1 概述

　　以燃燒油料(汽油或柴油)的內(nèi)燃機為動力,驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電的技術(shù),已有近百年的歷史。隨著社會經(jīng)濟及科學技術(shù)的發(fā)展,雖然以核能、燃煤、水力為能源的大型電站及其電力網(wǎng)的建設(shè)與普及日益完善。然而仍有一些電力網(wǎng)還未能到達或電力供給不太可靠的地區(qū),需要用油機發(fā)電機組為生活和設(shè)備提供電能。這就使它們以其自成一體，移動、使用方便，發(fā)出與市電性質(zhì)一樣的電能，直接帶動負荷、操作簡單等特點成為電力網(wǎng)的得力配角。

　　油機和發(fā)電機技術(shù)經(jīng)過不斷地采用新技術(shù),使其自身更加趨于完善和成熟。機組的輸出功率從0.5kVA到2500kVA,形成了系列化的產(chǎn)品,可滿足各方面的需要。通常以燃燒汽油的內(nèi)燃機為動力的發(fā)電機組稱為“汽油發(fā)電機組”。由于汽油內(nèi)燃機的特點,使其適合組成的功率從0.5kVA到20kVA,輸出電壓以單相220V為主的發(fā)電機組。而以燃燒柴油的內(nèi)燃機為動力構(gòu)成的“柴油發(fā)電機組”,以其特點可以組成功率30kVA至2500kVA,輸出電壓為三相380V的中、大型機組,作為后備電源,大都采用的是它們。

　　我國正向信息化社會邁進,信息設(shè)備對供電電源提出了很高的要求。UPS與柴油發(fā)電機組以它們各自的特點,相輔相成地構(gòu)成不間斷供電系統(tǒng)應(yīng)運而生,并且得到廣泛地應(yīng)用。這也使柴油發(fā)電機組從傳統(tǒng)的應(yīng)用范疇走向一個新的廣闊領(lǐng)域。

　　發(fā)展低碳經(jīng)濟,勵行節(jié)能減排。對柴油發(fā)電機組制造領(lǐng)域尤為重要,需要做的事還很多。就柴油發(fā)動機而言,使單位油耗轉(zhuǎn)換成更大的動能、再減少排出廢氣中有害物質(zhì)的含量、繼續(xù)降低發(fā)動機的噪聲,是其改進的重點。經(jīng)過不斷地研發(fā)和實踐,進氣增壓、中冷技術(shù)、共軌式燃油噴射系統(tǒng)、電子調(diào)速、電子控制等先進成果被廣泛采用。再加之高精度智能化加工中心已成為制造過程的主體?，F(xiàn)代柴油發(fā)動機的機械效率可達87%左右。滿負荷下油耗低到191～199g/kW·h,排出廢氣中有害物質(zhì)含量大為減少,例如NO氧化氮類,每立方米小于2克,符合歐Ⅲ排放標準。同等功率的中、大型柴油發(fā)動機的運行噪聲也比從前降低了5～6dB。

　　發(fā)展和創(chuàng)新理念也深入到柴油發(fā)電機組的技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)在已有燃汽輪機發(fā)電機組和燃燒天然氣的內(nèi)燃機發(fā)電機組,可輸出10kV高電壓的發(fā)電機組也已形成產(chǎn)品。從部件到整機,新的探索及成果還在不斷涌現(xiàn)。

　　2 柴油機的工作原理

　　柴油發(fā)電機組是由作為動力的柴油機(也稱柴油內(nèi)燃機、柴油發(fā)動機)和將機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(俗稱電球)組裝在一個底座上構(gòu)成的。柴油機將燃燒柴油產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)為機械能是柴油發(fā)電機組的基礎(chǔ)。

   　2.1 柴油機的基本結(jié)構(gòu)

