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新闻主题	柴油机和发电机的原理及组成

 

摘要：柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机，而柴油发电机组是以柴油为主燃料的一种发电设备，以柴油发动机为原动力带动发电机发电，把动能转换成电能和热能的机械设备。其结构组成包括底盘、水箱、柴油发动机、发电机以及设于发电机上的控制柜。康明斯公司在本文中为您介绍柴油发动机的工作原理和同步交流发电机的部件组成。

 

一、柴油发动机工作原理

 

      柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样的，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程，其工作原理如图1所示。

1、进气冲程

      进入汽缸的工质是纯空气。由于柴油机进气系统阻力较小，进气终点压力pa= (0.85~0.95)p0，比汽油机高。进气终点温度Ta=300~340K，比汽油机低。

      进气的任务是使气缸内充满新鲜空气。当进气冲程开始时，活塞位于上止点，气缸内的燃烧室中还留有一些废气。当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开。随着活塞的向下运动，气缸内活塞上面的容积逐渐增大：造成气缸内的空气压力低于进气管内的压力，因此外面空气就不断地充入气缸。

2、压缩冲程

      由于压缩的工质是纯空气，因此柴油机的压缩比比汽油机高(一般为ε=16~22)。压缩终点的压力为3000~5000kPa，压缩终点的温度为750~1000K，大大超过柴油的自燃温度(约520K)。

3、做功冲程

      当压缩冲程接近终了时，在高压油泵作用下，将柴油以10MPa左右的高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。汽缸内气体的压力急速上升，最高达5000~9000kPa，最高温度达1800~2000K。由于柴油机是靠压缩自行着火燃烧，故称柴油机为压燃式发动机。

4、 排气冲程

      柴油机的排气与汽油机基本相同，只是排气温度比汽油机低。一般Tr=700~900K。对于单缸发动机来说，其转速不均匀，发动机工作不平稳，振动大。这是因为四个冲程中只有一个冲程是做功的，其他三个冲程是消耗动力为做功做准备的冲程。为了解决这个问题，飞轮必须具有足够大的转动惯量，这样又会导致整个发动机质量和尺寸增加。采用多缸发动机可以弥补上述不足。现代汽车用多采用四缸、六缸和八缸发动机。

      现代发动机基本以增压型为主，涡轮增压发动机和自然吸气发动机相比（两者不同原理如图2所示），增加了涡轮增压器，还增加了中冷器，目的是降低进气温度，增加进气量。此外，为了在发动机熄火以后能够延时散热，避免高温的涡轮增压器被烧蚀，现代的涡轮增压发动机还增加了独立的电控冷却系统。

 

图1  柴油发动机工作原理图

图2  增压和自然吸气柴油机的区别

  

二、发电机的原理和组成

 

1、发电机原理 

        交流同步发电机是通过与电力网络同步运行，利用转子和定子之间的磁场互感作用产生电能的一种发电机。其工作原理如下：

（1） 转子在发电机的驱动下旋转，同时通过电源产生电场，形成磁场。

（2）定子上的线圈也产生磁场。转子和定子之间的磁场互相作用，使得定子上的线圈中的电子受到电磁力的作用而运动（如图3所示）。

（3）这些运动的电子在定子线圈中产生电流，即交流电（电路如图4所示）。这个交流电通过输出端口送到电力网络中。

（4）发电机的控制系统通过调节转子驱动电力的大小和频率，使得发电机的输出电压和频率与电力网络保持同步。

      交流同步发电机具有输出电压和频率稳定、可靠性高等优点，因此被广泛应用于电力系统中。

 

图3  同步交流发电机电动势原理

图4  同步交流发电机工作原理图

 

 

2、发电机部件组成

      同步发电机内部结构如图5所示，电路如图6所示。

（1）定子座和绕组

      定子座为焊接设计。定子铁芯位于定子座的中心并且不能转动及移动。

      定子绕组为双层线圈，绝缘等级为H级。绝缘是采用专门的制做工艺，由云母与瓷釉合成的绝缘材料用浇注树脂浸渍。这可使电机具有很高的介电强度、防潮、阻挡气体和水蒸汽、强度高以及寿命长等特性。

（2）转子和绕组

① 发电机轴通常是设计成圆柱形轴伸的双轴承形式。电机轴是用法兰连接。

② 主机的转子铁芯是安装在轴上，轴向压紧，轴上还安装了励磁绕组和阻尼绕组，阻尼绕组条位于转子铁芯槽里并焊接成环状。

③ 整流器的固定轮毂安装在轴上两个铁芯层组之间。

④ 转子为动态平衡。

 

