柴油机和柴油发电机作业原理简易解释

摘要：发电机的基础作业机理是利用燃料和氧气燃烧发生的热能来产生机械能量。发电机是由活塞，连杆，缸体，主轴，凸轮轴，点火系统，排烟装置，燃油装置等几大部件结构的，它们通过某种形式的运动来发生机械能量。发电机是柴油发电机组的核心驱动部件，它的作业原理和使用程序对康明斯发电机组的容量输出和运行起着决定性的功能。

       现代使用往复活塞式内燃机，其特点是燃料在其发电机内部燃烧，将其所产生的热能转变为机械能。外形如图1所示，基础工作原理如图2所示。

（6）根据额定转速不同，有低速（600转/分以下）、高速（1000转/分以上）和介述两者之间的为中速。

活塞行程——活塞从上死点移动到下死点，或从下死点移动到上死点所运动过的距离叫活塞行程，叫冲程。常用S表示，S＝2R，即等于主轴半径R也的两倍，相当于曲柄回转180°。

（4）燃烧室容积-活塞位于上死点时康明斯柴油发电机组各型号，活塞顶与汽缸盖底面之空间叫燃烧室，其容积为燃烧室容积，以Vc表示。

（5）汽缸工作容积-活塞从上死点移动到下死点，所扫过的空间容积叫汽缸的工作容积，以Vs表示，它等于Vs＝1/4－π D2S。

（7）气缸总容积-活塞在下死点时，活塞顶以上的全部空间称气缸总容积，即燃烧室容积与汽缸作业容积之和，以Va表示。

（8）压缩比气缸总容积与燃烧室容积之比值称为压缩比，以ε表示。压缩比越大，压缩终了时的压力与温度就越高，它是发电机的一个重要参数。

（9）标定功率（额定容量Ne）-发电机在额定速度时能向外输出的最大功率，Ne是指在一定要素下，持续12h正常运行的最大功率。单位为KW。1马力＝0.735KW。标定容量分为15分钟容量、1小时容量、12小时容量、持续容量。

      一般与发电机配套的柴油发电机选定12h功率和连续容量作为标定功率。当选取12h功率作为标定容量时，说明柴油发电机在标定功率下（标准环境现象时）连续运转时间为12h，其中包括超过10％标定功率情形下连续运行lh；当选择持续容量作为标定容量时，表示柴油发电机允许长久连续运行，其中包括可超过10％标定容量情况下运行lh。一般持续功率为12h容量的90％。

（10）燃油消耗率ge-是计量发电机经济性的指标，单位是g/KWh。指在1h内，输出1KW容量所消耗燃油的克数。

      柴油发电机燃料燃烧的热能转变为机械能是在气缸中通过进气、压缩、作功（燃烧和膨胀）、排烟四个行程（也称一个作业循环）来完成的，故称四冲程柴油发电机。

      如图3所示。此时进气门打开，排烟门关闭。曲轴沿箭头方向旋转，活塞从上死点往下移动，活塞顶部让出的空间不断增大，其空间形成一定的真空度，气缸内压力低于外界大气压，所以外界空气就经过进气门被吸入汽缸中。当活塞到了下死点时康明斯发电机厂家排名，曲轴回转了半转。（计180°），气缸内充满了空气，但因受空气滤清器与进气门的阻挡，汽缸内压力略低于大气压。进气终了时，汽缸内压力为0.07～0.1MPa，温度为5℃至30℃。

      如图4所示。主轴继续沿箭头方向旋转，这时进气门已经关闭，排气门仍然关看，因而活塞上行就压缩空气。空气被压缩后，由于其体积的缩小，气体的密度就增加，因而它的压力和温度都随着增加。直到活塞移动到上死点，即压缩终了。此时曲轴又回转了半周（计360°）。这时缸内气体由较大容积减轻到较小的容积。当压缩终了时，压力为3～5MPa，温度可达600～700℃，大大超过了柴油在此压力下的自然温度。空气的体积也由较大的气缸总容积被压缩到较小的燃烧室容积，可见压缩比愈大，压缩力也愈大，发电机功率和经济性就能增加。但压缩比的提高是有一定限度的。否则将影响热效率并使机体受力过度导致发电机作业异样。（压缩比的大小，已由制造厂决定，使用保养时必须保持其原有的比值）。