　　柴油機的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示:有氣缸、活塞、連桿、曲軸、飛輪。

氣缸的頂部有噴油嘴、進氣門和排氣門,底部與儲存著潤滑油的油底殼相連接。

活塞是個圓柱體,它緊靠著氣缸內(nèi)壁。活塞上還裝有防止漏氣的活塞環(huán)和刮去飛濺在缸壁上的機油的刮油環(huán)。活塞在燃油爆燃時產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動下,沿著氣缸壁向下運動。

　　連桿是上與活塞、下與曲軸活動連接的一個零件,其作用是將活塞受到的壓力傳給曲軸。由于連桿的長度是一定的。所以當活塞運動到氣缸最下端時,它通過連桿也將曲軸推到了最下端,此時活塞的位置稱作下止點。同理,當曲軸運動到垂直方向的最高點時,它通過連桿也將活塞推到了最高點,此時活塞的位置稱為上止點?；钊谏?、下止點間每運動一次,叫做一個“工作沖程”。

　　曲軸，顧名思義就是有許多彎曲的一根軸，有幾個氣缸就對應(yīng)著幾個彎曲。曲軸是將活塞沿氣缸壁往復(fù)上下運動變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動并輸出機械能的重要部件，也是柴油機中最精密的部件之一。

　　飛輪安裝在曲軸的一端,如圖2所示。曲軸帶動它旋轉(zhuǎn),而它旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力又通過曲軸推動活塞運動。對于柴油發(fā)電機組而言,飛輪殼還與發(fā)電機的前端蓋的軸向采用凸肩定位直接連接構(gòu)成一體,并采用圓柱型的彈性聯(lián)軸器由飛輪直接驅(qū)動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。

　    2.2 工作原理

　　柴油機是靠柴油霧氣的燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體推動活塞向下運動而產(chǎn)生機械能的。因此,只有柴油霧氣有規(guī)律的間歇燃燒,才能使柴油機不停地運動,其規(guī)律如圖3所示。

(1)吸入新鮮空氣——進氣沖程

　　由于飛輪的慣性運動,通過曲軸、連桿將活塞推至上止點時,進氣門打開,飛輪帶動活塞繼續(xù)向下運動,則氣缸內(nèi)空間逐漸擴大,缸內(nèi)的氣壓低于大氣壓68～93kPa(一個大氣壓約101kPa),缸外的新鮮空氣吸入缸內(nèi),活塞向下到下止點時進氣門關(guān)閉,缸內(nèi)吸滿新鮮(含氧量多)空氣,如圖3(a)所示。

　　(2)壓縮空氣——壓縮沖程

慣性運動的飛輪將處于下止點的活塞再次向上推動。由于氣門關(guān)閉,氣缸內(nèi)的新鮮空氣被壓縮,溫度隨即上升。

　　當活塞快到上止點時，空氣溫度可達到500～700℃，壓力達到3000～5000kPa，如圖3(b)所示。

　　(3)膨脹——作功沖程

　　空氣達到了高溫高壓程度后,噴油嘴開啟,將柴油霧氣噴入缸內(nèi),并立即自燃,空氣驟然膨脹,氣缸內(nèi)壓力上升到6000～9000kPa,溫度達到1800～2200℃。在高溫、高壓氣體的推動下活塞向下運動,并驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)而作功,直到下止點,如圖3(c)所示。

　　這里順便指出的是:汽油機是在活塞快到上止點時噴入汽油霧氣,然后靠電火花塞產(chǎn)生的電火花而點燃的。柴油機不用火花塞而是靠自燃,這是柴油機與汽油機的重要區(qū)別。

　　(4)排氣——排氣沖程

　　作功沖程結(jié)束后,缸內(nèi)的氣體壓力下降到294～392kPa,溫度也降到800～900℃,在飛輪的旋轉(zhuǎn)慣性作用下,活塞從下止點向上運動,此時排氣門打開,將作功后的氣體排出氣缸內(nèi)。當活塞運動到上止點時排氣門關(guān)閉。在飛輪慣性的驅(qū)動下,活塞繼續(xù)向下運動,此時進氣門打開,又重復(fù)進行新一次循環(huán),如圖3(d)所示。

