新聞主題	柴油機和發電機的原理及組成

 

摘要：柴油發動機是燃燒柴油來獲取能量釋放的發動機，而柴油發電機組是以柴油為主燃料的一種發電設備，以柴油發動機為原動力帶動發電機發電，把動能轉換成電能和熱能的機械設備。其結構組成包括底盤、水箱、柴油發動機、發電機以及設于發電機上的控制柜。康明斯公司在本文中為您介紹柴油發動機的工作原理和同步交流發電機的部件組成。

 

一、柴油發動機工作原理

 

      柴油發動機的工作過程其實跟汽油發動機一樣的，每個工作循環也經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程，其工作原理如圖1所示。

1、進氣沖程

      進入汽缸的工質是純空氣。由于柴油機進氣系統阻力較小，進氣終點壓力pa= (0.85~0.95)p0，比汽油機高。進氣終點溫度Ta=300~340K，比汽油機低。

      進氣的任務是使氣缸內充滿新鮮空氣。當進氣沖程開始時，活塞位于上止點，氣缸內的燃燒室中還留有一些廢氣。當曲軸旋轉肘，連桿使活塞由上止點向下止點移動，同時，利用與曲軸相聯的傳動機構使進氣閥打開。隨著活塞的向下運動，氣缸內活塞上面的容積逐漸增大：造成氣缸內的空氣壓力低于進氣管內的壓力，因此外面空氣就不斷地充入氣缸。

2、壓縮沖程

      由于壓縮的工質是純空氣，因此柴油機的壓縮比比汽油機高(一般為ε=16~22)。壓縮終點的壓力為3000~5000kPa，壓縮終點的溫度為750~1000K，大大超過柴油的自燃溫度(約520K)。

3、做功沖程

      當壓縮沖程接近終了時，在高壓油泵作用下，將柴油以10MPa左右的高壓通過噴油器噴入汽缸燃燒室中，在很短的時間內與空氣混合后立即自行發火燃燒。汽缸內氣體的壓力急速上升，最高達5000~9000kPa，最高溫度達1800~2000K。由于柴油機是靠壓縮自行著火燃燒，故稱柴油機為壓燃式發動機。

4、 排氣沖程

      柴油機的排氣與汽油機基本相同，只是排氣溫度比汽油機低。一般Tr=700~900K。對于單缸發動機來說，其轉速不均勻，發動機工作不平穩，振動大。這是因為四個沖程中只有一個沖程是做功的，其他三個沖程是消耗動力為做功做準備的沖程。為了解決這個問題，飛輪必須具有足夠大的轉動慣量，這樣又會導致整個發動機質量和尺寸增加。采用多缸發動機可以彌補上述不足。現代汽車用多采用四缸、六缸和八缸發動機。

      現代發動機基本以增壓型為主，渦輪增壓發動機和自然吸氣發動機相比（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，目的是降低進氣溫度，增加進氣量。此外，為了在發動機熄火以后能夠延時散熱，避免高溫的渦輪增壓器被燒蝕，現代的渦輪增壓發動機還增加了獨立的電控冷卻系統。

 

圖1  柴油發動機工作原理圖

圖2  增壓和自然吸氣柴油機的區別

  

二、發電機的原理和組成

 

1、發電機原理 

        交流同步發電機是通過與電力網絡同步運行，利用轉子和定子之間的磁場互感作用產生電能的一種發電機。其工作原理如下：

（1） 轉子在發電機的驅動下旋轉，同時通過電源產生電場，形成磁場。

（2）定子上的線圈也產生磁場。轉子和定子之間的磁場互相作用，使得定子上的線圈中的電子受到電磁力的作用而運動（如圖3所示）。

（3）這些運動的電子在定子線圈中產生電流，即交流電（電路如圖4所示）。這個交流電通過輸出端口送到電力網絡中。

（4）發電機的控制系統通過調節轉子驅動電力的大小和頻率，使得發電機的輸出電壓和頻率與電力網絡保持同步。

      交流同步發電機具有輸出電壓和頻率穩定、可靠性高等優點，因此被廣泛應用于電力系統中。

 

圖3  同步交流發電機電動勢原理

圖4  同步交流發電機工作原理圖

 

 

2、發電機部件組成

      同步發電機內部結構如圖5所示，電路如圖6所示。

（1）定子座和繞組

      定子座為焊接設計。定子鐵芯位于定子座的中心并且不能轉動及移動。

      定子繞組為雙層線圈，絕緣等級為H級。絕緣是采用專門的制做工藝，由云母與瓷釉合成的絕緣材料用澆注樹脂浸漬。這可使電機具有很高的介電強度、防潮、阻擋氣體和水蒸汽、強度高以及壽命長等特性。

（2）轉子和繞組

① 發電機軸通常是設計成圓柱形軸伸的雙軸承形式。電機軸是用法蘭連接。

② 主機的轉子鐵芯是安裝在軸上，軸向壓緊，軸上還安裝了勵磁繞組和阻尼繞組，阻尼繞組條位于轉子鐵芯槽里并焊接成環狀。

③ 整流器的固定輪轂安裝在軸上兩個鐵芯層組之間。

④ 轉子為動態平衡。

 

