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柴油发电机组的工作原理与结构视图 |
导读：柴油发电机组在我们的日常生活和工作中被广泛使用，特别是在一些自然条件恶劣的地区，由于输电线路经常被恶劣的自然环境所破坏，必须利用柴油发电机组发电来供应日常的生活和生产需求。柴油发电机组结构是由柴油机和发电机、控制系统三大关键主件等组成的，不同的配置标准 ，相应的价格也不同。我们在采购时应尽可能选择质量可靠、燃油经济性能好、噪声低、寿命长的品牌柴油发电机组。
一、柴发机组性质、分类及原理
1、柴油发电机组的性质
（1）柴油发电机组是一种能源转换设备。化学能→热能→机械能→电能燃油是其原料，电能是其产品。
（2）柴油发电机组是一种机电一体化设备，它是由柴油发动机、交流发电机和控制系统这三大部件组成，其技术涉及到机械动力学、电学和自动化控制等各个领域。
（3）柴油发电机组是一种成套设备，它是由一些独立的部件组合而成，并且这些独立部件的品质和性能对整个系统的质量有着重要的影响。
2、柴油发电机组的分类
柴油发电机组主要包括用于实际发电的单个柴油机、油箱、控制发电机工作状态并对发电机进行保护的控制器部分。根据我们日常生产和生活的实际需求，柴油发电机组包括固定式和移动式两种：
（1）固定式柴油发电机
固定柴油发电机组一般由柴油发动机、交流同步发电机、控制屏（配电及控制系统）三部分组成。
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图1 固定式柴油发电机组安装示例（侧视图） |
图2 固定式柴油发电机组安装示例（俯视图 |
（2）移动式发电机组
发电设备通常被安装在拖车上，如图3所示。发电机组的使用者或者单位根据实际的需求，利用拖车可以将发电机组灵活地运输到任何地点，完成工作任务后再将发电机组运走，放在固定的地点进行维护和保养。一般移动式柴油发电机组的控制屏、柴油箱和蓄电池直接安装在车架上。
3、柴发机组工作原理
由柴油机作为源动力，驱动发电机旋转发电，实现把动能转化为电能和热能的设备就是柴油发电机组，通常认为世界上第一台具有实用价值的柴油发电机组由科勒公司在1920年制造并生产。
柴油发电机组原理如图4所示。柴油机里安装有过滤空气的空气滤清器，自然界中的空气通过空气滤清器变成纯洁的空气进入柴油机的气缸内，与此同时，液态柴油经过高压处理变为气体状态，也进入柴油发电机的气缸，这样气态的纯净空气与雾状的柴油就会在发电机的气缸内混合，在柴油机活塞的挤压下，混合气体的体积急剧缩小，温度急剧上升，达到雾状柴油的燃烧点，在空气中的氧气作为助燃剂的条件下充分燃烧，推动活塞进行运动，这就是将柴油中所含的化学能转化为机械能的过程。转化成的机械能通过柴油机传递给发电机，带动发电机内的转子进行圆周运动，最后利用电磁感应原理，将机械能转化为我们日常所需要的电能，通过输电线路进入用电单位。
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图3 移动发电机组结构图 |
图4 柴油发动机工作原理图 |
二、柴发机组主要结构组成
柴油发电机组结构由柴油发动机、发电机、控制系统三大主件组成。其中柴油发动机为整套系统最核心的组成部分。柴油发动机用于为整套系统提供源动力，发电机用于将发动机提供的动能转化为所需的电能(目前转化率最高可达95%)，控制系统用于控制柴油发电机组的运行状态并提供保护。此外，根据用电需求，部分用户选择多台柴发并联发电模式，并机系统用于多台柴油发电机组并列运行时控制柴发集群并网发电。
1、柴油机的基本结构
柴油机是柴油发电机组的动力部分，是内燃机的一种类型，它是将柴油喷射到汽缸内与空气混合，经压缩燃烧释放出能量转变为机械能的热力发动机。一般由机体组、曲轴连杆机构、配气机构、燃油系统、进排气系统、润滑系统、冷却系统、启动系统和电气系统组成，其结构组成框图如图5所示。
（1）机体组