　　這四個熱力工作過程稱為一個工作循環(huán),每個工作過程又叫做一個沖程。柴油機正是按照這個循環(huán)工作的,所以叫做四沖程柴油機。

　　以柴油機為動力的車輛或機械根據(jù)其設(shè)計負荷量,通常安裝1個至20個氣缸,這些缸呈一行或平行兩行排列。垂直排列的稱為直列式,以V型排列的稱為“V型排列式”。

　　2.3 工作保障系統(tǒng)

　　要想使柴油機每個沖程工作都很好，整機都處于低損耗、高效率、高可靠的工作狀態(tài),必須建立必要的供油、供氣、散熱、排氣、潤滑等保障系統(tǒng)。

　　(1)燃油供給系統(tǒng)

　　由油管將燃油箱、輸油泵、燃油濾清器(粗濾和細濾)、噴油泵、噴油器、溢流閥等部件組成一個閉合循環(huán)供油系統(tǒng),如圖4所示。

在這里,柴油先被輸油泵從油箱抽出,經(jīng)過粗濾去除油中的雜質(zhì)后到達精濾器,再次濾除油中的細小雜質(zhì)、氣泡。然后進入由噴油泵、燃油軌或燃油集合管、噴油器及電子調(diào)速器構(gòu)成的燃油噴射系統(tǒng)。燃油被加壓、計量、定時和控制,再經(jīng)噴油嘴以霧化的柴油氣噴入氣缸。剩余的燃油則經(jīng)溢流閥流回油箱。

　　燃油噴射系統(tǒng)最重要的作用是保證噴油器正時、定量地將柴油霧化氣噴射到氣缸中。柴油機能否精確地調(diào)速,燃油能否充分燃燒,整機效率如何全靠它的調(diào)控。所以燃油噴射系統(tǒng)是柴油機的控制中心或心臟。以電子調(diào)速器為核心的燃油噴射系統(tǒng)即電噴技術(shù),其特點是將精濾以后的燃油經(jīng)噴油泵加壓后送入燃油集合管或燃油軌,而所有氣缸的噴油嘴均由它們統(tǒng)一供油,噴油器的噴嘴是由電子調(diào)速器控制的電磁閥。柴油機工作時,燃油油溫、油壓、轉(zhuǎn)速等實時參數(shù),被電子傳感器采集并輸入電子調(diào)速器進行分析處理。然后它以最佳的程序控制噴油泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)集合管或油軌內(nèi)燃油的壓力、供給量,同時以最佳的時間開啟噴油器電磁閥,并控制其霧化噴油量。從而使燃油在氣缸內(nèi)得以充分地燃燒,發(fā)出最大功率,并減少了排放氣體中有害物質(zhì)的含量。

　　(2) 供氣機構(gòu)

　　柴油機的供氣機構(gòu)有進氣和排氣兩個部分。柴油機正常工作必須有充足的新鮮空氣(含氧量多)供給氣缸使燃油充分燃燒。燃燒后氣缸內(nèi)的廢氣必須及時排出機外,這也稱為柴油機的呼吸。

　　柴油機輸出功率的大小,取決于進入氣缸的燃油霧氣和空氣的數(shù)量及熱能的有效利用率。因此增加進入氣缸的空氣密度,就會提高柴油機的輸出功率。然而,空氣的密度與壓力成正比,與溫度成反比。所以就采用增加進氣壓力,降低進氣溫度的辦法提高進氣密度?，F(xiàn)代常用的增壓進氣機構(gòu)如圖5所示。

空氣經(jīng)過濾清器去除其中的灰塵,然后經(jīng)過利用排出廢氣推動的渦輪增壓器被增壓,再通過冷卻器降溫,有一定壓力和被降溫的新鮮空氣經(jīng)過氣缸上蓋的進氣門就可以更多地壓入氣缸。從而增加了進入氣缸內(nèi)的空氣密度(提高含氧量)。這樣可使柴油機的輸出功率提高30%～100%以上。