      如图5所示。此时，进、排气门仍关闭着。汽缸顶部的喷油泵开始向气缸内喷射柴油。喷油咀是以高压（17～21MPa的压力）将柴油喷入汽缸中，故喷出的是雾状柴油。当雾化了的柴油与气缸内的高压、高温气体相遇后，很快着火燃烧并迅速蔓延，使燃烧加剧。由于热膨胀的作用，气缸内很快形成发烫高压气体（较高压力6～100Pa；较过热度达1800～2000℃），推动活塞向下移动，通过曲柄连杆装置推动曲轴旋转，向外传递动力。当活塞到达下死点时，完成作功行程，同时主轴又回转了半周（计540°），燃烧基本结束康明斯发电机组公司，气缸内的压力和温度急剧下降，压力降至0.2～0.5MPa，温度降至600～750℃。

      如图6所示。此时排烟门打开，进气门关网，曲柄沿箭头方向继续转动，活塞则从下死点向上移动，把燃烧后的废气从汽缸中经排气门排出直到上死点，这时排烟结束，主轴又回转了半周（计720°）。当活塞再往下移动时，第二次循环又开始了。如此往复运动，使柴油发电机不断地转动，发生动力对外作功。

      在四个行程中，只有第三个行程是作功行程，其余三个行程实为耗功行程，但又是必须的辅助行程。

      四冲程柴油发电机其构成型式很多，详细组成也有所差异。但发电机的总体构造基本相似。即具有带缸体的两大装置和四大装置：

      主要包括气缸体、气缸盖、活塞、活塞环、活塞销、连杆、主轴、飞轮、轴承和油底壳等。这是组合各机构使发电机借以产生动力并传递动力的装置，即通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动输出动力。

      具体包括进气门、排烟气门、凸轮轴及时规齿轮，挺杆、推杆、进气歧管、空气滤清器。排烟歧管、排烟管和消声器（增压式柴油发电机另有增压器）等。其功用是按发电机作业顺序开、闭进、排气门，使新鲜空气充入汽缸中，并排出燃烧后的废气。

      主要包括柴油箱、输油泵、滤清器、喷油嘴和速度控制器。喷油泵及油管等。其功能是定期定量地向各个汽缸喷射柴油，与空气混合后形成可压燃的混合气体。

      具体包括油底壳、机油泵、机油限压阀、机油滤清器、油压表及感压器。油温表及感温器等。其功能是将润滑油供给摩擦部位，降低磨损，冷却缸体，并清洁摩擦表面和保护摩擦表面，不受氧化和锈蚀。

      主要包括水散热器、水泵、水套、节温器、进水管、出水管、放水开关、水温表及感温器、风扇等。其作用是利用冷却介质把受热零件的热量及时传递到大气中，以保持发电机在适宜的温度下作业。

      具体包括电源（电瓶、电流电压调整器、发电机）。启动马达和便于低温起动的附属装备（如进气管预热装备，压力雾化火焰起动装置，乙醚启动装置和起动预热器等）。

       四冲程柴油机的作业原理与柴油发电机一样，也是包括进气、压缩、作功与排烟四个行程，示功图如图3、图4所示。其不同之处是燃料供给程序与点燃程序不一样，详细差别为：

① 柴油机的燃料是在进气时，随吸入的新鲜气体在汽化器内与吸出的柴油混合成各种所需混合气体再吸入气缸中压缩；

③ 柴油机汽缸中的可燃混合气体，在压缩终了时是通过安装在活塞顶部的一个火花塞发出的强烈的电火花来点燃的。

④ 柴油发电机与柴油机相比，柴油发电机热效率比过高，节油使用经济性好，使用寿命长、功率大，工作安全可靠。弊端是作业噪声大、粗暴，要求受力零件强度高，因而零件的尺寸和毛重较大，制造成本也过高。与此相反，柴油机具有构造轻巧、制造方便、作业平稳和启动容易等好处，但不适宜重负载作业。

      四冲程柴油机的组成形式与柴油发电机基本相同。所不同的是因燃料（柴油）的供给方法和着火方法不一样，其装置的结构形式有一定的差异。

① 柴油机的燃料供给装置的组成由柴油箱、柴油泵、柴油过滤器，汽化器（又名化油器，现在新系列的发电机全部已改为电控）等。

② 汽化器专门用来将空气和柴油在进入汽缸前制配成各种数量和质量的混合气体，再吸入汽缸。发电机的工况是通过操纵汽化器内的节气门和阻风门来控制速度与负荷的。发电机的工作现象有启动、怠速、中等负载、全负载、突然加载五种工况。

③ 柴油发电机为了提高进气压力，增加充气量，有些也采用增压器，使发电机的功率增加，机械效率上升，污染降低等，尤其在高原（西藏高原海拨4000m以上），或空中运转欲保持马力不变，更加需要采用增压器。

