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柴油發(fā)電機(jī)組的工作原理與結(jié)構(gòu)視圖 |
導(dǎo)讀：柴油發(fā)電機(jī)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(qū)，由于輸電線路經(jīng)常被惡劣的自然環(huán)境所破壞，必須利用柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電來(lái)供應(yīng)日常的生活和生產(chǎn)需求。柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)是由柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)三大關(guān)鍵主件等組成的，不同的配置標(biāo)準(zhǔn) ，相應(yīng)的價(jià)格也不同。我們?cè)诓少?gòu)時(shí)應(yīng)盡可能選擇質(zhì)量可靠、燃油經(jīng)濟(jì)性能好、噪聲低、壽命長(zhǎng)的品牌柴油發(fā)電機(jī)組。
一、柴發(fā)機(jī)組性質(zhì)、分類及原理
1、柴油發(fā)電機(jī)組的性質(zhì)
（1）柴油發(fā)電機(jī)組是一種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備?；瘜W(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能燃油是其原料，電能是其產(chǎn)品。
（2）柴油發(fā)電機(jī)組是一種機(jī)電一體化設(shè)備，它是由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)這三大部件組成，其技術(shù)涉及到機(jī)械動(dòng)力學(xué)、電學(xué)和自動(dòng)化控制等各個(gè)領(lǐng)域。
（3）柴油發(fā)電機(jī)組是一種成套設(shè)備，它是由一些獨(dú)立的部件組合而成，并且這些獨(dú)立部件的品質(zhì)和性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量有著重要的影響。
2、柴油發(fā)電機(jī)組的分類
柴油發(fā)電機(jī)組主要包括用于實(shí)際發(fā)電的單個(gè)柴油機(jī)、油箱、控制發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)并對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)的控制器部分。根據(jù)我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活的實(shí)際需求，柴油發(fā)電機(jī)組包括固定式和移動(dòng)式兩種：
（1）固定式柴油發(fā)電機(jī)
固定柴油發(fā)電機(jī)組一般由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、交流同步發(fā)電機(jī)、控制屏（配電及控制系統(tǒng)）三部分組成。
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圖1 固定式柴油發(fā)電機(jī)組安裝示例（側(cè)視圖） |
圖2 固定式柴油發(fā)電機(jī)組安裝示例（俯視圖 |
（2）移動(dòng)式發(fā)電機(jī)組
發(fā)電設(shè)備通常被安裝在拖車上，如圖3所示。發(fā)電機(jī)組的使用者或者單位根據(jù)實(shí)際的需求，利用拖車可以將發(fā)電機(jī)組靈活地運(yùn)輸?shù)饺魏蔚攸c(diǎn)，完成工作任務(wù)后再將發(fā)電機(jī)組運(yùn)走，放在固定的地點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。一般移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)組的控制屏、柴油箱和蓄電池直接安裝在車架上。
3、柴發(fā)機(jī)組工作原理
由柴油機(jī)作為源動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的設(shè)備就是柴油發(fā)電機(jī)組，通常認(rèn)為世界上第一臺(tái)具有實(shí)用價(jià)值的柴油發(fā)電機(jī)組由科勒公司在1920年制造并生產(chǎn)。
柴油發(fā)電機(jī)組原理如圖4所示。柴油機(jī)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(jìn)入柴油機(jī)的氣缸內(nèi)，與此同時(shí)，液態(tài)柴油經(jīng)過高壓處理變?yōu)闅怏w狀態(tài)，也進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)的氣缸，這樣氣態(tài)的純凈空氣與霧狀的柴油就會(huì)在發(fā)電機(jī)的氣缸內(nèi)混合，在柴油機(jī)活塞的擠壓下，混合氣體的體積急劇縮小，溫度急劇上升，達(dá)到霧狀柴油的燃燒點(diǎn)，在空氣中的氧氣作為助燃劑的條件下充分燃燒，推動(dòng)活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這就是將柴油中所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程。轉(zhuǎn)化成的機(jī)械能通過柴油機(jī)傳遞給發(fā)電機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，最后利用電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為我們?nèi)粘Ｋ枰碾娔?，通過輸電線路進(jìn)入用電單位。
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圖3 移動(dòng)發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖 |
圖4 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖 |
二、柴發(fā)機(jī)組主要結(jié)構(gòu)組成
柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)三大主件組成。其中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為整套系統(tǒng)最核心的組成部分。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用于為整套系統(tǒng)提供源動(dòng)力，發(fā)電機(jī)用于將發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為所需的電能(目前轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)95%)，控制系統(tǒng)用于控制柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)并提供保護(hù)。此外，根據(jù)用電需求，部分用戶選擇多臺(tái)柴發(fā)并聯(lián)發(fā)電模式，并機(jī)系統(tǒng)用于多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)控制柴發(fā)集群并網(wǎng)發(fā)電。
1、柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