机体组的作用是构成发动机的骨架，支承所有运动件，安装辅助系统，利用曲轴箱将发动机总成安装在机架上。机体组包括曲轴箱体、汽缸、汽缸盖等，其结构如图6零件图所示。
① 曲轴箱体。
曲轴箱体的作用是与汽缸体、汽缸盖共同组成发动机基体。发动机许多零件均安装在曲轴箱里，它承受着发动机多种作用力。曲轴箱有整体式和组合式两种不同的结构类型。
② 汽缸。
汽缸是发动机完成工作循环的场所，也是活塞运动的轨道，它承受着高温高压的作用，外壳铸有若干散热片，起散发热量的作用。
③ 汽缸盖。
汽缸盖的作用是用来封闭汽缸的上端，与汽缸和活塞顶共同构成发动机的燃烧室，汽缸盖也铸有若干散热片，起散发热量的作用。。
（2）曲轴连杆机构
曲柄连杆机构的作用是承受气体燃烧的爆发压力，推动活塞连杆，再由连杆推动曲轴旋转，使活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动，为柴油机提供动力。同时，活塞在曲轴和飞轮的带动下，完成进气、压缩、排气三个辅助行程，并驱动配气机构及辅助装置。曲轴连杆机构主要包括活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆大小轴承、曲轴、飞轮等，在组合式曲轴中还有曲柄销。
① 活塞。
它的作用是在汽缸内承受燃烧气体的压力作高速往复运动，汽缸内的爆发压力通过活塞、活塞销，传递给连杆和曲轴。二冲程发动机的活塞还起着控制进气、换气、排气的作用。
② 活塞环。
活塞环根据其功用有气环和油环两种。气环的作用是防止燃烧气体从活塞与汽缸壁之间窜入曲轴箱，使燃烧室保持一定的压力；另一个作用是将活塞顶部的热量传至汽缸壁上散掉。油环的作用是刮去汽缸壁上的过量润滑油，不使润滑油漏入燃烧室内，以防止积炭产生。
③ 活塞销。
用来连接活塞和连杆，承受燃烧气体所产生的巨大压力，将此力传递给连杆。
④ 连杆。
用来连接活塞和曲轴，将活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的直线往复运动转变成曲轴的旋转运动。
⑤ 曲轴。
它的作用是将连杆传来的动力变成旋转的扭转力矩而输出功率，还起平衡作用。
⑥ 飞轮。
用以贮存发动机的旋转惯量。当发动机膨胀行程作功时，飞轮将能量吸收贮存，而当进气、压缩、排气行程时，利用飞轮的惯量，带动曲轴旋转，保持发动机平稳工作，并满足柴油机启动和加速的要求。
⑦ 曲柄销。
曲柄销是组合式曲轴中的一个重要零件。用于连接曲轴和连杆，使左、右曲轴连成一体；它承受连杆传来的爆发力和惯性力。
（3）配气机构
配气机构的作用是使发动机在工作过程中控制汽缸按照一定的时间吸入混合气和排除废气。此机构工作正常与否直接影响发动机工作好坏。该机构主要包括凸轮轴、气门、气门座、气门弹簧、气门弹簧座、分气正时齿轮、分气主动齿轮、气门挺杆（顶置式气门结构中是推杆）、挺杆导管（或摇臂、摇臂轴）等零件。
① 凸轮轴。
它的作用是控制气门的开启和关闭。有的凸轮轴上安装断电器凸轮，以控制断电器触点的开启。
② 气门。
气门有进气门和排气门之分。它们的作用是分别控制进、排气门通道。在工作过程中，进气门按照一定的时间使可燃烧混合气流进入汽缸，而排气门则按一定的时间将汽缸中燃烧后的废气排出。
③ 气门座。
承受气门落座时的巨大冲击力，并起密封作用。
④ 气门弹簧。
它的作用是使气门回位并使气门与气门座紧密贴合。
⑤ 气门弹簧座。
安装气门弹簧并起定位作用。
⑥ 摇臂。
承受凸轮轴转动时通过推杆传递来的推力，定时顶开气门。
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图5 柴油发电机组结构框图 |
图6 发动机三大机构零件图 |
（4）进排气系统
进排气系统用于向柴油机各工作气缸提供新鲜、清洁、密度足够大的空气是柴油机第一重要的系统，因为充足、清洁的空气对柴油机的性能影响很大。其原理是空气自外界被吸入进气口随后经空气滤清器将其中携带的杂质过滤，而后被送入涡轮增压器增压至约1.5bar，随后将高温高压的进气送入中冷器将其冷却以降低扩散效果，之后被送入与缸中与柴油喷雾混合燃烧推动活塞做工，做工后的废气经过涡增压器驱动涡轮旋转，随后经排气管排入大气中。
