1 概述 以燃燒油料(汽油或柴油)的內燃機為動力,驅動發電機發電的技術,已有近百年的歷史。隨著社會經濟及科學技術的發展,雖然以核能、燃煤、水力為能源的大型電站及其電力網的建設與普及日益完善。然而仍有一些電力網還未能到達或電力供給不太可靠的地區,需要用油機發電機組為生活和設備提供電能。這就使它們以其自成一體，移動、使用方便，發出與市電性質一樣的電能，直接帶動負荷、操作簡單等特點成為電力網的得力配角。 油機和發電機技術經過不斷地采用新技術,使其自身更加趨于完善和成熟。機組的輸出功率從0.5kVA到2500kVA,形成了系列化的產品,可滿足各方面的需要。通常以燃燒汽油的內燃機為動力的發電機組稱為“汽油發電機組”。由于汽油內燃機的特點,使其適合組成的功率從0.5kVA到20kVA,輸出電壓以單相220V為主的發電機組。而以燃燒柴油的內燃機為動力構成的“柴油發電機組”,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,信息設備對供電電源提出了很高的要求。UPS與柴油發電機組以它們各自的特點,相輔相成地構成不間斷供電系統應運而生,并且得到廣泛地應用。這也使柴油發電機組從傳統的應用范疇走向一個新的廣闊領域。 發展低碳經濟,勵行節能減排。對柴油發電機組制造領域尤為重要,需要做的事還很多。就柴油發動機而言,使單位油耗轉換成更大的動能、再減少排出廢氣中有害物質的含量、繼續降低發動機的噪聲,是其改進的重點。經過不斷地研發和實踐,進氣增壓、中冷技術、共軌式燃油噴射系統、電子調速、電子控制等先進成果被廣泛采用。再加之高精度智能化加工中心已成為制造過程的主體�，F代柴油發動機的機械效率可達87%左右。滿負荷下油耗低到191～199g/kW·h,排出廢氣中有害物質含量大為減少,例如NO氧化氮類,每立方米小于2克,符合歐Ⅲ排放標準。同等功率的中、大型柴油發動機的運行噪聲也比從前降低了5～6dB。 發展和創新理念也深入到柴油發電機組的技術領域�，F在已有燃汽輪機發電機組和燃燒天然氣的內燃機發電機組,可輸出10kV高電壓的發電機組也已形成產品。從部件到整機,新的探索及成果還在不斷涌現。 2 柴油機的工作原理 柴油發電機組是由作為動力的柴油機(也稱柴油內燃機、柴油發動機)和將機械能轉換為電能的發電機(俗稱電球)組裝在一個底座上構成的。柴油機將燃燒柴油產生的熱能轉為機械能是柴油發電機組的基礎。 2.1 柴油機的基本結構 柴油機的基本結構如圖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,它緊靠著氣缸內壁�；钊线�裝有防止漏氣的活塞環和刮去飛濺在缸壁上的機油的刮油環�；钊谌加捅紩r產生的高溫高壓氣體推動下,沿著氣缸壁向下運動。 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。所以當活塞運動到氣缸最下端時,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,當曲軸運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，有幾個氣缸就對應著幾個彎曲。曲軸是將活塞沿氣缸壁往復上下運動變為曲軸的旋轉運動并輸出機械能的重要部件，也是柴油機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,而它旋轉產生的慣性力又通過曲軸推動活塞運動。對于柴油發電機組而言,飛輪殼還與發電機的前端蓋的軸向采用凸肩定位直接連接構成一體,并采用圓柱型的彈性聯軸器由飛輪直接驅動發電機旋轉。 2.2 工作原理 柴油機是靠柴油霧氣的燃燒產生高溫高壓氣體推動活塞向下運動而產生機械能的。因此,只有柴油霧氣有規律的間歇燃燒,才能使柴油機不停地運動,其規律如圖3所示。 (1)吸入新鮮空氣——進氣沖程 由于飛輪的慣性運動,通過曲軸、連桿將活塞推至上止點時,進氣門打開,飛輪帶動活塞繼續向下運動,則氣缸內空間逐漸擴大,缸內的氣壓低于大氣壓68～93kPa(一個大氣壓約101kPa),缸外的新鮮空氣吸入缸內,活塞向下到下止點時進氣門關閉,缸內吸滿新鮮(含氧量多)空氣,如圖3(a)所示。 (2)壓縮空氣——壓縮沖程 慣性運動的飛輪將處于下止點的活塞再次向上推動。由于氣門關閉,氣缸內的新鮮空氣被壓縮,溫度隨即上升。 當活塞快到上止點時，空氣溫度可達到500～700℃，壓力達到3000～5000kPa，如圖3(b)所示。 (3)膨脹——作功沖程 空氣達到了高溫高壓程度后,噴油嘴開啟,將柴油霧氣噴入缸內,并立即自燃,空氣驟然膨脹,氣缸內壓力上升到6000～9000kPa,溫度達到1800～2200℃。在高溫、高壓氣體的推動下活塞向下運動,并驅動曲軸旋轉而作功,直到下止點,如圖3(c)所示。 這里順便指出的是:汽油機是在活塞快到上止點時噴入汽油霧氣,然后靠電火花塞產生的電火花而點燃的。柴油機不用火花塞而是靠自燃,這是柴油機與汽油機的重要區別。 (4)排氣——排氣沖程 作功沖程結束后,缸內的氣體壓力下降到294～392kPa,溫度也降到800～900℃,在飛輪的旋轉慣性作用下,活塞從下止點向上運動,此時排氣門打開,將作功后的氣體排出氣缸內。當活塞運動到上止點時排氣門關閉。在飛輪慣性的驅動下,活塞繼續向下運動,此時進氣門打開,又重復進行新一次循環,如圖3(d)所示。 這四個熱力工作過程稱為一個工作循環,每個工作過程又叫做一個沖程。柴油機正是按照這個循環工作的,所以叫做四沖程柴油機。 