柴油发电机组主要包括柴油机、交流同步发电机和控制箱(屏)三大组成部分，而励磁调节器是控制箱(屏)的核心。本章首先讲述柴油机和交流同步发电机的基本结构与工作原理，然后讲述励磁系统的组成与分类，最后讲述柴油发电机组维修应掌握的基本知识，所有这些都是我们掌握柴油发电机组技术技能的基础。把燃料燃烧时所放出的热能转换成机械能的机器称为热机。热机可分为外燃机和内燃饥两类。燃料燃烧的热能通过其他介质转变为机械能的称为外燃机，如蒸汽机和汽轮机等;燃料在发动机气缸内部燃烧，工质被加热并膨胀作功，直接将所含的热能转变为机械能的称为内燃机，如柴油机、汽油机和燃汽轮机等。其中以柴油机和汽油机应用最为广泛，通常所说的内燃机多指这两种发动机。
柴油机是将柴油直接喷射入汽缸与空气混合燃烧得到热能，并将热能转变为机械能的热力发动机。其主要优点是：(1)热效率较高，其有效热效率可达46%，是所有热机中热效率最高的一种;(2)功率范围广，单机功率可从零点几千瓦到上万千瓦;(3)结构紧凑、比质量较小、便于移动;(4)起动迅速、操作方便、并能在起动后很快达到全负荷运行。
2.1.1 柴油机工作原理
单缸往复活塞式柴油机结构示意图如图2-1所示，其主要由排气门1、进气门2、气缸盖3、气缸4、活塞5、活塞销6、连杆7和曲轴8等组成。气缸4内装有活塞5，活塞通过活塞销6、连杆7与曲轴8相连接。活塞在气缸内作上下往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜空气和排出废气，在气缸盖上设有进气门2和排气门1。
1.基本名词术语(参见图2-1)
(1)上止点：活塞离曲轴中心最大距离的位置。
(2)下止点：活塞离曲轴中心最小距离的位置。
(3)活塞行程(冲程)：上止点与下止点间的距离，用符号S表示，单位为mm。
文章出自《柴油发电机组实用技术技能》
作者：杨贵恒、张海呈、张寿珍、钟进 化学工业出版社出版
(4)曲柄半径：曲轴旋转中心到曲柄销中心的距离，用符号r表示，单位为mm。由图2-1可见，活塞行程S等于曲柄半径r的两倍，即
S=2r
(5)气缸工作容积：在一个气缸中，活塞从上止点到下止点所扫过的气缸容积。用符号Vh表示，单位为L ，则
(L)
式中： D——气缸直径，单位为mm;
S——活塞行程，单位为mm。
柴油机排量表示柴油机的作功能力，在其他参数相同的前提下，柴油机排量越大，则其所发出的功率就越大。
(7)燃烧室容积：当活塞在上止点时，活塞上方的气缸容积。用符号Vc表示。
(8)气缸总容积：当活塞在下止点时，活塞上方的气缸容积。用符号Va表示。它等于燃烧室容积Vc与气缸工作容积Vh 之和。即
(9)压缩比：气缸总容积与燃烧室容积之比。用符号ε表示。则
压缩比ε表示气缸中的气体被压缩后体积缩小的倍数，也表明气体被压缩的程度，通常柴油机的压缩比ε=12～22。压缩比越大，活塞运动时，气体被压缩的越厉害，气体的温度和压力就越高，柴油机的效率也越高。
(10)工作循环：柴油机中热能与机械能的转化，是通过活塞在气缸内工作，连续进行进气、压缩、作功、排气四个过程来完成的。每进行这样一个过程称为一个工作循环。如柴油机活塞走完四个冲程(曲轴旋转两周)完成一个工作循环，称该机为四冲程柴油机;如活塞走完二个冲程(曲轴旋转一周)完成一个工作循环，称该机为二冲程柴油机。
