柴油发电机组原理..ppt

柴油发电机组原理 动力部 1柴油发电机组的基本原理1 1柴油发电机组的组成及基本原理1 2柴油发电机组的分类1 3应急负荷的分类2柴油机的基本原理2 1认识柴油机2 2柴油机的基本术语2 3柴油机的工作原理 目录 3柴油机的基本结构3 1柴油机的机体结构3 2柴油机的两大机构3 3柴油机的五大系统4柴油机的日常维保4 1柴油机的日常试验4 2柴油机的日常维保5发电机的原理及基本结构5 1发电机的基本原理5 2发电机的基本结构 目录 1 1柴油发电机组的组成及基本原理 由柴油机作为源动力 驱动发电机旋转发电 实现把动能转化为电能和热能的设备就是柴油发电机组 通常认为世界上第一台具有实用价值的柴油发电机组由科勒公司在1920年制造并生产 柴油发电机组由四大部分组成 柴油发动机 发电机 控制系统和并机系统 其中柴油发动机为整套系统最核心的组成部分 柴油发电机组的基本原理 图1 1CATERPILLAR3500系列柴油发电机组 柴油发动机用于为整套系统提供源动力 发电机用于将发动机提供的动能转化为所需的电能 目前转化率最高可达95 控制系统用于控制柴油发电机组的运行状态并提供保护 并机系统用于多台柴油发电机组并列运行时控制柴发集群并网发电 1 2柴油发电机组的分类 根据柴发的工作特性 可以将柴发分为如下几种类型 1 常用机组 用于为远离电力网的地区提供电能 或在电网容量不足地区承担调节电网过负荷的功能 2 备用机组 用于为重要用电单位 如电信部门 医院 机场 电视台等 提供备用电源 以确保在市电因拉闸限电或其他原因中断供电时提供满足基本生产 生活需求的电能 3 应急机组 用于在市电突然中断时为重要负荷 如高层建筑消防系统 应急照明 电梯 自动化生产线的控制系统 重要的通信系统 外科手术室等 提供应急电能供应以避免断电造成的重大经济损失或人员伤亡事故 目前我司拟采购的机组为应急机组 用于在市电丢失时迅速可靠地为重要负荷提供应急电力供应 柴油发电机组的基本原理 1 3应急负荷的分类 针对半导体工厂的生产特点 结合以往的经验 柴油机所带的应急负荷主要包括如下内容 表1 1半导体工厂典型应急负荷表 柴油发电机组的基本原理 1 3应急负荷的分类 表1 2半导体工厂典型应急负荷表 续 柴油发电机组的基本原理 2 1认识柴油机 柴油机是通过燃烧柴油产生可利用的机械能的一种机械 由德国发明家鲁道夫 狄塞尔 RudolfDiesel 于1892年发明的 为了纪念这位发明家 柴油就是用他的姓Diesel来表示 而柴油发动机也称为狄塞尔发动机 Dieselengine 图2 1RudolfDiesel 1858 1913 和他发明的世界上第一台柴油机 图2 2Perkins800系列非道路柴油机 柴油机的基本原理 2 2柴油机的基本术语 图2 3柴油机常见术语图解 柴油机的基本原理 2 2柴油机的基本术语 上止点 也叫上死点 是活塞在气缸内往复运动时 所能达到的最高点 此时活塞离曲轴中心线的距离为最大 连杆和曲轴的曲柄销成一条直线 下止点 也叫下死点 是活塞在气缸内往复运动时 所能达到的最低点 此时活塞离曲轴中心线的距离为最小 连杆和曲轴的曲柄销也成一条直线 活塞行程 也叫冲程 是活塞运行在上止点和下止点之间的距离 活塞每移动一个活塞行程 曲轴旋转半周 所以活塞的活塞行程等于曲拐轴与主轴中心距的两倍 单位为米 m 曲轴半径 曲轴旋转中心到曲柄销中心之间的距离称为曲柄半径 燃烧室容积 燃烧室容积是指活塞位于上止点时 其顶部与气缸盖之间的容积称为燃烧室容积 工作容积 针对单缸 也叫冲程容积 一个冲程中活塞扫过的容积 总容积 