以柴油機為動力的車輛或機械根據其設計負荷量,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 要想使柴油機每個沖程工作都很好，整機都處于低損耗、高效率、高可靠的工作狀態,必須建立必要的供油、供氣、散熱、排氣、潤滑等保障系統。 (1)燃油供給系統 由油管將燃油箱、輸油泵、燃油濾清器(粗濾和細濾)、噴油泵、噴油器、溢流閥等部件組成一個閉合循環供油系統,如圖4所示。 在這里,柴油先被輸油泵從油箱抽出,經過粗濾去除油中的雜質后到達精濾器,再次濾除油中的細小雜質、氣泡。然后進入由噴油泵、燃油軌或燃油集合管、噴油器及電子調速器構成的燃油噴射系統。燃油被加壓、計量、定時和控制,再經噴油嘴以霧化的柴油氣噴入氣缸。剩余的燃油則經溢流閥流回油箱。 燃油噴射系統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。柴油機能否精確地調速,燃油能否充分燃燒,整機效率如何全靠它的調控。所以燃油噴射系統是柴油機的控制中心或心臟。以電子調速器為核心的燃油噴射系統即電噴技術,其特點是將精濾以后的燃油經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一供油,噴油器的噴嘴是由電子調速器控制的電磁閥。柴油機工作時,燃油油溫、油壓、轉速等實時參數,被電子傳感器采集并輸入電子調速器進行分析處理。然后它以最佳的程序控制噴油泵轉速以調節集合管或油軌內燃油的壓力、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得以充分地燃燒,發出最大功率,并減少了排放氣體中有害物質的含量。 (2) 供氣機構 柴油機的供氣機構有進氣和排氣兩個部分。柴油機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。燃燒后氣缸內的廢氣必須及時排出機外,這也稱為柴油機的呼吸。 柴油機輸出功率的大小,取決于進入氣缸的燃油霧氣和空氣的數量及熱能的有效利用率。因此增加進入氣缸的空氣密度,就會提高柴油機的輸出功率。然而,空氣的密度與壓力成正比,與溫度成反比。所以就采用增加進氣壓力,降低進氣溫度的辦法提高進氣密度。現代常用的增壓進氣機構如圖5所示。 空氣經過濾清器去除其中的灰塵,然后經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過氣缸上蓋的進氣門就可以更多地壓入氣缸。從而增加了進入氣缸內的空氣密度(提高含氧量)。這樣可使柴油機的輸出功率提高30%～100%以上。 柴油機的排氣機構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。剩余的廢氣經過消聲器排出。 (3)冷卻機構 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工作,因此必須采取降溫措施。使其保持在65～85℃適宜溫度環境中。散熱降溫的方式通常有風冷和循環水冷。 風冷方式簡單，就是用風扇吹氣缸及周圍部件達到散熱降溫的效果。適用于小型柴油機。 水冷方式較復雜,如圖6所示,當柴油機工作時,循環水泵將散熱水箱及管路內的冷卻水流動起來,流動的水經過機油冷卻器、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過許多散熱細管，這些細管后面是吹風扇，細管內的熱水被吹風降溫，然后又循環去降低氣缸的溫度。 (4)潤滑系統 柴油機工作過程中,各運動零件之間表面相互磨擦,產生大量的損耗,降低整機的效率和使用期限。因此必須加以潤滑,使其相對運動零件表面覆蓋一層潤滑油(俗稱機油)以減小磨擦損耗。 柴油機的一般潤滑油路如圖7所示。 機油儲存在柴油機底部的油底殼內,既可散熱,又可沉淀濾除一些鐵粉。機油泵可將機油抽出并且加壓，機油一部分經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入機油冷卻器降溫，然后經管路去潤滑曲軸、連桿、活塞、氣門機構等，剩余的機油再經管路流回油底殼。 (5)啟動裝置 柴油機由靜止變為運轉必須依靠外力幫助,所以啟動方式有人力啟動、電動機啟動、輔助小汽油機啟動、壓縮空氣啟動等多種方式。 人力啟動常用于農業機械,例如手扶拖拉機。輔助小汽油機啟動常用于大型拖拉機、坦克等。壓縮空氣啟動方式常用于大型柴油機,用壓縮空氣驅動氣動馬達帶動曲軸轉動。 電機啟動方式是常用的,柴油機帶有蓄電池組(一般常用24V)供給啟動電動機工作。啟動電動機的軸端裝有離合機構,它通過齒輪與柴油機的曲軸飛輪的外齒圈相嚙合。開機時,啟動電動機接通蓄電池而轉動。從而帶動柴油機曲軸旋轉,當柴油機著火工作起來以后,啟動電動機的離合機構自動與飛輪脫開,啟動電動機也停止工作。柴油機工作起來以后還附帶著小發電機給蓄電池充電。 2.4 柴油機總成 柴油機的機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,曲軸及連桿機構安裝于此。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,還安裝有進氣門、排氣門和噴油嘴。燃油供給噴射系統,供排氣機構、冷卻機構、潤滑系統和啟動裝置,按它們適宜工作的位置被巧妙地設置在氣缸體周圍。為整機處于良好的工作狀況提供了必要的保障。從而使柴油機得以將柴油霧氣燃燒產生的熱能高效地,可靠地轉化為曲軸旋轉的機械能。 圖8為柴油機總體圖。 
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