      柴油机进入气缸内的空气和柴油的混合气体是依靠电火花来点燃的。

      按照发电机的工作顺序，正确、可靠地产生高压电火花，点燃经压缩后的可燃混合气体。点火系统由电源（电瓶、电流电压调整器、发电机）、点火开关（电钥匙）、点火线圈、附加电阻、电容器、分电断续器、火花塞、低压电线和高压电线构造。

      发电机起动，必须打开点开关，随着外力使发电机转动（启动后也不能关闭，否则，发电机马上熄灭）。分电断续器（内由分电器、断续器、离心式调节器、真空式调节器等结构），即开始接通和切断点火线圈内的一次线圈使磁场变化，从而感应点火线V），再通过分电器，将高压电按发电机作业顺序引至各缸的火花塞，在火花塞间隙处跳火，点燃压缩后的混合气体。

      离心式和真空式调节器均是自动调整点火时间的系统。

      二冲程柴油发电机的全部作业循环是在活塞的二个冲程内即曲轴旋转一周（360°）完成的。它的进气和排烟不像四冲程柴油发电机那样有单独的冲程，而是在压缩和作功二个冲程内进行的。在二冲程柴油发电机中，新鲜空气是由扫气泵压入汽缸的。废气除了一部分依靠废气与大气的压力差自由地排出外，其余部分是由压入汽缸中的新鲜空气所挤出，这个挤出的流程称为扫气步骤。

      二冲程柴油发电机有直流扫气和弯流扫气等类型，但它们的作业机理都是相同的。现以气口一气阀直流扫气二冲程柴油发电机为例说明二冲程柴油发电机的工作原理。

      活塞从下死点上行时，在遮闭扫气口之前，新鲜空气通过扫气泵、扫气口压入汽缸内，把汽缸中的废气挤出。随着活塞的上行，扫气口逐渐被遮闭，当活塞把扫气口完全遮闭时（P-V图中的点1），排气阀也差不多在这时关闭，压缩程序开始进行。当活塞到达2时，喷油开始，到达上死点时，气缸内的空气压力达到3.5-4.5兆帕（35-45千克力/厘米2），温度达到700-800℃。

      当活塞到达上死点前10-300的位置时，柴油开始从喷油器以雾状喷入气缸，与汽缸内的发烫气体混合后，即自行发火燃烧（P-V图中2-3曲线），燃烧所产生的燃气推动活塞下行做功。燃烧时较高压力达5-8兆帕（50-80千克力/厘米2），较发烫度达1600-1800℃。

（3）在以后的运行中，燃烧产物产生膨胀，直到排气阀打开时为止（点4）。排气阀打开的时间，比活塞掀开扫气口的时间稍早，这样就有一段自由排烟程序（点4-5）。当扫气口打开时，汽缸内的压力可以从300-500千帕（3-5克力/厘米2）减少到接近大气压力。

（4）当曲轴从点5经过点6（下死点）转到点1的期间内，气缸内进入了扫气空气，继续进行残余废气的解决工作。

（5）汽缸内充气过程的终点（点1）是由扫气口和排烟阀关闭的时刻来决定的，排气阀有的与进气口同时关闭，有的或稍早一点。在二冲程柴油发电机中，进气步骤终点汽缸内压力通常都高于大气压力，其值与扫气空气压力有关。

     以上所述，无论是四冲程还是二行程发电机，每个工作循环中，只有作功行程是对外作功的，其余行程都是辅助行程。它们不仅不对外作功，而且还要消耗一部分能量（用于压缩气体和克服进、排气的阻力），这将使发电机运行不均匀，且难以起动。为了改进运行均匀性，便要应用多缸发电机。

       在多缸发电机中，各缸共用一根主轴，每个汽缸内部都进行着相同的作业循环，每个活塞都承受着作功压力而且都推动同一根主轴旋转。如果将各缸作功行程合理地错开，就能使主轴旋转的均匀性大大提高，飞轮的尺寸和重量，则可大为减少。

（1）如四缸四冲程发电机常用的工作次序为1-3-4-2，有的为（1-2-4-3），此时各缸的相互关系见表1。

（2）六缸四冲程发电机六个曲柄按1-5-3-6-2-4在圆周方向各间隔120°，在主轴每两转（即720°）内各缸交替作功的间隔为720/6＝120°。各缸完成四个行程，见表2。

      内燃机是一种将热能转化为机械能的发电机，具有高效节能、容量密度大、启动方便、适应性强和维护大概等特性。内燃机的作业机理包括进气、压缩、燃烧和排气四个阶段，通过燃烧发生的过热高压气体推动活塞运动，从而将热能转化为机械能。内燃机广泛运用于移动发电机方舱、集装箱柴发机组以及固定式发电机组等领域。