2.四冲程柴油机工作原理
(1)进气过程[如图2-2(a)所示]
活塞从上止点向下止点移动，这时在配气机构的作用下进气门打开，排气门关闭。由于活塞下移，气缸内容积增大，压力降低，新鲜空气经空气滤清器、进气管不断吸入气缸。由于进气系统存在阻力，使进气终了气缸内的气体压力低于大气压力P0(约78~91kPa)，温度为320~340K。
(2)压缩过程[如图2-2(b)所示]
活塞由下止点向上止点运动，这时进、排气门关闭。气缸内容积不断减少，气体被压缩，其温度和压力不断提高。压缩终了时气体压力可达3~5MPa，温度高达750~1000K，为喷入气缸内的柴油蒸发、混合和燃烧创造条件。
(3)作功过程[如图2-2(c)所示]
在压缩过程即将终了时，喷油器将柴油以细小的油雾喷入气缸，在高温、高压和高速气流作用下很快蒸发，与空气混合，形成混合气。并在高温下自动着火燃烧，放出大量的热量，使气缸中气体温度和压力急剧上升。燃烧气体的最大压力可达6~9MPa，最高温度可达1800~2000K。高压气体膨胀推动活塞由上止点向下止点移动，从而使曲轴旋转对外作功。由于喷油和燃烧要持续一段时间，所以虽然活塞开始下移，但此时还有喷入的燃料继续燃烧放热，气缸内的压力并没有明显下降，随着活塞下移，气缸内的温度和压力才逐渐下降。作功行程结束时，压力约为0.2~0.5MPa。
(4)排气过程[如图2-2(d)所示]
作功过程结束后，排气门打开，进气门关闭。活塞在曲轴的带动下由下止点向上止点运动，燃烧过的废气便依靠压力差和活塞上行的排挤，迅速从排气门排出。由于排气系统有阻力，因此，排气终了时，气缸内废气压力略高于大气压力。气缸内残余废气的压力约为0.105~0.12MPa，温度约为700~900K。
活塞经过上述四个连续过程后，便完成了一个工作循环。当排气过程结束后，柴油机曲轴依靠飞轮转动的惯性作用仍继续旋转，上述四个过程又重复进行。如此周而复始地进行一个又一个的工作循环，使柴油机连续不断地运转起来，并带动工作机械作功。
3.二冲程柴油机工作原理
如图2-3所示为带有扫气泵的气门气孔式二冲程柴油机工作过程示意图。这种类型的二冲程柴油机无进气门。气缸(气缸套)壁上有一组进气孔3，由活塞的上下运动控制进气孔的开、闭，气缸盖上设有排气门5。空气由扫气泵1提高压力以后，经气缸外部的空气室2和气缸壁上的进气孔3进入气缸，完成进气和扫气过程。燃烧后的废气由气缸盖上的排气门排出。
其工作过程如下：
(1)第一行程
第一行程也称换气-压缩过程。曲轴带动活塞由下止点向上运动，这时进气孔和排气门均打开[如图2-3(a)所示]，新鲜空气由扫气泵以高于大气压力送入气缸中，并把气缸中的残余废气从排气门扫除。这种进、排气同时进行的过程称为“扫气过程”。活塞继续向上运动，当活塞越过进气孔后，进气孔被活塞关闭的同时配气机构也使排气门关闭。于是气缸内的新鲜空气被压缩[如图2-3(b)所示]，一直进行到上止点。
(2)第二行程
第二行程也称膨胀-换气过程。活塞接近上止点时，喷油器开始喷油[如图2-3(c)所示]，被喷油器喷成的雾状柴油与高温压缩空气相遇，便迅速燃烧。由于燃气压力的作用，推动活塞向下止点运动，经连杆带动曲轴旋转而输出动力。当活塞下行至某一时刻时排气门打开[如图2-3(d)所示]，作功后的废气由排气门排出。活塞继续向下运动，随后进气孔打开，新鲜空气被扫气泵再次压入气缸，开始“扫气过程”。活塞一直运动到下止点，完成第二个工作行程。