柴油機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力部分，是內(nèi)燃機(jī)的一種類型，它是將柴油噴射到汽缸內(nèi)與空氣混合，經(jīng)壓縮燃燒釋放出能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。一般由機(jī)體組、曲軸連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃油系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖5所示。
（1）機(jī)體組
機(jī)體組的作用是構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，支承所有運(yùn)動(dòng)件，安裝輔助系統(tǒng)，利用曲軸箱將發(fā)動(dòng)機(jī)總成安裝在機(jī)架上。機(jī)體組包括曲軸箱體、汽缸、汽缸蓋等，其結(jié)構(gòu)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(fā)動(dòng)機(jī)基體。發(fā)動(dòng)機(jī)許多零件均安裝在曲軸箱里，它承受著發(fā)動(dòng)機(jī)多種作用力。曲軸箱有整體式和組合式兩種不同的結(jié)構(gòu)類型。
② 汽缸。
汽缸是發(fā)動(dòng)機(jī)完成工作循環(huán)的場(chǎng)所，也是活塞運(yùn)動(dòng)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(fā)熱量的作用。
③ 汽缸蓋。
汽缸蓋的作用是用來(lái)封閉汽缸的上端，與汽缸和活塞頂共同構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，汽缸蓋也鑄有若干散熱片，起散發(fā)熱量的作用。。
（2）曲軸連桿機(jī)構(gòu)
曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用是承受氣體燃燒的爆發(fā)壓力，推動(dòng)活塞連桿，再由連桿推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，使活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為柴油機(jī)提供動(dòng)力。同時(shí)，活塞在曲軸和飛輪的帶動(dòng)下，完成進(jìn)氣、壓縮、排氣三個(gè)輔助行程，并驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)及輔助裝置。曲軸連桿機(jī)構(gòu)主要包括活塞、活塞環(huán)、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(nèi)承受燃燒氣體的壓力作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，汽缸內(nèi)的爆發(fā)壓力通過活塞、活塞銷，傳遞給連桿和曲軸。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞還起著控制進(jìn)氣、換氣、排氣的作用。
② 活塞環(huán)。
活塞環(huán)根據(jù)其功用有氣環(huán)和油環(huán)兩種。氣環(huán)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(gè)作用是將活塞頂部的熱量傳至汽缸壁上散掉。油環(huán)的作用是刮去汽缸壁上的過量潤(rùn)滑油，不使?jié)櫥吐┤肴紵覂?nèi)，以防止積炭產(chǎn)生。
③ 活塞銷。
用來(lái)連接活塞和連桿，承受燃燒氣體所產(chǎn)生的巨大壓力，將此力傳遞給連桿。
④ 連桿。
用來(lái)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(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
⑤ 曲軸。
它的作用是將連桿傳來(lái)的動(dòng)力變成旋轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)力矩而輸出功率，還起平衡作用。
⑥ 飛輪。
用以貯存發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹行程作功時(shí)，飛輪將能量吸收貯存，而當(dāng)進(jìn)氣、壓縮、排氣行程時(shí)，利用飛輪的慣量，帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)工作，并滿足柴油機(jī)啟動(dòng)和加速的要求。
⑦ 曲柄銷。
曲柄銷是組合式曲軸中的一個(gè)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(lái)的爆發(fā)力和慣性力。
（3）配氣機(jī)構(gòu)
配氣機(jī)構(gòu)的作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中控制汽缸按照一定的時(shí)間吸入混合氣和排除廢氣。此機(jī)構(gòu)工作正常與否直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作好壞。該機(jī)構(gòu)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(shí)齒輪、分氣主動(dòng)齒輪、氣門挺桿（頂置式氣門結(jié)構(gòu)中是推桿）、挺桿導(dǎo)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(guān)閉。有的凸輪軸上安裝斷電器凸輪，以控制斷電器觸點(diǎn)的開啟。
② 氣門。
氣門有進(jìn)氣門和排氣門之分。它們的作用是分別控制進(jìn)、排氣門通道。在工作過程中，進(jìn)氣門按照一定的時(shí)間使可燃燒混合氣流進(jìn)入汽缸，而排氣門則按一定的時(shí)間將汽缸中燃燒后的廢氣排出。
③ 氣門座。
承受氣門落座時(shí)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過推桿傳遞來(lái)的推力，定時(shí)頂開氣門。
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圖5 柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)框圖 |
圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)三大機(jī)構(gòu)零件圖 |
（4）進(jìn)排氣系統(tǒng)
進(jìn)排氣系統(tǒng)用于向柴油機(jī)各工作氣缸提供新鮮、清潔、密度足夠大的空氣是柴油機(jī)第一重要的系統(tǒng)，因?yàn)槌渥?、清潔的空氣?duì)柴油機(jī)的性能影響很大。其原理是空氣自外界被吸入進(jìn)氣口隨后經(jīng)空氣濾清器將其中攜帶的雜質(zhì)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(jìn)氣送入中冷器將其冷卻以降低擴(kuò)散效果，之后被送入與缸中與柴油噴霧混合燃燒推動(dòng)活塞做工，做工后的廢氣經(jīng)過渦增壓器驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，隨后經(jīng)排氣管排入大氣中。
（5）燃油供給系統(tǒng)
燃油供給系統(tǒng)用于完成燃料的儲(chǔ)存、濾清和輸送工作，按柴油機(jī)各種不同工況的要求，定時(shí)，定量、定壓并以一定的噴油質(zhì)量噴入燃燒室，使其與空氣迅速而良好地混合和燃燒。
（6）潤(rùn)滑系統(tǒng)
潤(rùn)滑系統(tǒng)是向潤(rùn)滑部位供給潤(rùn)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(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面輸送定量的清潔潤(rùn)滑油，以實(shí)現(xiàn)液體摩擦減小摩擦阻力，減輕機(jī)件的磨損，并對(duì)零件表面進(jìn)行清洗和冷卻。其系統(tǒng)油路走向框圖如圖7所示。
