摘要： 柴油发电机组是利用柴油发动机将柴油燃烧所产生的热能转化为旋转运动的机械能；发电机将旋转的机械能转化为电能。主要由柴油发动机、发电机、控制系统组成。柴油发电机是一种高效、高功率、耐久性好、适应性强但污染严重、噪音大等缺点的电力设备，但在某些领域，如备用电源和应急电源方面，柴油发电机仍然具有不可替代的作用。本文围绕柴油发电机组结构组成、柴油机生成机理、交流发电机生成机理三个方面进行系统论述，为柴油发电机组的设计、使用和维护提供参考。
一、柴油发电机组结构组成
柴发整套机组一般由柴油机、发电机、控制箱、燃油箱、起动和控制用蓄电瓶、保护装置、应急柜等部件组成，结构如图1所示。
1. 连接方式
（1）柔性连接：用联轴器将两部分连接，柔性连接精度要求比较低，能量传递效率稍低。柔性连接适用于对连接精度要求不高、需要一定缓冲的场合。
（2）钢性连接：用高强度螺栓将发电机钢性连接片与发动机飞轮盘连接，接好之后放在公共底架上，之后再配上各种起保护作用的传感器（机油探头，水温探头，油压探头等），由控制系统来显示各种传感器的工作状态。控制系统通过电缆与发电机和传感器连接以显示数据。钢性连接精度要求高，能量传递效率高，适用于对连接精度要求高的场合。
2. 柴油机
（1）主要组成部件：柴油机主要由气缸、活塞、曲轴、连杆、进气道、排气道、喷油器等组成。其中，气缸是柴油机最重要的部件之一，它是一个圆筒形的容器，内部有一个活塞和一个燃烧室。曲轴则是将活塞的往复运动转化为旋转运动的关键部件。
（2）工作过程：在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为“作功”，示功图如图2所示。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。
（3）能量转换：柴油机将柴油的化学能转化为热能，再将热能转化为机械能。柴油机通过曲柄连杆机构将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，对外输出动力。
3. 发电机
（1）同步交流发电机：柴油发电机组中常用的发电机为同步交流发电机，是以电磁感应为基础的旋转式机械。根据其结构特点可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。
（2）工作原理：将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子，利用“电磁感应”原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。
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图1 柴油发电机组结构图 |
发动机展开示功图（P-φ图） |
4. 康明斯发电机组特点
康明斯电力发电机组是采用全集成的电力系统。性能优越，可靠性强，提供多种稳定的备用和优质的电力，并可应用于连续载荷的工作条件。其外观电球端后视图和水箱端前视图如图3、图4所示。
（1）重载发动机：康明斯重载发动机为四冲程工业发动机，提供可靠的动力、超低的排放和快速的负荷响应。
（2）永磁发电机（PMG）：永磁发电机提供超凡的电动机起动性能和短路故障承受能力。
（3）发电机：多种发电机型号提供可选择，采用2/3节距低电抗绕组和F级或H级绝缘，改善电动机的起动性能，具有在非线性负载下电压波形畸变小、短路故障清除能力强等优点。
（4）控制系统：标准配置PowerCommandTM电子控制系统提供的集成控制包括：远程自动启动/停机，精确的频率和电压调节，报警和状态信息显示，AmpSentry保护，输出仪表显示和自动故障停机功能。
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图3 C90D5康明斯发电机组后视图（电球端） |
图4 C90D5康明斯发电机组前视图（水箱端） |
二、柴油机生成机理
传统柴油机的基本结构包括曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、起动系统，俗称三大机构四大系统。这些系统和机构的良好配合，是柴油机能够产生动力并对外输出动力的关键。结构图如图5、图6所示。
1. 柴油机能量的产生
（1）燃烧产生动能：气缸内的柴油燃烧（油+气）产生动能，带动与活塞相连的曲柄连杆机构绕曲轴作往复圆周运动，输出动力。柴油燃烧产生的热能是柴油机能量的来源。