针对单缸 工作容积与燃烧室容积的总和 注 对于多缸发动机 工作容积指气缸容积乘以气缸数 通常也被称为排量 柴油机的基本原理 2 3柴油机的工作原理 柴油机的基本原理 图2 4四冲程柴油机原理图解 2 3柴油机的工作原理 1 进气冲程进气冲程时活塞从上止点向下止点运动 同时进气门由气门机构顶开 使新鲜空气充满气缸 以供燃烧之用 当活塞从上止点向下运动时 气缸容积逐渐增大 由于气缸与活塞 活塞环的密封良好 形成一定的真空 使气缸内气体压力低于环境压力 因此外接的新鲜空气经进气门不断地吸入气缸 图2 5进气冲程示意图 柴油机的基本原理 2 3柴油机的工作原理 2 压缩冲程压缩冲程的作用是对进入气缸的空气进行压缩 提高空气的压力和温度 为喷入气缸的柴油与空气混合形成的可燃气体自行发火创造条件 同时也为燃烧后的高温高压气体膨胀做功创造条件 压缩过程是进 排气门全部关闭 活塞从下止点向上止点运动的过程 随着气缸容积的不断缩小 气缸内空气受到压缩 压力和温度逐渐提高 因此在压缩冲程之末柴油被喷入气缸以后被迅速加热蒸发与空气混合形成可燃气体自行发火和燃烧 而不需要专门的点火装置 图2 6压缩冲程示意图 柴油机的基本原理 2 3柴油机的工作原理 3 做工冲程做功冲程包括柴油燃烧和膨胀做功两个阶段 是柴油机中能量转换的主要过程 压缩冲程之末 当雾化状的柴油喷入气缸内并遇到高温高压的空气后 很快混合形成可燃气体并自行发火和燃烧 放出大量热能 因而缸内气体压力和温度急剧升高 在高温高压气体的作用下 活塞向下止点运动 并通过连杆带动曲轴转动 向外输出功率 随着活塞向下止点运动 气缸容积逐渐增大 缸内气体压力也逐渐降低 图2 7做工冲程示意图 柴油机的基本原理 2 3柴油机的工作原理 4 排气冲程排气冲程的作用是把气缸内膨胀做功后的废气排出气缸 为下一个工作循环充填新鲜空气做准备 对排气冲程的要求时废气排除要干净 消耗的功要少 排气冲程时排气门被气门机构顶开 活塞从下止点向上止点运动 当做功冲程进行到下止点某一曲轴转角时 排气门就开始打开 这时 由于缸内废气尚有相当高的压力 因而迅速冲出气缸 实现自由排气过程 使缸内气体压力迅速降低 以减少活塞在排气冲程中上行所消耗的功 推挤功 图2 8排气冲程示意图 柴油机的基本原理 柴油机的基本结构 机体是发动机的骨架 用于安装和支撑发动机的各总成零部件 由气缸体 曲轴箱 油底壳 气缸套 气缸盖 气缸垫组成 3 1机体结构 图3 1柴油机机体各部件示意图 柴油机的基本结构 3 1 1气缸体结构 图3 2TBD234V8舰用柴油机机体装配图 柴油机的基本结构 3 1 2气缸体结构 水冷柴油机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体 称为气缸体 曲轴箱 也可称为气缸体 气缸体上半部有一个或若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔 称为气缸 下半部为支承曲轴和曲轴箱 其内腔为曲轴运动的空间 下曲轴箱是一个简单的储油箱 称为油底壳 气缸体与气缸盖之间用气缸盖衬垫密封 机体中还有往复运动的气缸套 在气缸体内部铸有许多加强筋 挺柱腔 冷却水套和润滑油道 水道等 图3 3柴油机机体3D模型示意图 柴油机的基本结构 3 1 3气缸套结构 气缸是气体压缩 燃烧和膨胀的空间 并对活塞起导向作用 由于活塞需要在气缸内进行高速的活塞运动 使得气缸内壁受到剧烈的摩擦 同时受到相当大的机械应力和热应力 成为了内燃机磨损最严重的表面之一 为了解决成本和寿命的矛盾 将可更换的气缸套镶嵌在机体上部的气缸孔内 