（5）燃油供给系统
燃油供给系统用于完成燃料的储存、滤清和输送工作，按柴油机各种不同工况的要求，定时，定量、定压并以一定的喷油质量喷入燃烧室，使其与空气迅速而良好地混合和燃烧。
（6）润滑系统
润滑系统是向润滑部位供给润滑剂的一系列的给油脂、排油脂及其附属装置的总称，用于向做相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦减小摩擦阻力，减轻机件的磨损，并对零件表面进行清洗和冷却。其系统油路走向框图如图7所示。
（7）冷却系统
冷却系统的作用是保持柴油机在最适宜的温度范围内工作。柴油机工作时，由于燃料的燃烧，气缸内气体温度高达2200K~2800K，所产生的热量大约1/3做功转变为机械能，大部分随废气排出，其余则被柴油机零件吸收，使柴油机零部件温度升高，特别是直接与高温气体接触的零件，若不及时冷却，会造成严重不良后果。冷却系统工作原理如图8所示。
（8）启动系统
要使柴油机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动柴油机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。柴油机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到柴油机开始自动地怠速运转的全过程，称为柴油机的起动。启动电机启动系统主要有启动电机、蓄电池、充电发电机等部件组成。启动电机用于产生驱动柴油机曲轴旋转的外力，蓄电池用于为启动电机旋转提供电能，充电发电机用于在柴油机运转时为柴油机用电装置供电，并为蓄电池充电。
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图7 柴油机润滑系统油路走向框图 |
图8 柴油机冷却系统工作原理图 |
2、发电机的基本原理
发电机可分为定子、转子、机座等元件，以实际应用中使用最多的为三相交流发电机为例，A,B,C三相线圈相互间隔120°镶嵌在定子铁芯中，转子铁芯中布置有励磁线圈用于产生磁场。当转子在原动机的带动下匀速转动时，磁场也随之旋转，定子中的三个线圈依次切割磁感线并产生感生电动势，其幅度变化周期与频率相同，相位相差120°。调节原动机的输出功率可以调整发电机发出的有功功率，调整励磁可以调节发电机发出的无功功率。
3、控制系统
控制系统是柴油发电机组控制系统的核心部分。它根据监测系统反馈的参数来控制发电机组的运行状态。控制系统包括发动机控制器和发电机控制器两个部分。
（1）发动机控制器：
发动机控制器负责监测和控制发动机的运行状态。它根据监测系统反馈的参数来调整发动机的转速、冷却水温度、机油压力、燃油压力等。发动机控制器还可以实现发动机的自动启停、负载平衡、燃油控制等功能，以保证发动机的稳定运行。
（2）发电机控制器：
发电机控制器负责监测和控制发电机的工作状态。它可以实时监测电压、电流、频率等参数，并根据设定值来调整发电机的输出电压和频率。发电机控制器还可以实现自动切换、自动同步、自动负载共享等功能，以保证发电机组的稳定输出。
总结：
柴油发电机组控制系统通过监测、控制、保护和远程管理等功能，实现对发电机组的全面控制和管理，以保证柴油发电机组的安全、高效运行。以康明斯公司产品为例，美国康明斯发动机公司始建于 1919年，主要生产发电设备、工业和汽车等行业使用发动机。康明斯公司在世界柴油发动机技术方面居领先地位，一直是 147 kW 以上柴油发动机最大的生产厂家。 中美合资东风康明斯和重庆康明斯发动机具有体积小 、重量轻、功率高、制造工艺稳定、售后服务范围广 ( 遍布全球 ) 等优点。与其他国产发电机相比，其承载能力强、综合油耗低 。
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