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使用說(shuō)明書(shū) |
柴油發(fā)電機組的工作原理與結構視圖 |
導讀：柴油發(fā)電機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，由于輸電線(xiàn)路經(jīng)常被惡劣的自然環(huán)境所破壞，必須利用柴油發(fā)電機組發(fā)電來(lái)供應日常的生活和生產(chǎn)需求。柴油發(fā)電機組結構是由柴油機和發(fā)電機、控制系統三大關(guān)鍵主件等組成的，不同的配置標準 ，相應的價(jià)格也不同。我們在采購時(shí)應盡可能選擇質(zhì)量可靠、燃油經(jīng)濟性能好、噪聲低、壽命長(cháng)的品牌柴油發(fā)電機組。
一、柴發(fā)機組性質(zhì)、分類(lèi)及原理
1、柴油發(fā)電機組的性質(zhì)
（1）柴油發(fā)電機組是一種能源轉換設備?；瘜W(xué)能→熱能→機械能→電能燃油是其原料，電能是其產(chǎn)品。
（2）柴油發(fā)電機組是一種機電一體化設備，它是由柴油發(fā)動(dòng)機、交流發(fā)電機和控制系統這三大部件組成，其技術(shù)涉及到機械動(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)電機組是一種成套設備，它是由一些獨立的部件組合而成，并且這些獨立部件的品質(zhì)和性能對整個(gè)系統的質(zhì)量有著(zhù)重要的影響。
2、柴油發(fā)電機組的分類(lèi)
柴油發(fā)電機組主要包括用于實(shí)際發(fā)電的單個(gè)柴油機、油箱、控制發(fā)電機工作狀態(tài)并對發(fā)電機進(jìn)行保護的控制器部分。根據我們日常生產(chǎn)和生活的實(shí)際需求，柴油發(fā)電機組包括固定式和移動(dòng)式兩種：
（1）固定式柴油發(fā)電機
固定柴油發(fā)電機組一般由柴油發(fā)動(dòng)機、交流同步發(fā)電機、控制屏（配電及控制系統）三部分組成。
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圖1 固定式柴油發(fā)電機組安裝示例（側視圖） |
圖2 固定式柴油發(fā)電機組安裝示例（俯視圖 |
（2）移動(dòng)式發(fā)電機組
發(fā)電設備通常被安裝在拖車(chē)上，如圖3所示。發(fā)電機組的使用者或者單位根據實(shí)際的需求，利用拖車(chē)可以將發(fā)電機組靈活地運輸到任何地點(diǎn)，完成工作任務(wù)后再將發(fā)電機組運走，放在固定的地點(diǎn)進(jìn)行維護和保養。一般移動(dòng)式柴油發(fā)電機組的控制屏、柴油箱和蓄電池直接安裝在車(chē)架上。
3、柴發(fā)機組工作原理
由柴油機作為源動(dòng)力，驅動(dòng)發(fā)電機旋轉發(fā)電，實(shí)現把動(dòng)能轉化為電能和熱能的設備就是柴油發(fā)電機組，通常認為世界上第一臺具有實(shí)用價(jià)值的柴油發(fā)電機組由科勒公司在1920年制造并生產(chǎn)。
柴油發(fā)電機組原理如圖4所示。柴油機里安裝有過(guò)濾空氣的空氣濾清器，自然界中的空氣通過(guò)空氣濾清器變成純潔的空氣進(jìn)入柴油機的氣缸內，與此同時(shí)，液態(tài)柴油經(jīng)過(guò)高壓處理變?yōu)闅怏w狀態(tài)，也進(jìn)入柴油發(fā)電機的氣缸，這樣氣態(tài)的純凈空氣與霧狀的柴油就會(huì )在發(fā)電機的氣缸內混合，在柴油機活塞的擠壓下，混合氣體的體積急劇縮小，溫度急劇上升，達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)行運動(dòng)，這就是將柴油中所含的化學(xué)能轉化為機械能的過(guò)程。轉化成的機械能通過(guò)柴油機傳遞給發(fā)電機，帶動(dòng)發(fā)電機內的轉子進(jìn)行圓周運動(dòng)，最后利用電磁感應原理，將機械能轉化為我們日常所需要的電能，通過(guò)輸電線(xiàn)路進(jìn)入用電單位。