气缸套使用耐磨的高级铸铁材料铸造 而缸体可以采用廉价普通铸铁或质量轻的铝合金材料制造 这样既延长了使用寿命 又节约了昂贵的材料 图3 4干式缸套实物图 图3 5湿式缸套示意图 图3 6缸套装配示意图 柴油机的基本结构 3 1 4气缸盖结构 气缸盖的作用是密封气缸 并与活塞 气缸构成燃烧室空间 同时进排气道 气门导管孔 冷却水腔 润滑油孔洞 起动阀等均安装在气缸盖上面 图3 8TBD234V8舰用柴油机气缸盖总成装配图 图3 7四气门气缸盖实物图 柴油机的基本结构 3 1 5油底壳结构 油底壳用于贮存和冷却机油并封闭曲轴箱 由薄钢板冲压而成 内部设有稳油挡板 以防止柴油机在振动时油底壳油面产生较大的波动 在最低处有放油塞用于排出费油 曲轴箱与油底壳之间有密封衬垫 防止机油泄露 图3 9油底壳结构示意图 柴油机的基本结构 3 2柴油机的两大机构 柴油机的基本结构 3 2 1曲柄连杆机构 曲柄连杆机构是发动机实现工作循环 完成能量转换的主要运动零件 它由活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成 在作功行程中 活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动 通过连杆转换成曲轴的旋转运动 并从曲轴对外输出动力 而在进气 压缩和排气行程中 飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动 图3 10曲轴连杆机构示意图 柴油机的基本结构 3 2 1曲柄连杆机构 曲轴飞轮组用于将活塞的直线运动转换为曲轴的转动运动 并将做工冲程中的部分能量储存在在飞轮中用于克服其他冲程中的阻力 使曲轴旋转均匀 同时起到平衡扭矩 传递动力的作用 图3 11TBD234V8舰用柴油机曲轴飞轮组装配示意图 柴油机的基本结构 3 2 1曲柄连杆机构 活塞顶部与气缸盖 气缸壁等共同组成燃烧室 在做工冲程中活塞承受气体压力运动并将此力传给连杆 以推动曲轴旋转 图3 12TBD234V8舰用柴油机活塞连杆组结构示意图 柴油机的基本结构 3 2 2配气机构 根据发动机的工作顺序和工作过程 定时开启和关闭进气门和排气门 使可燃混合气或空气进入气缸 并使废气从气缸内排出 实现换气过程 配气机构大多采用顶置气门式配气机构 一般由气门组 气门传动组和气门驱动组组成 图2 11TBD234V8舰用柴油机活塞连杆组结构示意图 凸轮轴正时齿轮 凸轮轴 挺柱 摇臂轴 推杆 图3 13配气机构结构示意图 柴油机的基本结构 3 2 2配气机构 凸轮轴利用各缸进 排气凸轮控制气门的运动 使气门按一定的工作顺序和配气相位开启和关闭 并保证气门有足够的开度 凸轮的型线决定了气门持续开启的时间和气门的升程 图3 14凸轮轴截面图 图3 15气门组结构示意图 柴油机的基本结构 3 2 2配气机构 气门用于向发动机内输入空气并排出燃烧后的废气 从发动机结构上 分为进气门 intakevalve 和排气门 exhaustvalve 进气门的作用是将空气吸入发动机内 与燃料混合燃烧 排气门的作用是将燃烧后的废气排出并散热 图3 16四气门组件3D模型示意图 柴油机的基本结构 3 3柴油机的五大系统 柴油机的基本结构 3 3 1进排气系统 进排气系统用于向柴油机各工作气缸提供新鲜 清洁 密度足够大的空气 是柴油机第一重要的系统 因为充足 清洁的空气对柴油机的性能影响很大 空气自外界被吸入进气口 随后经空气滤清器将其中携带的杂质过滤 而后被送入涡轮增压器增压至约1 5bar 随后将高温高压的进气送入中冷器将其冷却以降低扩散效果 