（2）可燃混合气的形成：柴油机在进气冲程吸入的是纯空气，在压缩冲程接近终了时，喷油器将柴油以高压雾状喷入气缸，与高温高压空气混合形成可燃混合气。柴油的雾化质量直接影响混合气的形成质量和燃烧效果。
（3）燃烧过程的组织：柴油喷入气缸后，经过滞燃期、速燃期、缓燃期和补燃期四个阶段完成燃烧。合理的燃烧组织能够提高热效率，降低排放，保证柴油机动力性和经济性的充分发挥。
2. 能量转换方式
（1）化学能转化为热能：柴油的化学能通过燃烧转化为热能。柴油中的碳氢化合物与空气中的氧气发生化学反应，释放出大量的热能。1kg柴油完全燃烧约可释放42.5MJ的热量。
（2）热能转化为机械能：热能通过气缸内气体的膨胀转化为机械能。高温高压的燃气推动活塞下行，通过连杆将力传递给曲轴，使曲轴旋转输出机械能。
（3）能量转换效率：柴油机的能量转换效率受多种因素影响，包括压缩比、燃烧质量、机械损失等。现代柴油机的有效热效率可达40%以上，是热效率最高的内燃机之一。
3. 工作过程
（1）进气冲程：进气冲程中，活塞从上止点下行，进气门打开，排气门关闭，新鲜空气被吸入气缸。柴油机进气冲程吸入的是纯空气，而非可燃混合气。
（2）压缩冲程：压缩冲程中，活塞从下止点上行，进气门和排气门均关闭，气缸内的空气被压缩。压缩终了时，空气温度可达500~700℃，压力可达3~5MPa，为柴油自燃创造了条件。
（3）做功冲程：做功冲程中，活塞接近上止点时，喷油器将柴油喷入气缸，柴油与高温空气混合后自燃，燃气膨胀推动活塞下行，对外做功。做功冲程是柴油机能量转换的关键阶段。
（4）排气冲程：排气冲程中，活塞从下止点上行，排气门打开，燃烧后的废气被排出气缸。排气冲程完成后，柴油机进入下一个工作循环。
（5）四个冲程的循环：进气冲程（油气混合）、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，每一时刻四个冲程往复循环。四冲程柴油机的工作循环包括进气、压缩、做功、排气四个冲程，每个冲程都有特定的功能和作用。
4. 曲轴旋转角度
（1）四冲程柴油机的曲轴旋转：四冲程柴油机在一个工作循环中带动曲轴旋转两次（180×4=720°），理论上它的功率是二冲程（目前已淘汰）柴油机的两倍。四冲程柴油机的曲轴旋转角度是二冲程柴油机的两倍，但四冲程柴油机的换气过程更充分，燃烧效率更高。
（2）各冲程的曲轴转角：进气冲程对应曲轴转角0°~180°，压缩冲程对应180°~360°，做功冲程对应360°~540°，排气冲程对应540°~720°。各冲程的曲轴转角范围是柴油机设计和调整的重要依据。
（3）发火次序：多缸柴油机各缸按一定顺序依次做功，称为发火次序。合理的发火次序能够使曲轴受力均匀，减少振动和噪声。常见的发火次序有1-3-4-2（4缸）、1-5-3-6-2-4（6缸）等。
5. 点火方式
（1）压燃式点火：柴油机使用柴油作为燃料，与汽油相比，柴油自然温度低，粘度高，不易蒸发。因此柴油机在压缩终点采用压燃式点火，不需要专门的火花塞。压燃式点火是柴油机与汽油机的主要区别之一，柴油机通过压缩空气产生高温，使柴油自燃。
（2）柴油的自燃特性：柴油的自燃温度约为200~300℃，在压缩终了时气缸内空气温度可达500~700℃，远高于柴油的自燃温度。因此，柴油喷入气缸后能够迅速自燃，无需外部点火源。
（3）与汽油机的区别：汽油机采用火花塞点火，汽油与空气的混合气在压缩终了时由火花塞点燃。汽油的自燃温度较高，约为400~500℃，需要火花塞提供点火能量。柴油机和汽油机在点火方式上的区别决定了它们在燃料、压缩比和结构上的差异。
6. 增压过程
（1）增压的目的：压缩空气是为了提高空气中的氧气密度，当氧气密度增大时，油可充分的燃烧，提升发动机动力。增压是提高柴油机功率密度的重要技术手段。
（2）涡轮增压的原理：涡轮增压的原理是在发动机转速上升至一定转速时，排出的废气带动涡轮旋转，涡轮带动压缩机工作，将经过压缩机的高温高压气体经过冷却变为低温高压气体输入至气缸中，实现涡轮增压的过程。涡轮增压实际上是增大扭矩/功率。
（3）增压中冷的作用：增压后的空气温度升高，密度降低，影响进气量。通过中冷器冷却增压后的空气，可进一步增大空气密度，提高进气量，增加功率输出。中冷器通常采用空气冷却或水冷却方式。
（4）增压压力的控制：增压压力过高会导致气缸爆发压力过大，机械负荷增加；增压压力过低则无法充分发挥增压效果。现代柴油机通过废气旁通阀或可变截面涡轮等技术控制增压压力，实现增压压力的精确调节。