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圖3 移動(dòng)發(fā)電機組結構圖 |
圖4 柴油發(fā)動(dòng)機工作原理圖 |
二、柴發(fā)機組主要結構組成
柴油發(fā)電機組結構由柴油發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機、控制系統三大主件組成。其中柴油發(fā)動(dòng)機為整套系統最核心的組成部分。柴油發(fā)動(dòng)機用于為整套系統提供源動(dòng)力，發(fā)電機用于將發(fā)動(dòng)機提供的動(dòng)能轉化為所需的電能(目前轉化率最高可達95%)，控制系統用于控制柴油發(fā)電機組的運行狀態(tài)并提供保護。此外，根據用電需求，部分用戶(hù)選擇多臺柴發(fā)并聯(lián)發(fā)電模式，并機系統用于多臺柴油發(fā)電機組并列運行時(shí)控制柴發(fā)集群并網(wǎng)發(fā)電。
1、柴油機的基本結構
柴油機是柴油發(fā)電機組的動(dòng)力部分，是內燃機的一種類(lèi)型，它是將柴油噴射到汽缸內與空氣混合，經(jīng)壓縮燃燒釋放出能量轉變?yōu)闄C械能的熱力發(fā)動(dòng)機。一般由機體組、曲軸連桿機構、配氣機構、燃油系統、進(jìn)排氣系統、潤滑系統、冷卻系統、啟動(dòng)系統和電氣系統組成，其結構組成框圖如圖5所示。
（1）機體組
機體組的作用是構成發(fā)動(dòng)機的骨架，支承所有運動(dòng)件，安裝輔助系統，利用曲軸箱將發(fā)動(dòng)機總成安裝在機架上。機體組包括曲軸箱體、汽缸、汽缸蓋等，其結構如圖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)機基體。發(fā)動(dòng)機許多零件均安裝在曲軸箱里，它承受著(zhù)發(fā)動(dòng)機多種作用力。曲軸箱有整體式和組合式兩種不同的結構類(lèi)型。
② 汽缸。
汽缸是發(fā)動(dòng)機完成工作循環(huán)的場(chǎng)所，也是活塞運動(dòng)的軌道，它承受著(zhù)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成發(fā)動(dòng)機的燃燒室，汽缸蓋也鑄有若干散熱片，起散發(fā)熱量的作用。。
（2）曲軸連桿機構
曲柄連桿機構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，使活塞的直線(xiàn)往復運動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉運動(dòng)，為柴油機提供動(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，并驅動(dòng)配氣機構及輔助裝置。曲軸連桿機構主要包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)、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(xiāo)。
① 活塞。
它的作用是在汽缸內承受燃燒氣體的壓力作高速往復運動(dòng)，汽缸內的爆發(fā)壓力通過(guò)活塞、活塞銷(xiāo)，傳遞給連桿和曲軸。二沖程發(fā)動(dòng)機的活塞還起著(zhù)控制進(jìn)氣、換氣、排氣的作用。
② 活塞環(huán)。
活塞環(huán)根據其功用有氣環(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(guò)量潤滑油，不使潤滑油漏入燃燒室內，以防止積炭產(chǎn)生。
③ 活塞銷(xiāo)。
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(xiàn)往復運動(dòng)轉變成曲軸的旋轉運動(dòng)。
⑤ 曲軸。
