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1 概述

以燃燒油料（汽油或柴油）的內(nèi)燃機(jī)為動力，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電的技術(shù)，已有近百年的歷史。隨著社會經(jīng)濟(jì)及科學(xué)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(dá)或電力供給不太可靠的地區(qū)，需要用油機(jī)發(fā)電機(jī)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(fù)荷、操作簡單等特點成為電力網(wǎng)的得力配角。

油機(jī)和發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)為動力的發(fā)電機(jī)組稱為 汽油發(fā)電機(jī)組 。由于汽油內(nèi)燃機(jī)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(jī)組。而以燃燒柴油的內(nèi)燃機(jī)為動力構(gòu)成的 柴油發(fā)電機(jī)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(jī)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(jìn)，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(jī)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(yùn)而生，并且得到廣泛地應(yīng)用。這也使柴油發(fā)電機(jī)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(jì)，勵行節(jié)能減排。對柴油發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)的噪聲，是其改進(jìn)的重點。經(jīng)過不斷地研發(fā)和實踐，進(jìn)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(jìn)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(jī)的機(jī)械效率可達(dá)87%左右。滿負(fù)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(biāo)準(zhǔn)。同等功率的中、大型柴油發(fā)動機(jī)的運(yùn)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(jī)組的技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)在已有燃汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和燃燒天然氣的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，可輸出10kV高電壓的發(fā)電機(jī)組也已形成產(chǎn)品。從部件到整機(jī)，新的探索及成果還在不斷涌現(xiàn)。

2 柴油機(jī)的工作原理

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

2.1 柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)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(jìn)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?；钊线€裝有防止漏氣的活塞環(huán)和刮去飛濺在缸壁上的機(jī)油的刮油環(huán)?；钊谌加捅紩r產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動下，沿著氣缸壁向下運(yùn)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(dāng)活塞運(yùn)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(dāng)曲軸運(yùn)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(yùn)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(yùn)動變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并輸出機(jī)械能的重要部件，也是柴油機(jī)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(yùn)動。對于柴油發(fā)電機(jī)組而言，飛輪殼還與發(fā)電機(jī)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(jī)旋轉(zhuǎn)。

2.2 工作原理

柴油機(jī)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(yùn)動而產(chǎn)生機(jī)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(jī)不停地運(yùn)動，其規(guī)律如圖3所示。

（1）吸入新鮮空氣 進(jìn)氣沖程

由于飛輪的慣性運(yùn)動，通過曲軸、連桿將活塞推至上止點時，進(jìn)氣門打開，飛輪帶動活塞繼續(xù)向下運(yùn)動，則氣缸內(nèi)空間逐漸擴(kuò)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(jìn)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(yùn)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(dāng)活塞快到上止點時，空氣溫度可達(dá)到500～700℃，壓力達(dá)到3000～5000kPa，如圖3（b）所示。

（3）膨脹 作功沖程

空氣達(dá)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(dá)到1800～2200℃。在高溫、高壓氣體的推動下活塞向下運(yùn)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(jī)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(jī)不用火花塞而是靠自燃，這是柴油機(jī)與汽油機(jī)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(yùn)動，此時排氣門打開，將作功后的氣體排出氣缸內(nèi)。當(dāng)活塞運(yùn)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(yùn)動，此時進(jìn)氣門打開，又重復(fù)進(jìn)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(jī)正是按照這個循環(huán)工作的，所以叫做四沖程柴油機(jī)。

以柴油機(jī)為動力的車輛或機(jī)械根據(jù)其設(shè)計負(fù)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(jī)每個沖程工作都很好，整機(jī)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(xì)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(dá)精濾器，再次濾除油中的細(xì)小雜質(zhì)、氣泡。然后進(jìn)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(jī)能否精確地調(diào)速，燃油能否充分燃燒，整機(jī)效率如何全靠它的調(diào)控。所以燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)構(gòu)

柴油機(jī)的供氣機(jī)構(gòu)有進(jìn)氣和排氣兩個部分。柴油機(jī)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(jī)外，這也稱為柴油機(jī)的呼吸。

柴油機(jī)輸出功率的大小，取決于進(jìn)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(jìn)入氣缸的空氣密度，就會提高柴油機(jī)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(jìn)氣壓力，降低進(jìn)氣溫度的辦法提高進(jìn)氣密度?，F(xiàn)代常用的增壓進(jìn)氣機(jī)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(jìn)氣門就可以更多地壓入氣缸。從而增加了進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣密度（提高含氧量）。這樣可使柴油機(jī)的輸出功率提高30%～100%以上。

