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(lái)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(pán)、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(guò)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(mǎn)新鮮空氣。當(dāng)進(jìn)氣沖程開(kāi)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(kāi)。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(guò)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(guò)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(chēng)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(lái)說(shuō)，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(wèn)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?，F(xiàn)代汽車(chē)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(guò)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(guò)電源產(chǎn)生電場(chǎng)，形成磁場(chǎng)。

（2）定子上的線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(guò)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(xiàn)圈，絕緣等級(jí)為H級(jí)。絕緣是采用專(zhuān)門(mén)的制做工藝，由云母與瓷釉合成的絕緣材料用澆注樹(shù)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(mǎn)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T(mén)HYRIPART（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(wú)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(mǎn)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(mǎn)足要求。通常所說(shuō)的軸承的軸電壓被限制在下列范圍：

○ <300mV 無(wú)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(mǎn)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_(kāi)路空氣冷卻狀態(tài)緊急運(yùn)行。

（14）接線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)空氣濾清器過(guò)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(chēng)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(guò)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(wú)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(chē)上，供移動(dòng)使用。

 

總結(jié)：

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