它的作用是將連桿傳來(lái)的動(dòng)力變成旋轉的扭轉力矩而輸出功率，還起平衡作用。
⑥ 飛輪。
用以貯存發(fā)動(dòng)機的旋轉慣量。當發(fā)動(dòng)機膨脹行程作功時(shí)，飛輪將能量吸收貯存，而當進(jìn)氣、壓縮、排氣行程時(shí)，利用飛輪的慣量，帶動(dòng)曲軸旋轉，保持發(fā)動(dòng)機平穩工作，并滿(mǎn)足柴油機啟動(dòng)和加速的要求。
⑦ 曲柄銷(xiāo)。
曲柄銷(xiāo)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）配氣機構
配氣機構的作用是使發(fā)動(dòng)機在工作過(guò)程中控制汽缸按照一定的時(shí)間吸入混合氣和排除廢氣。此機構工作正常與否直接影響發(fā)動(dòng)機工作好壞。該機構主要包括凸輪軸、氣門(mén)、氣門(mén)座、氣門(mén)彈簧、氣門(mén)彈簧座、分氣正時(shí)齒輪、分氣主動(dòng)齒輪、氣門(mén)挺桿（頂置式氣門(mén)結構中是推桿）、挺桿導管（或搖臂、搖臂軸）等零件。
① 凸輪軸。
它的作用是控制氣門(mén)的開(kāi)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(kāi)啟。
② 氣門(mén)。
氣門(mén)有進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)之分。它們的作用是分別控制進(jìn)、排氣門(mén)通道。在工作過(guò)程中，進(jìn)氣門(mén)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(mén)則按一定的時(shí)間將汽缸中燃燒后的廢氣排出。
③ 氣門(mén)座。
承受氣門(mén)落座時(shí)的巨大沖擊力，并起密封作用。
④ 氣門(mén)彈簧。
它的作用是使氣門(mén)回位并使氣門(mén)與氣門(mén)座緊密貼合。
⑤ 氣門(mén)彈簧座。
安裝氣門(mén)彈簧并起定位作用。
⑥ 搖臂。
承受凸輪軸轉動(dòng)時(shí)通過(guò)推桿傳遞來(lái)的推力，定時(shí)頂開(kāi)氣門(mén)。
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圖5 柴油發(fā)電機組結構框圖 |
圖6 發(fā)動(dòng)機三大機構零件圖 |
（4）進(jìn)排氣系統
進(jìn)排氣系統用于向柴油機各工作氣缸提供新鮮、清潔、密度足夠大的空氣是柴油機第一重要的系統，因為充足、清潔的空氣對柴油機的性能影響很大。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(guò)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(guò)渦增壓器驅動(dòng)渦輪旋轉，隨后經(jīng)排氣管排入大氣中。
（5）燃油供給系統
燃油供給系統用于完成燃料的儲存、濾清和輸送工作，按柴油機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）潤滑系統
潤滑系統是向潤滑部位供給潤滑劑的一系列的給油脂、排油脂及其附屬裝置的總稱(chēng)，用于向做相對運動(dòng)的零件表面輸送定量的清潔潤滑油，以實(shí)現液體摩擦減小摩擦阻力，減輕機件的磨損，并對零件表面進(jìn)行清洗和冷卻。其系統油路走向框圖如圖7所示。
（7）冷卻系統
冷卻系統的作用是保持柴油機在最適宜的溫度范圍內工作。柴油機工作時(shí)，由于燃料的燃燒，氣缸內氣體溫度高達2200K~2800K，所產(chǎn)生的熱量大約1/3做功轉變?yōu)闄C械能，大部分隨廢氣排出，其余則被柴油機零件吸收，使柴油機零部件溫度升高，特別是直接與高溫氣體接觸的零件，若不及時(shí)冷卻，會(huì )造成嚴重不良后果。冷卻系統工作原理如圖8所示。
（8）啟動(dòng)系統