图5  交流发电机内部剖切图

图6  同步发电机电路图

 

（3）交流励磁机

      交流励磁机为旋转电枢式，三相，同步发电机。旋转电枢式发电机不同于普通发电机，定子和转子为相反关系。电枢安装在轴的非联接端输出交流电，静态励磁装置的输出连接到如图2所示的安装在固定端的励磁绕组。

（4）旋转整流器

      旋转整流器是一个可控硅整流器，如图7所示的三相满波整流回路安装在转子轴上。安装螺钉尺寸在4.5Nm和5.5Nm之间接触螺钉尺寸在2.5Nm和3.5Nm之间。

（5）励磁系统

       励磁装置和晶闸管电压调节器合成为THYRIPART（可控硅分流）励磁系统。励磁系统提供一个随负载变化的略高于产生额定电压的励磁电流。必要的时候调节器降低励磁电流以获得恒定的发电机电压。这种随负载变化的励磁系统（复励）使发电机在加载的短路时有极好的动态响应。

（6）轴

      关于发电机轴，应使用经船级社认可的铸铁并且设计保证与发动机联接时有足够的强度。

（7）轴承

      按照订货规格中的设计的运行条件的要求，发电机可配置滚动轴承或者强制或不强制润滑的滑动轴承。

（8）冷却风扇

      为保证所需的冷却空气通风量，必须提供一个铸铁或焊接钢板结构的风扇。关于安装位置，无论如何，需安装在发动机侧。这是一个单向的通风系统，抽取的冷却空气从非驱动端进入发电机，废气从驱动端排出。

（9）驱动端/非驱动端端部保护

      发电机两端的护罩做成平板式使轴承和轴伸满足特殊的结构型式。励磁机的磁极规则地分布，用螺栓固定在磁极轭环上，磁极轭环焊接到非驱动端端盖上。

（10）防止产生轴电流的绝缘方法

① 轴承绝缘任何与轴承的连接都必须绝缘以防止轴承电流的产生。

② 为防止磁路不平衡磁阻产生轴电流，在非驱动端安装了如图8所示的绝缘体。轴电压是一个高频电压，通常是1伏或者更小和很少产生的几伏电压。

③ 当有轴电流的时候，轴和轴颈会被损坏。在最坏的情况下，在几分钟之内会产生黑斑。局部油薄的破坏会增加被烧坏的可能性。

④ 拆卸和安装的时候，一定要测量绝缘电阻。绝缘电阻值为1-3MQ满足要求。通常所说的轴承的轴电压被限制在下列范围：

○ <300mV 无害

○ 500-1000mV 有害轴电流可能产生

○ >1000mV 轴承可能在一星期到一年之内损坏（除非采取了绝缘措施）

（11）温度计

      为检测轴承温度，安装了水银温度计。

（12）防冷凝加热器

      为了防止发电机在不运行时的潮气和冷凝水，在发电机的定子中安装了防冷凝加热器。防冷凝加热器可以从发电机的壳体外面方便地取出。加热器为镍铬铁合金的不锈外壳、壳体内部充满绝缘体且呈U形。

（13）空气/水冷却器

      如需要，按特殊要求发电机可以提供顶部安装的空气-水冷却器。冷却器可以使用淡水或海水而且可以为双管式。由于是闭路冷却系统，发电机的防护等级也由 IP23 升至IP44和IP54。发电机的电气原理保持不变。如果冷却水系统故障或冷却元件故障，发电机可以很方便在转变为开路空气冷却状态紧急运行。

（14）接线端子箱

      主电缆的端子（U、V、W）的励磁端子+F1、-F2的连接可按要求在发电机的左边或右边。电缆进线板可按要求不钻孔或钻孔带填料函。

图7  发电机旋转整流器单线原理图

图8  防止发电机产生轴电流的绝缘

 

三、柴发机组的工作原理

 

      柴油机驱动发电机运转，将柴油的能量转化为电能。在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的干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，到达柴油的燃点。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’。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。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。

      这里只描述发电机组最根本的工作原理。要想得到可使用的、稳定的电力输出，还需要一系列的柴油机和发电机控制、保护器件和回路。

      柴油发电机组是一种独立的发电设备，系指以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械。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。整体可以固定在根底上，定位使用，亦可装在拖车上，供移动使用。

 

总结：

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