7. 柴油机的特点
（1）能量密度高：作为日常使用的燃料本身，柴油的能量密度最高，比液化天然气高出近1倍，比汽油高出10%以上。高能量密度使柴油机具有较好的续航能力和动力性能。
（2）安全性好：与汽油相比，柴油不易挥发，着火点较高，不易因偶然情况被点燃或发生爆炸。由于两者挥发性和燃点的不同，导致使用这两种燃料的发动机有不同的点火方式。
（3）三大基本部分：四大系统中，曲柄连杆机构、配气机构和燃油供给系统，是柴油机的三个最基本的部分，它们互相配合，完成柴油机的工作循环，实现能量转换。在使用过程中，三者技术状态的好坏及相互之间配合的正确与否，对柴油机的性能具有决定性的影响。
（4）经济性好：柴油机的压缩比高，热效率高，燃油消耗率低，经济性好。现代柴油机的有效热效率可达40%以上，是热效率最高的内燃机之一。
（5）可靠性高：柴油机结构坚固，零部件强度高，可靠性好，使用寿命长。柴油机没有点火系统，减少了故障点，提高了可靠性。
（6）排放与噪声：柴油机的排放中含有较多的NOx和PM，对环境影响较大。柴油机的噪声也较大，需要采取消声和隔声措施。随着排放法规的日益严格，现代柴油机采用了电控高压喷射、废气再循环、选择性催化还原和颗粒捕集器等技术，有效降低了排放。
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图5 柴油发电机的后视图 1-柴油发电机吊耳 2-曲轴箱通风装置 3-涡轮增压器 4-喷油器回油管接头 5-飞轮壳 6-飞轮 7-油底壳放油螺塞 8-OEM供油管接头 9-0EM燃油回油管接头 10-进油管接头 |
图6 柴油发电机的顶视图 1-冷却液进口接头 2-涡轮增压器进气口 3-涡轮增压器出气口 4-涡轮增压器排气口5-涡轮增压器执行器空气管 6-曲轴箱通风装置 7-飞轮壳 8-曲轴箱通风装置机油回油管 9-曲轴箱通风导流管 10-涡轮增压器控制阀11-燃油滤清器支架 12-进气管接头 13-高压燃油泵 14-机油加注口 15-冷却液出口接头 |
三、交流发电机生成机理
以旋转电枢式同步发电机为例介绍柴油机组中发电机的工作原理。交流发电机主要由磁性材料制造多个南北极交替排列的永磁铁（称为转子）和硅铸铁制造并绕有多组串联线圈的电枢线圈（称为定子）组成。
1. 基本原理
旋转磁极式发电机产生电动势的原理与旋转电枢式相同，都是电磁感应现象，如图7所示。而主要区别有两点：
（1）产生感应电流的方式：旋转电枢式发电机通过电枢的旋转使闭合线圈的磁通量变化，从而产生感应电流；旋转磁极式发电机则通过磁极的旋转使定子线圈切割磁力线，从而在定子线圈中产生感应电流。
（2）电力输出方式：旋转电枢式发电机通过电刷和集电环向外接电路供电；而旋转磁极式发电机则直接将电力送往外接电路，因此相对于旋转电枢式，旋转磁极式发电机可提供更高的电压，适用于大型发电机。
2. 电动势的产生
（1）电磁感应原理：当导体切割磁场的磁力线时，会在导体中产生感应电动势。发电机电动势随时间变动规律曲线如图8所示。
（2）电枢绕组与滑环：线圈abcd代表整个电枢绕组，其两端分别固定在同一转轴上的滑环1和2上，两者同轴旋转，且相对位置和连接关系不随转子位置的变化而变化。电刷A和B通过刷架固定在发电机的端盖上，且与滑环1、2的滑动接触关系不变。
（3）电动势方向的变化：当电枢沿顺时针方向旋转，ab边处于N极下时，ab边的感应电动势方向为由c至d，并设此时电动势方向为正方向；当电枢旋转180°后，ab边处于S极下，cd边处于N极下，此时ab和cd边中的电动势均改变方向，显然此时电动势为负值。
由上述过程可知，对于一对磁极的单向同步交流发电机，其转子旋转一周，在电枢绕组中产生一个周波的交流电动势。若磁通密度B按正弦规律分布，则可产生正弦交流电动势。而对于三相同步交流发电机，其各项绕组产生交流电动势的原理与单项同步交流发电机完全相同。
3. 电动势的大小
（1）电磁感应定律：
根据电磁感应定律，当导体与磁场发生相对运动时，导体中的感应电动势e可由式求得：
式中，B为磁通密度；L为导体在磁场中的有效长度；V为导体垂直于磁场方向的运动速度。
（2）正弦交流电动势的有效值：
而正弦交流电动势的有效值E计算：
式中，n为发电机转速；K为发电机的结构常数。
（3）输出电压的调整：同步交流发电机制成后，其结构常数K已成定值。因此，可通过改变发电机的转速n或每极磁通来调整其输出电压的高低。但是，通常情况下要求电动势的频率f恒定，而频率f与转速n成正比，所以发电机的转速是不能随便调整的。因此，主要通过调节同步交流发电机磁通量的大小，达到调整其输出电压的目的。