（7）冷卻系統(tǒng)
冷卻系統(tǒng)的作用是保持柴油機(jī)在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。柴油機(jī)工作時(shí)，由于燃料的燃燒，氣缸內(nèi)氣體溫度高達(dá)2200K~2800K，所產(chǎn)生的熱量大約1/3做功轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，大部分隨廢氣排出，其余則被柴油機(jī)零件吸收，使柴油機(jī)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(shí)冷卻，會(huì)造成嚴(yán)重不良后果。冷卻系統(tǒng)工作原理如圖8所示。
（8）啟動(dòng)系統(tǒng)
要使柴油機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉(zhuǎn)動(dòng)柴油機(jī)的曲軸，使活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)使曲軸旋轉(zhuǎn)。柴油機(jī)才能自行運(yùn)轉(zhuǎn)，工作循環(huán)才能自動(dòng)進(jìn)行。因此，曲軸在外力作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)到柴油機(jī)開始自動(dòng)地怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的全過程，稱為柴油機(jī)的起動(dòng)。啟動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)主要有啟動(dòng)電機(jī)、蓄電池、充電發(fā)電機(jī)等部件組成。啟動(dòng)電機(jī)用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)的外力，蓄電池用于為啟動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)提供電能，充電發(fā)電機(jī)用于在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為柴油機(jī)用電裝置供電，并為蓄電池充電。
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圖7 柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)油路走向框圖 |
圖8 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)工作原理圖 |
2、發(fā)電機(jī)的基本原理
發(fā)電機(jī)可分為定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)座等元件，以實(shí)際應(yīng)用中使用最多的為三相交流發(fā)電機(jī)為例，A,B,C三相線圈相互間隔120°鑲嵌在定子鐵芯中，轉(zhuǎn)子鐵芯中布置有勵(lì)磁線圈用于產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)也隨之旋轉(zhuǎn)，定子中的三個(gè)線圈依次切割磁感線并產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，其幅度變化周期與頻率相同，相位相差120°。調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸出功率可以調(diào)整發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，調(diào)整勵(lì)磁可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率。
3、控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的核心部分。它根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的參數(shù)來(lái)控制發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和發(fā)電機(jī)控制器兩個(gè)部分。
（1）發(fā)動(dòng)機(jī)控制器：
發(fā)動(dòng)機(jī)控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。它根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的參數(shù)來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度、機(jī)油壓力、燃油壓力等。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器還可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)啟停、負(fù)載平衡、燃油控制等功能，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。
（2）發(fā)電機(jī)控制器：
發(fā)電機(jī)控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和控制發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流、頻率等參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定值來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率。發(fā)電機(jī)控制器還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換、自動(dòng)同步、自動(dòng)負(fù)載共享等功能，以保證發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定輸出。
總結(jié)：
柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)和遠(yuǎn)程管理等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組的全面控制和管理，以保證柴油發(fā)電機(jī)組的安全、高效運(yùn)行。以康明斯公司產(chǎn)品為例，美國(guó)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)公司始建于 1919年，主要生產(chǎn)發(fā)電設(shè)備、工業(yè)和汽車等行業(yè)使用發(fā)動(dòng)機(jī)?？得魉构驹谑澜绮裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面居領(lǐng)先地位，一直是 147 kW 以上柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最大的生產(chǎn)廠家。 中美合資東風(fēng)康明斯和重慶康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)具有體積小 、重量輕、功率高、制造工藝穩(wěn)定、售后服務(wù)范圍廣 ( 遍布全球 ) 等優(yōu)點(diǎn)。與其他國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)相比，其承載能力強(qiáng)、綜合油耗低 。
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