圖5  交流發電機內部剖切圖

圖6  同步發電機電路圖

 

（3）交流勵磁機

      交流勵磁機為旋轉電樞式，三相，同步發電機。旋轉電樞式發電機不同于普通發電機，定子和轉子為相反關系。電樞安裝在軸的非聯接端輸出交流電，靜態勵磁裝置的輸出連接到如圖2所示的安裝在固定端的勵磁繞組。

（4）旋轉整流器

      旋轉整流器是一個可控硅整流器，如圖7所示的三相滿波整流回路安裝在轉子軸上。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）勵磁系統

       勵磁裝置和晶閘管電壓調節器合成為THYRIPART（可控硅分流）勵磁系統。勵磁系統提供一個隨負載變化的略高于產生額定電壓的勵磁電流。必要的時候調節器降低勵磁電流以獲得恒定的發電機電壓。這種隨負載變化的勵磁系統（復勵）使發電機在加載的短路時有極好的動態響應。

（6）軸

      關于發電機軸，應使用經船級社認可的鑄鐵并且設計保證與發動機聯接時有足夠的強度。

（7）軸承

      按照訂貨規格中的設計的運行條件的要求，發電機可配置滾動軸承或者強制或不強制潤滑的滑動軸承。

（8）冷卻風扇

      為保證所需的冷卻空氣通風量，必須提供一個鑄鐵或焊接鋼板結構的風扇。關于安裝位置，無論如何，需安裝在發動機側。這是一個單向的通風系統，抽取的冷卻空氣從非驅動端進入發電機，廢氣從驅動端排出。

（9）驅動端/非驅動端端部保護

      發電機兩端的護罩做成平板式使軸承和軸伸滿足特殊的結構型式。勵磁機的磁極規則地分布，用螺栓固定在磁極軛環上，磁極軛環焊接到非驅動端端蓋上。

（10）防止產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生。

② 為防止磁路不平衡磁阻產生軸電流，在非驅動端安裝了如圖8所示的絕緣體。軸電壓是一個高頻電壓，通常是1伏或者更小和很少產生的幾伏電壓。

③ 當有軸電流的時候，軸和軸頸會被損壞。在最壞的情況下，在幾分鐘之內會產生黑斑。局部油薄的破壞會增加被燒壞的可能性。

④ 拆卸和安裝的時候，一定要測量絕緣電阻。絕緣電阻值為1-3MQ滿足要求。通常所說的軸承的軸電壓被限制在下列范圍：

○ <300mV 無害

○ 500-1000mV 有害軸電流可能產生

○ >1000mV 軸承可能在一星期到一年之內損壞（除非采取了絕緣措施）

（11）溫度計

      為檢測軸承溫度，安裝了水銀溫度計。

（12）防冷凝加熱器

      為了防止發電機在不運行時的潮氣和冷凝水，在發電機的定子中安裝了防冷凝加熱器。防冷凝加熱器可以從發電機的殼體外面方便地取出。加熱器為鎳鉻鐵合金的不銹外殼、殼體內部充滿絕緣體且呈U形。

（13）空氣/水冷卻器

      如需要，按特殊要求發電機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，發電機的防護等級也由 IP23 升至IP44和IP54。發電機的電氣原理保持不變。如果冷卻水系統故障或冷卻元件故障，發電機可以很方便在轉變為開路空氣冷卻狀態緊急運行。

（14）接線端子箱

      主電纜的端子（U、V、W）的勵磁端子+F1、-F2的連接可按要求在發電機的左邊或右邊。電纜進線板可按要求不鉆孔或鉆孔帶填料函。

圖7  發電機旋轉整流器單線原理圖

圖8  防止發電機產生軸電流的絕緣

 

三、柴發機組的工作原理

 

      柴油機驅動發電機運轉，將柴油的能量轉化為電能。在柴油機汽缸內，經過空氣濾清器過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，到達柴油的燃點。柴油被點燃，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動活塞下行，稱為‘作功’。各汽缸按一定順序依次作功，作用在活塞上的推力經過連桿變成了推動曲軸轉動的力量，從而帶動曲軸旋轉。將無刷同步交流發電機與柴油機曲軸同軸安裝，就可以利用柴油機的旋轉帶動發電機的轉子，利用“電磁感應”原理，發電機就會輸出感應電動勢，經閉合的負載回路就能產生電流。

      這里只描述發電機組最根本的工作原理。要想得到可使用的、穩定的電力輸出，還需要一系列的柴油機和發電機控制、保護器件和回路。

      柴油發電機組是一種獨立的發電設備，系指以柴油等為燃料，以柴油機為原動機帶動發電機發電的動力機械。整套機組一般由柴油機、發電機、控制箱、燃油箱、起動和控制用蓄電瓶、保護裝置、應急柜等部件組成。整體可以固定在根底上，定位使用，亦可裝在拖車上，供移動使用。

 

總結：

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