轉(zhuǎn)整流器是一個(gè)可控硅整流器，如圖7所示的三相滿波整流回路安裝在轉(zhuǎn)子軸上。安裝螺釘尺寸在4.5Nm和5.5Nm之間接觸螺釘尺寸在2.5Nm和3.5Nm之間。

（5）勵(lì)磁系統(tǒng)

       勵(lì)磁裝置和晶閘管電壓調(diào)節(jié)器合成為THYRIPART（可控硅分流）勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)提供一個(gè)隨負(fù)載變化的略高于產(chǎn)生額定電壓的勵(lì)磁電流。必要的時(shí)候調(diào)節(jié)器降低勵(lì)磁電流以獲得恒定的發(fā)電機(jī)電壓。這種隨負(fù)載變化的勵(lì)磁系統(tǒng)（復(fù)勵(lì)）使發(fā)電機(jī)在加載的短路時(shí)有極好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

（6）軸

      關(guān)于發(fā)電機(jī)軸，應(yīng)使用經(jīng)船級(jí)社認(rèn)可的鑄鐵并且設(shè)計(jì)保證與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)接時(shí)有足夠的強(qiáng)度。

（7）軸承

      按照訂貨規(guī)格中的設(shè)計(jì)的運(yùn)行條件的要求，發(fā)電機(jī)可配置滾動(dòng)軸承或者強(qiáng)制或不強(qiáng)制潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承。

（8）冷卻風(fēng)扇

      為保證所需的冷卻空氣通風(fēng)量，必須提供一個(gè)鑄鐵或焊接鋼板結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇。關(guān)于安裝位置，無論如何，需安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)。這是一個(gè)單向的通風(fēng)系統(tǒng)，抽取的冷卻空氣從非驅(qū)動(dòng)端進(jìn)入發(fā)電機(jī)，廢氣從驅(qū)動(dòng)端排出。

（9）驅(qū)動(dòng)端/非驅(qū)動(dòng)端端部保護(hù)

      發(fā)電機(jī)兩端的護(hù)罩做成平板式使軸承和軸伸滿足特殊的結(jié)構(gòu)型式。勵(lì)磁機(jī)的磁極規(guī)則地分布，用螺栓固定在磁極軛環(huán)上，磁極軛環(huán)焊接到非驅(qū)動(dòng)端端蓋上。

（10）防止產(chǎn)生軸電流的絕緣方法

① 軸承絕緣任何與軸承的連接都必須絕緣以防止軸承電流的產(chǎn)生。

② 為防止磁路不平衡磁阻產(chǎn)生軸電流，在非驅(qū)動(dòng)端安裝了如圖8所示的絕緣體。軸電壓是一個(gè)高頻電壓，通常是1伏或者更小和很少產(chǎn)生的幾伏電壓。

③ 當(dāng)有軸電流的時(shí)候，軸和軸頸會(huì)被損壞。在最壞的情況下，在幾分鐘之內(nèi)會(huì)產(chǎn)生黑斑。局部油薄的破壞會(huì)增加被燒壞的可能性。

④ 拆卸和安裝的時(shí)候，一定要測(cè)量絕緣電阻。絕緣電阻值為1-3MQ滿足要求。通常所說的軸承的軸電壓被限制在下列范圍：

○ <300mV 無害

○ 500-1000mV 有害軸電流可能產(chǎn)生

○ >1000mV 軸承可能在一星期到一年之內(nèi)損壞（除非采取了絕緣措施）

（11）溫度計(jì)

      為檢測(cè)軸承溫度，安裝了水銀溫度計(jì)。

（12）防冷凝加熱器

      為了防止發(fā)電機(jī)在不運(yùn)行時(shí)的潮氣和冷凝水，在發(fā)電機(jī)的定子中安裝了防冷凝加熱器。防冷凝加熱器可以從發(fā)電機(jī)的殼體外面方便地取出。加熱器為鎳鉻鐵合金的不銹外殼、殼體內(nèi)部充滿絕緣體且呈U形。

（13）空氣/水冷卻器

      如需要，按特殊要求發(fā)電機(jī)可以提供頂部安裝的空氣-水冷卻器。冷卻器可以使用淡水或海水而且可以為雙管式。由于是閉路冷卻系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的防護(hù)等級(jí)也由 IP23 升至IP44和IP54。發(fā)電機(jī)的電氣原理保持不變。如果冷卻水系統(tǒng)故障或冷卻元件故障，發(fā)電機(jī)可以很方便在轉(zhuǎn)變?yōu)殚_路空氣冷卻狀態(tài)緊急運(yùn)行。

（14）接線端子箱

      主電纜的端子（U、V、W）的勵(lì)磁端子+F1、-F2的連接可按要求在發(fā)電機(jī)的左邊或右邊。電纜進(jìn)線板可按要求不鉆孔或鉆孔帶填料函。

圖7  發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器單線原理圖

圖8  防止發(fā)電機(jī)產(chǎn)生軸電流的絕緣

 

三、柴發(fā)機(jī)組的工作原理

 

      柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將柴油的能量轉(zhuǎn)化為電能。在柴油機(jī)汽缸內(nèi)，經(jīng)過空氣濾清器過濾后的干凈空氣與噴油嘴噴射出的高壓霧化柴油充分混合，在活塞上行的擠壓下，體積縮小，溫度迅速升高，到達(dá)柴油的燃點(diǎn)。柴油被點(diǎn)燃，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動(dòng)活塞下行，稱為‘作功’。各汽缸按一定順序依次作功，作用在活塞上的推力經(jīng)過連桿變成了推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的力量，從而帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。將無刷同步交流發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)曲軸同軸安裝，就可以利用柴油機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，利用“電磁感應(yīng)”原理，發(fā)電機(jī)就會(huì)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)閉合的負(fù)載回路就能產(chǎn)生電流。

      這里只描述發(fā)電機(jī)組最根本的工作原理。要想得到可使用的、穩(wěn)定的電力輸出，還需要一系列的柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)控制、保護(hù)器件和回路。

      柴油發(fā)電機(jī)組是一種獨(dú)立的發(fā)電設(shè)備，系指以柴油等為燃料，以柴油機(jī)為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的動(dòng)力機(jī)械。整套機(jī)組一般由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制箱、燃油箱、起動(dòng)和控制用蓄電瓶、保護(hù)裝置、應(yīng)急柜等部件組成。整體可以固定在根底上，定位使用，亦可裝在拖車上，供移動(dòng)使用。

 

總結(jié)：

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