之后被送入气缸中与柴油喷雾混合燃烧推动活塞做工 做工后的废气经过涡轮增压器驱动涡轮旋转 随后经排气管排入大气中 若发动机气缸内燃烧不充分 则在废气中可能存在氮化物 一氧化碳等气体 则需要经过三元催化器降低有害气体的含量后排出 图3 17进排气系统组成示意图 柴油机的基本结构 3 3 1进排气系统 空气滤清器主要功能是防止空气中的尘埃进入柴油机内部 缓和柴油机运动零部件因空气中杂质而引起的磨损 保证柴油机能长期正常运行 空滤需要定期维护保养 以防止灰尘与来自呼吸器的油雾结合形成油泥 污染增压器 中冷器 进气道使增压压力下降 空气量减少 进气阻力增加 结果是排温升高 冒黑烟 柴油消耗大大增加 同时 空滤清洗维护不及时 会使空滤器吸附尘埃堵塞缝隙 造成进气阻尼增大 使功率下降 排温高 冒黑烟 图3 18常见的三种空气滤清器 自左至右 干式 旋流式 油浴式 柴油机的基本结构 3 3 1进排气系统 现代柴油机均使用了进气增压技术使进入气缸的空气压力增加 提高空气密度以增加进气量 让气缸中的燃料燃烧更加充分 在做工冲程中获得更多的热量 在相同的转速下 提高功率 或者在已定的气缸工作容积获得更高的功率 图3 19涡轮增压系统示意图 柴油机的基本结构 3 3 1进排气系统 利用发动机排出的高温高速废气推动涡轮高速旋转 同时带动与涡轮同轴的压气机高速旋转 提高进气压力 提高进气密度 增加进气量 自然吸气柴油机的进气压力较低 进气压力往往只能到达0 7bar 通过增压后可以将增压压力提升到1 5bar 图3 20涡轮增压器结构图 涡轮增压技术其中最明显的就是 滞后响应 即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓 即使经过改良后的反应时间也要1 5秒左右 使发动机延迟改变输出功率 这样 如果急加速 就会感觉发动机使不上劲 低惯量带旁通阀高效增压器 转动惯量小 低速反应快 压气效率高 有效减少了NOx的排放 降低了CO的排放 改善发动机排放 使发动机低速扭矩足够大 大大改善发动机的低速性能 较低热负荷 较低的气缸压力 更大的功率 低的燃油耗率 柴油机的基本结构 3 3 1进排气系统 增压器增压后的进气温度往往较增压前升高100多度 进气温度升高后在管路内呈扩散趋势 不利于进气 而通过中冷器后的温度可以使温度下降以提高空气的密度 进而提高发动机的充气效率 常见的有空 空中冷器和水 空中冷器 图3 21中冷器外形图 柴油机的基本结构 3 3 2燃油供给系统 燃油供给系统用于完成燃料的储存 滤清和输送工作 按柴油机各种不同工况的要求 定时 定量 定压并以一定的喷油质量喷入燃烧室 使其与空气迅速而良好地混合和燃烧 具体如下 1 在适当的时刻 将一定数量的洁净燃油增压后以适当的规律喷入燃烧室 2 在每一个工作循环内 各气缸均喷油一次 喷油次序与气缸工作顺序一致 3 根据柴油机负荷的变化自动调节循环供油量 以保证柴油机稳定运转 尤其是稳定怠速 限制超速 4 储存一定数量的燃油 保证设备可以持续运行 图3 22燃油供给系统示意图 柴油机的基本结构 3 3 2燃油供给系统 图2 23燃油走向示意图 柴油机的基本结构 3 3 2燃油供给系统 为了提高柴油的燃烧效率和整机热功率 要使用喷油器将燃油泵供给的高压柴油喷散雾化 合理地分布于燃烧室 与高速流动的空气更好地混合 形成良好的可燃气体 近代柴油机均采用了电控燃油喷射系统 电喷系统通过对喷油压力 正时 喷油规律的电子控制 实现了数字化控制 可使柴油机更好地与现代工业系统协同工作 并提高了整机热效率和可靠性 