柴油機(jī)的排氣機(jī)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(jìn)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(jī)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(fēng)冷和循環(huán)水冷。

風(fēng)冷方式簡單，就是用風(fēng)扇吹氣缸及周圍部件達(dá)到散熱降溫的效果。適用于小型柴油機(jī)。

水冷方式較復(fù)雜，如圖6所示，當(dāng)柴油機(jī)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(jī)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(xì)管，這些細(xì)管后面是吹風(fēng)扇，細(xì)管內(nèi)的熱水被吹風(fēng)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(jī)工作過程中，各運(yùn)動零件之間表面相互磨擦，產(chǎn)生大量的損耗，降低整機(jī)的效率和使用期限。因此必須加以潤滑，使其相對運(yùn)動零件表面覆蓋一層潤滑油（俗稱機(jī)油）以減小磨擦損耗。

柴油機(jī)的一般潤滑油路如圖7所示。

機(jī)油儲存在柴油機(jī)底部的油底殼內(nèi)，既可散熱，又可沉淀濾除一些鐵粉。機(jī)油泵可將機(jī)油抽出并且加壓，機(jī)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(jìn)入機(jī)油冷卻器降溫，然后經(jīng)管路去潤滑曲軸、連桿、活塞、氣門機(jī)構(gòu)等，剩余的機(jī)油再經(jīng)管路流回油底殼。

（5）啟動裝置

柴油機(jī)由靜止變?yōu)檫\(yùn)轉(zhuǎn)必須依靠外力幫助，所以啟動方式有人力啟動、電動機(jī)啟動、輔助小汽油機(jī)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(jī)械，例如手扶拖拉機(jī)。輔助小汽油機(jī)啟動常用于大型拖拉機(jī)、坦克等。壓縮空氣啟動方式常用于大型柴油機(jī)，用壓縮空氣驅(qū)動氣動馬達(dá)帶動曲軸轉(zhuǎn)動。

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

2.4 柴油機(jī)總成

柴油機(jī)的機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)氣門、排氣門和噴油嘴。燃油供給噴射系統(tǒng)，供排氣機(jī)構(gòu)、冷卻機(jī)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(jī)處于良好的工作狀況提供了必要的保障。從而使柴油機(jī)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(jī)械能。

圖8為柴油機(jī)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(jī) 110冷卻水循環(huán)管

120空氣濾清器及進(jìn)氣管 140排煙管

170啟動電機(jī) 180潤滑油冷卻器

200冷卻器 220增壓空氣冷卻循環(huán)管

230機(jī)組支撐固定 250強(qiáng)制或自動停車控制

500電子調(diào)速器

這是一臺實體柴油機(jī)的剖視圖。

（1） 柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

①010是柴油機(jī)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(jī)每邊有8個氣缸，共16缸，呈V型排列。

②工作部分：020傳動齒輪帶動050凸輪連桿驅(qū)動閥門、進(jìn)、排氣門動作。040氣缸上蓋有噴油嘴和進(jìn)、排氣門。030是活塞和連桿與曲軸的傳動連接。250為強(qiáng)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(xì)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(jī)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(jī)構(gòu)：新鮮空氣從120空氣濾清器及進(jìn)氣管被吸入，經(jīng)100渦輪增壓機(jī)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(jìn)入氣缸。這可將柴油機(jī)的輸出功率提高30%～100%以上。廢氣由140排煙管排出。

③冷卻機(jī)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(jī)前面的散熱水箱、水泵組成冷卻液的循環(huán)系統(tǒng)。

④柴油機(jī)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(jī)油），機(jī)油泵抽出的潤滑油經(jīng)過粗濾后進(jìn)入180潤滑油冷卻器降溫，然后進(jìn)入各潤滑部件。

⑤170是啟動電機(jī)，它帶動曲軸飛輪轉(zhuǎn)動來啟動柴油機(jī)。

2.5 常用柴油機(jī)的性能參數(shù)

有效功率Ne：指柴油發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)一般為：220～285g/kW.h.

機(jī)械效率 m：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(jī)的機(jī)械效率 m一般在70%～85%之間。

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