4. 电动势的频率
（1）频率与转速的关系：当发电机磁极对数一定时（如P=1），其转子每旋转一周，电枢绕组可产生一个周波的交流电动势。转子旋转两周，产生两个周波的交流电动势，若转子每秒旋转n/60周，则产生n/60周/s的交流电动势。由此可知，交流电动势的频率f与发电机转速n成正比。
（2）频率与磁极对数的关系：当发电机的转速一定时（如n=1周/s），磁极对数P=1，转子每旋转一周产生一个周波的交流电动势。磁极对数P=2，转子每旋转一周产生两个周波的交流电动势。若为P对磁极，转子每旋转一周产生P个周波的交流电动势。由此可知，交流电动势的频率f还与磁极对数P成正比。
（3）频率的计算公式：
同步交流发电机电动势的频率f与其转速n和磁极对数P成正比，因此f的计算公式为：
改变同步交流发电机的转速n或磁极对数P，均可改变其频率f。但是，发电机制成后，其磁极对数P是不能改变的，因此，只能通过改变转速n来调整频率f。一旦频率f达到额定值后，就不能再随便改变转速n。
5. 改善电动势波形的措施
根据要求，同步交流发电机输出电压应为正弦波。但是，由于发电机定子铁芯结构、磁极结构、电枢绕组结构、三相发电机电枢绕组的连接形式等因素的影响，电动势的波形会产生畸变，形成非正弦交流电动势。非正弦交流电动势中除含有基波分量外，还含有频率不同的许多高次谐波分量。不仅严重影响发电机的性能和工况，还影响用电设备的正常工作。因此，在设计、生产同步交流发电机时，采取了诸多方法，改善电动势波形，使其成为正弦波。其具体方法有：改善磁极形状、采用斜槽定子、改善定子绕组结构和三相发电机采用星形接法。
（1）改善磁极形状：磁极的分布规律由磁极的形状决定，将磁极尖削尖或采用扭斜磁极，使磁通密度B近似按正弦规律分布，进而使电动势成为正弦波。
（2）采用斜槽定子：将定子铁芯扭斜一个槽距的位置，使其成为斜槽定子，无论转子旋转至何种位置，磁极端面所覆盖的铁芯齿面积始终保持不变，这样可消除齿谐波的影响。
（3）改善定子绕组结构：同步交流发电机通常采用短距分布式绕组结构，可消除或削弱许多高次谐波分量，使电动势接近于正弦波。
（4）三相发电机采用星形接法：三相同步发电机的三相电枢绕组采用星形接法，其线电压中将不再含有三次及三的整倍数次谐波分量，改善线电压的波形。
6. 同步交流发电机励磁方式
发电机励磁功率的产生方式，称为其励磁方式。同步交流发电机的励磁方式有他励式和自励式两种。
（1）他励式：励磁功率由本身以外的其他电源供给，这种发电机称为他励式发电机。根据获得励磁功率形式的不同，他励式交流发电机又有采用直流励磁机励磁和采用无刷交流励磁机励磁之分。其中，采用直流励磁机励磁是靠同轴转动的并励直流发电机供给励磁功率的；采用无刷交流励磁机励磁是由同轴转动的交流励磁发电机供给励磁功率的。
（2）自励式：励磁功率由本身供给的发电机称为自励式发电机。其励磁功率一般由以下三种方法获得：直接从同步交流发电机输出端取得，由安装在同步交流发电机的定子槽中的副绕组供给；发电机电枢绕组为带抽头式的，由抽头处引出部分电枢绕组供给。
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图7 交流发电机工作原理图 |
图8 发电机电动势随时间变动规律曲线图 |
总结
康明斯发电机组可用于高排气量和环境敏感性的工厂综合场所，具有强大的传统结构、耐久性和可靠性，是远程或临时用地的驱动力。发电机的低电抗设计使得非线性负载下的波形畸变很小，具有良好的起动性能，符合ISO8528、ISO3046、BS5514和GB/T2820-97标准。在20千瓦至2.7兆瓦的范围内，康明斯柴油发电机组可以满足您苛刻的需求。柴油发电机组由柴油机、发电机、控制系统等组成，柴油机通过燃烧将化学能转化为热能，再通过曲柄连杆机构将热能转化为机械能；发电机通过电磁感应将机械能转化为电能。柴油机的工作循环包括进气、压缩、做功、排气四个冲程，采用压燃式点火和涡轮增压技术。交流发电机的电动势频率与转速和磁极对数成正比，通过改善磁极形状、采用斜槽定子、改善定子绕组结构和采用星形接法等措施改善电动势波形。同步交流发电机的励磁方式有他励式和自励式两种，通过改变励磁电流的大小调整发电机的输出电压。
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