目前大中型柴油机通常采用电控单体泵系统 微型和轻型柴油机通常采用电控高压共轨系统 图3 24Delphi公司的单体泵系统结构图 左图为德国Delphi公司生产的电控单体泵系统 在ECU的控制下 将一定数量的燃油加压 高达160MPa以上 并通过单体泵上的电磁阀接收来自ECU的控制指令决定开启或关闭时刻 从而决定各个气缸当前喷射过程 即喷油压力 喷油量 喷油正时 柴油机的基本结构 3 3 2燃油供给系统 电喷系统可实现喷油压力 正时 喷油规律的电子控制 并提供附加的控制功能 如各缸平衡 可变怠速 闭环控制 减速断油等 除此之外还可以提高柴油机本身的一致性和可靠性 并提供故障诊断 失效安全策略 自学习和自适应等功能 最重要的是 可以达到低排放 低油耗 高性能的目标 图2 25Delphi公司的单体泵3D外形示意图 柴油机的基本结构 3 3 2燃油供给系统 图3 26高压共轨系统实物图 柴油机的基本结构 3 3 2燃油供给系统 图3 27BOSCH高压共轨系统结构示意图 柴油机的基本结构 3 3 3润滑系统 润滑系统是向润滑部位供给润滑剂的一系列的给油脂 排油脂及其附属装置的总称 用于向做相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油 以实现液体摩擦 减小摩擦阻力 减轻机件的磨损 并对零件表面进行清洗和冷却 目前发动机所采用的润滑方式有以下三种 1 压力润滑 利用机油泵 将具有一定压力的润滑油源源不断地送往摩擦表面 例如 曲轴主轴承 连杆轴承及凸轮轴轴承等处承受的载荷及相对运动速度较大 需要以一定压力将机油输送到摩擦面的间隙中 方能形成油膜以保证润滑 这种润滑方式称为压力润滑 2 飞溅润滑 利用发动机工作时运动零件飞溅起来的油滴或油雾来润滑摩擦表面的润滑方式称为飞溅润滑 这种润滑方式可使裸露在外面承受载荷较轻的气缸壁 相对滑动速度较小的活塞销 以及配气机构的凸轮表面 挺柱等得到润滑 3 定期润滑 发动机辅助系统中有些零件则只需定期加注润滑脂 黄油 进行润滑 例如水泵及发电机轴承就是采用这种方式定期润滑 近年来在发动机上采用含有耐磨润滑材料 如尼龙 二硫化钼等 的轴承来代替加注润滑脂的轴承 柴油机的基本结构 3 3 3润滑系统 发动机工作时 传力零件相对运动表面之间不能直接接触 因为 任何零件的工作表面 即使经过极为精密的加工 也难免存在一定程度的表面粗糙度 在它们接触且相对运动时 必然产生摩擦和磨损 而摩擦产生的阻力 既要消耗动力 阻碍零件的运动 又使零件发热 甚至导致工作表面烧损 因此 必须进行润滑 即在两零件的工作表面之间加入一层润滑油使其形成油膜 将零件完全隔开 处于完全的液体摩擦状态 这样 功率消耗和磨损就会大为减少 图3 28零部件未得到有效润滑 图3 29零部件得到有效润滑 柴油机的基本结构 3 3 3润滑系统 润滑系统有如下作用 1 润滑 将润滑油不断地供给各零件的摩擦表面 形成润滑油膜 减小零件的摩擦 磨损和功率消耗 2 清洁 发动机工作时 不可避免地要产生金属磨屑 空气所带入的尘埃及燃烧所产生的固体杂质等 这些颗粒若进入零件的工作表面 就会形成磨料 大大加剧零件的磨损 而润滑系通过润滑油的流动将这些磨料从零件表面冲洗下来 带回到曲轴箱 在这里 大的颗粒沉到油底壳底部 小的颗粒被机油滤清器滤出 从而起到清洁的作用 3 冷却 由于运动零件的摩擦和混合气的燃烧 使某些零件产生较高的温度 而润滑油流经零件表面时可吸收其热量并将部分热量带回到油底壳散入大气中 起到冷却作用 4 密封 发动机气缸壁与活塞 活塞环与环槽之间间隙中的油膜 减少了气体的泄漏 保证气缸的应有压力 