柴油機的排氣機構(gòu)是由氣缸上蓋的排氣門開始的。燃燒后的廢氣從氣缸穿過排氣門沖出,其溫度為500～600℃,利用它的巨大能量推動渦輪增壓器,既可對進氣加壓又可降低廢氣的溫度和壓力,可謂一舉兩得。剩余的廢氣經(jīng)過消聲器排出。

　　(3)冷卻機構(gòu)

　　氣缸工作過程中,其外壁溫度很高,活塞、氣缸蓋、氣門等部件長期處于高溫下連續(xù)工作,因此必須采取降溫措施。使其保持在65～85℃適宜溫度環(huán)境中。散熱降溫的方式通常有風冷和循環(huán)水冷。

　　風冷方式簡單，就是用風扇吹氣缸及周圍部件達到散熱降溫的效果。適用于小型柴油機。

　　水冷方式較復(fù)雜,如圖6所示,當柴油機工作時,循環(huán)水泵將散熱水箱及管路內(nèi)的冷卻水流動起來,流動的水經(jīng)過機油冷卻器、氣缸外壁、上蓋等部位的管路將熱量帶走。熱水流動到散熱水箱時經(jīng)過許多散熱細管，這些細管后面是吹風扇，細管內(nèi)的熱水被吹風降溫，然后又循環(huán)去降低氣缸的溫度。

(4)潤滑系統(tǒng)

　　柴油機工作過程中,各運動零件之間表面相互磨擦,產(chǎn)生大量的損耗,降低整機的效率和使用期限。因此必須加以潤滑,使其相對運動零件表面覆蓋一層潤滑油(俗稱機油)以減小磨擦損耗。

　　柴油機的一般潤滑油路如圖7所示。

機油儲存在柴油機底部的油底殼內(nèi),既可散熱,又可沉淀濾除一些鐵粉。機油泵可將機油抽出并且加壓，機油一部分經(jīng)過離心式精濾器過濾后流回油底殼，另一路被刮片式粗濾器過濾后進入機油冷卻器降溫，然后經(jīng)管路去潤滑曲軸、連桿、活塞、氣門機構(gòu)等，剩余的機油再經(jīng)管路流回油底殼。

(5)啟動裝置

　　柴油機由靜止變?yōu)檫\轉(zhuǎn)必須依靠外力幫助,所以啟動方式有人力啟動、電動機啟動、輔助小汽油機啟動、壓縮空氣啟動等多種方式。

　　人力啟動常用于農(nóng)業(yè)機械,例如手扶拖拉機。輔助小汽油機啟動常用于大型拖拉機、坦克等。壓縮空氣啟動方式常用于大型柴油機,用壓縮空氣驅(qū)動氣動馬達帶動曲軸轉(zhuǎn)動。

　　電機啟動方式是常用的,柴油機帶有蓄電池組(一般常用24V)供給啟動電動機工作。啟動電動機的軸端裝有離合機構(gòu),它通過齒輪與柴油機的曲軸飛輪的外齒圈相嚙合。開機時,啟動電動機接通蓄電池而轉(zhuǎn)動。從而帶動柴油機曲軸旋轉(zhuǎn),當柴油機著火工作起來以后,啟動電動機的離合機構(gòu)自動與飛輪脫開,啟動電動機也停止工作。柴油機工作起來以后還附帶著小發(fā)電機給蓄電池充電。

　　2.4 柴油機總成

　　柴油機的機體即氣缸體是整體鑄造而成的,上部是氣缸,活塞就安裝在里面。下部是支撐曲軸的曲軸箱,曲軸及連桿機構(gòu)安裝于此。氣缸體的底座(又稱油底殼)是可與氣缸體分離的殼體,它的主要作用是存儲潤滑油(俗稱機油)。氣缸體上部連接的是氣缸蓋,它的作用除了密封住氣缸外,還安裝有進氣門、排氣門和噴油嘴。燃油供給噴射系統(tǒng),供排氣機構(gòu)、冷卻機構(gòu)、潤滑系統(tǒng)和啟動裝置,按它們適宜工作的位置被巧妙地設(shè)置在氣缸體周圍。為整機處于良好的工作狀況提供了必要的保障。從而使柴油機得以將柴油霧氣燃燒產(chǎn)生的熱能高效地,可靠地轉(zhuǎn)化為曲軸旋轉(zhuǎn)的機械能。