要使柴油機由靜止狀態(tài)過(guò)渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉動(dòng)柴油機的曲軸，使活塞作往復運動(dòng)，氣缸內的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動(dòng)活塞向下運動(dòng)使曲軸旋轉。柴油機才能自行運轉，工作循環(huán)才能自動(dòng)進(jìn)行。因此，曲軸在外力作用下開(kāi)始轉動(dòng)到柴油機開(kāi)始自動(dòng)地怠速運轉的全過(guò)程，稱(chēng)為柴油機的起動(dòng)。啟動(dòng)電機啟動(dòng)系統主要有啟動(dòng)電機、蓄電池、充電發(fā)電機等部件組成。啟動(dòng)電機用于產(chǎn)生驅動(dòng)柴油機曲軸旋轉的外力，蓄電池用于為啟動(dòng)電機旋轉提供電能，充電發(fā)電機用于在柴油機運轉時(shí)為柴油機用電裝置供電，并為蓄電池充電。
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圖7 柴油機潤滑系統油路走向框圖 |
圖8 柴油機冷卻系統工作原理圖 |
2、發(fā)電機的基本原理
發(fā)電機可分為定子、轉子、機座等元件，以實(shí)際應用中使用最多的為三相交流發(fā)電機為例，A,B,C三相線(xiàn)圈相互間隔120°鑲嵌在定子鐵芯中，轉子鐵芯中布置有勵磁線(xiàn)圈用于產(chǎn)生磁場(chǎng)。當轉子在原動(dòng)機的帶動(dòng)下勻速轉動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)也隨之旋轉，定子中的三個(gè)線(xiàn)圈依次切割磁感線(xiàn)并產(chǎn)生感生電動(dòng)勢，其幅度變化周期與頻率相同，相位相差120°。調節原動(dòng)機的輸出功率可以調整發(fā)電機發(fā)出的有功功率，調整勵磁可以調節發(fā)電機發(fā)出的無(wú)功功率。
3、控制系統
控制系統是柴油發(fā)電機組控制系統的核心部分。它根據監測系統反饋的參數來(lái)控制發(fā)電機組的運行狀態(tài)?？刂葡到y包括發(fā)動(dòng)機控制器和發(fā)電機控制器兩個(gè)部分。
（1）發(fā)動(dòng)機控制器：
發(fā)動(dòng)機控制器負責監測和控制發(fā)動(dòng)機的運行狀態(tài)。它根據監測系統反饋的參數來(lái)調整發(fā)動(dòng)機的轉速、冷卻水溫度、機油壓力、燃油壓力等。發(fā)動(dòng)機控制器還可以實(shí)現發(fā)動(dòng)機的自動(dòng)啟停、負載平衡、燃油控制等功能，以保證發(fā)動(dòng)機的穩定運行。
（2）發(fā)電機控制器：
發(fā)電機控制器負責監測和控制發(fā)電機的工作狀態(tài)。它可以實(shí)時(shí)監測電壓、電流、頻率等參數，并根據設定值來(lái)調整發(fā)電機的輸出電壓和頻率。發(fā)電機控制器還可以實(shí)現自動(dòng)切換、自動(dòng)同步、自動(dòng)負載共享等功能，以保證發(fā)電機組的穩定輸出。
總結：
柴油發(fā)電機組控制系統通過(guò)監測、控制、保護和遠程管理等功能，實(shí)現對發(fā)電機組的全面控制和管理，以保證柴油發(fā)電機組的安全、高效運行。以康明斯公司產(chǎn)品為例，美國康明斯發(fā)動(dòng)機公司始建于 1919年，主要生產(chǎn)發(fā)電設備、工業(yè)和汽車(chē)等行業(yè)使用發(fā)動(dòng)機?？得魉构驹谑澜绮裼桶l(fā)動(dòng)機技術(shù)方面居領(lǐng)先地位，一直是 147 kW 以上柴油發(fā)動(dòng)機最大的生產(chǎn)廠(chǎng)家。 中美合資東風(fēng)康明斯和重慶康明斯發(fā)動(dòng)機具有體積小 、重量輕、功率高、制造工藝穩定、售后服務(wù)范圍廣 ( 遍布全球 ) 等優(yōu)點(diǎn)。與其他國產(chǎn)發(fā)電機相比，其承載能力強、綜合油耗低 。
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