起到了密封作用 5 防蚀 由于润滑油粘附在零件表面上 避免了零件与水 空气 燃气等的直接接触 起到了防止或减轻零件锈蚀和化学腐蚀的作用 6 减震缓冲作用 在运动零件表面形成油膜 吸收冲击并减小振动 起减震缓冲作用 柴油机的基本结构 3 3 3润滑系统 润滑系统由机油泵 机油滤清器 机油冷却器 油底壳 机油集滤器 润滑油道和一些阀门等组成 机油平时储存在油底壳中 由润滑油泵将润滑油抽出送入机油冷却器 然后经过润滑油管送往需要润滑的各个区域 然后通过回油管回到油底壳 图3 30润滑系统结构图 柴油机的基本结构 3 3 3润滑系统 图3 31TBD234V8柴油机润滑油管路图 柴油机的基本结构 3 3 4冷却系统 冷却系统的作用是保持发动机在最适宜的温度范围内工作 发动机工作时 由于燃料的燃烧 气缸内气体温度高达2200K 2800K 所产生的热量大约1 3做功转变为机械能 大部分随废气排出 其余则被发动机零件吸收 使发动机零部件温度升高 特别是直接与高温气体接触的零件 若不及时冷却 会造成以下后果 1 充气效率降低 使发动机效率降低 2 早燃和爆燃的倾向加大 使零件因承受额外冲击性负荷而造成早期损坏 3 运动件的正常间隙 热胀冷缩 被破坏运动阻滞 磨损加剧 甚至损坏 4 润滑情况恶化 加剧了零件的摩擦磨损 5 零件的机械性能降低 导致变形或损坏 柴油机的基本结构 3 3 4冷却系统 同样 若外界环境温度太低 则会导致以下后果 1 进入气缸的混合气 或空气 温度太低 可燃混合气品质差 雾化差 使点火困难或燃烧迟缓 导致发动机功率下降 燃料消耗量增加 热量流失过多 燃油凝结流进曲轴箱 2 燃烧生成物中的水蒸汽易凝结成水而与酸性气体形成酸类 加重了对机体和零件的侵蚀作用 3 未汽化的燃料冲刷和稀释零件表面 气缸壁 活塞 活塞环等 上的油膜 使零件磨损加剧 4 润滑油黏度增大 流动性差 造成润滑不良 加剧机件磨损 增大功率消耗 柴油机的基本结构 3 3 4冷却系统 图3 32冷却系统原理示意图 强制循环冷却系由水泵 散热器 冷却风扇 节温器 发动机机体和气缸盖中的水套以及其它附属装置组成 柴油机的基本结构 3 3 4冷却系统 图2 33冷却系统循环示意图 柴油机的基本结构 3 3 5启动系统 要使发动机由静止状态过渡到工作状态 必须先用外力转动发动机的曲轴 使活塞作往复运动 气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功 推动活塞向下运动使曲轴旋转 发动机才能自行运转 工作循环才能自动进行 因此 曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程 称为发动机的起动 图3 35启动系统原理示意图 启动电机启动系统主要有启动电机 蓄电池 充电发电机等部件组成 启动电机用于产生驱动发动机曲轴旋转的外力 蓄电池用于为启动电机旋转提供电能 充电发电机用于在柴油机运转时为柴油机用电装置供电 并为蓄电池充电 图3 34启动电机总成结构示意图 柴油机的基本结构 3 3 5启动系统 摩擦离合器与启动电机合装在一起装在电机的前部前端盖内 用滚动轴承支撑 由离合器壳体 传动轴 啮合杆 启动齿轮 离合器盘 螺旋花键套筒等组成 离合器壳体与电机转子连接在一起 中部有离合器主动盘 启动齿轮与啮合杆和传动轴合装在一起 传动轴套装在啮合杆外部 前端用螺栓固定有一启动齿轮 啮合杆后端穿过电机转子与一电磁开关中轴相对应 前端靠滚柱轴承支撑在电机前端盖内 在传动轴上制有一圈螺旋花键 其上部通过花键配合套装有一套筒 套筒上装有离合器从动盘 柴油机