　　圖8為柴油機總體圖。

圖中:

　　010起重或裝卸用的臨時支架

　　020傳動齒輪 030活塞曲軸連桿

　　040汽缸蓋 050閥門凸輪

　　070高壓油路 080低壓油路

　　100渦輪增壓機 110冷卻水循環(huán)管

　　120空氣濾清器及進氣管 140排煙管

　　170啟動電機 180潤滑油冷卻器

　　200冷卻器 220增壓空氣冷卻循環(huán)管

　　230機組支撐固定 250強制或自動停車控制

　　500電子調(diào)速器

　　這是一臺實體柴油機的剖視圖。

　　(1) 柴油機的基本結(jié)構(gòu)

　?、?10是柴油機的氣缸體,上面有裝卸用的臨時安裝的支架。它的下面就是氣缸體的底座,用來裝潤滑油,所以也稱油底殼。此機每邊有8個氣缸,共16缸,呈V型排列。

　?、诠ぷ鞑糠?020傳動齒輪帶動050凸輪連桿驅(qū)動閥門、進、排氣門動作。040氣缸上蓋有噴油嘴和進、排氣門。030是活塞和連桿與曲軸的傳動連接。250為強制或自動停車控制裝置。

　　(2)工作保障系統(tǒng)

　　①燃油供給系統(tǒng):080是燃油供給系統(tǒng)的低壓油路[燃油箱、輸油泵、燃油濾清器(粗濾和細濾)]和070高壓油路(噴油泵、燃油集合管或燃油軌及電控噴油器)。500電子調(diào)速器是重要的智能調(diào)控部件。有了它,柴油機不僅在節(jié)油減排方面表現(xiàn)突出,而且具有優(yōu)良的調(diào)速性能。

　　②供氣機構(gòu):新鮮空氣從120空氣濾清器及進氣管被吸入,經(jīng)100渦輪增壓機加壓后,再去由200冷卻器和220增壓空氣冷卻循環(huán)管組成的中間冷卻系統(tǒng)降溫,然后進入氣缸。這可將柴油機的輸出功率提高30%～100%以上。廢氣由140排煙管排出。

　?、劾鋮s機構(gòu):由110冷卻水循環(huán)管、180潤滑油冷卻器、200冷卻器、220增壓空氣冷卻循環(huán)管連通而成。它們和柴油機前面的散熱水箱、水泵組成冷卻液的循環(huán)系統(tǒng)。

　?、懿裼蜋C最下面的長方形的油箱(也稱油底殼)與氣缸體相連,里面裝滿潤滑油(俗稱機油),機油泵抽出的潤滑油經(jīng)過粗濾后進入180潤滑油冷卻器降溫,然后進入各潤滑部件。

　?、?70是啟動電機,它帶動曲軸飛輪轉(zhuǎn)動來啟動柴油機。

　　2.5 常用柴油機的性能參數(shù)

　　有效功率Ne:指柴油發(fā)動機曲軸輸出的功率,用W或kW作計量單位。

　　有效燃料消耗率ge:簡稱有效油耗率。表示柴油機在1h內(nèi)發(fā)出每千瓦有效功率所消耗的燃油量,用g/kW·h單位計量。柴油機一般為:220～285g/kW·h。

　　機械效率ηm:指明單位工作時間內(nèi),柴油在氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的能量對活塞做的有用功,有多少轉(zhuǎn)換為曲軸輸出的有效功率。柴油機的機械效率ηm一般在70%～85%之間。

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