4.二冲程与四冲程柴油机的比较
与四冲程柴油机比较，二冲程柴油机有以下主要特点：
(1)曲轴每转一周就有一个作功过程，因此，当二冲程柴油机工作容积和转速与四冲程柴油机相同时，在理论上其功率应为四冲程柴油机功率的两倍。但由于结构上的关系，二冲程柴油机废气排除不彻底，并且换气过程减小了有效工作行程。因而在同样的工作容积和曲轴转速下，二冲程柴油机的功率约为四冲程柴油机的1.5~1.7倍。
(2)二冲程柴油机因其曲轴每转一周就有一个作功行程，在相同转速下工作循环次数多，故输出转矩均匀，运转平稳。
(3)大多数二冲程柴油机部分或全部采用气孔换气，配气机构简单。所以，二冲程柴油机结构简单，质量轻，使用维修方便。
(4)换气时间短，并需要借助新鲜空气来清扫废气，换气效果相对较差。
2.1.2 柴油机总体构造
柴油机在工作过程中能输出动力，除了直接将燃料的热能转变为机械能的燃烧室和曲柄连杆机构外，还必须具有相应的机构和系统予以保证，并且这些机构和系统是互相联系和协调工作的。不同类型和用途的柴油机，其机构和系统的形式不同，但其功用基本一致。柴油机主要由机体组件与曲柄连杆机构、配气机构与进排气系统、燃油供给与调速系统、润滑系、冷却系、起动装置等机构和系统组成(如图2-4所示)。
1.机体组件与曲柄连杆机构
机体组件主要包括气缸体、气缸盖和曲轴箱等。它是柴油机各机构系统的装配基体，而且其本身的许多部位又分别是柴油机曲柄连杆机构、配气机构与进排气系统、燃油供给与调速系统、润滑系统和冷却系统的组成部分。例如，气缸盖与活塞顶共同形成燃烧室空间，不少零件、进排气道和油道也布置在它上面。
热能转变为机械能，需要通过曲柄连杆机构来完成。此机构是柴油机的主要运动件，由活塞、连杆、曲轴、飞轮和曲轴箱等组成。在柴油燃烧时，活塞承受气体膨胀的压力，并通过连杆使曲轴旋转，将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动，并对外输出动力。
2.配气机构与进排气系统
配气机构由气门组(进气门、排气门、气门导管、气门座和气门弹簧等)及传动组(挺柱、挺杆、摇臂、摇臂轴、凸轮轴和正时齿轮等)组成，进排气系统是由空气滤清器、进气管、排气管与消声器等组成，配气机构与进排气系统的作用是按一定要求，适时地开启和关闭进、排气门，排出气缸内的废气和吸入新鲜空气，保证柴油机换气过程顺利进行。
3.燃油供给与调速系统
柴油机燃油供给与调速系统的作用是将一定量的柴油，在一定的时间内，以一定的压力喷入燃烧室与空气混合，以便燃烧作功。它主要由柴油箱、输油泵、柴油滤清器、喷油泵(高压油泵)、喷油器、调速器等组成。
4.润滑系统
润滑系统的功用是将润滑油送到柴油机各运动件的摩擦表面，起减摩、冷却、净化、密封和防锈等作用，以减小摩擦阻力和磨损，并带走摩擦产生的热量，从而保证柴油机正常工作。它主要由机油泵、机油滤清器、机油散热器、各种阀门及润滑油道等组成。
5.冷却系统
冷却系统的功用是将柴油机受热零件的热量传出，以保持柴油机在最适宜的温度状态下工作，以获得良好的经济性、动力性和耐久性。冷却系分为水冷和风冷两种。多数柴油机采用水冷系，它是以水作为冷却介质。也有少数柴油机采用风冷系。风冷却方式又称空气冷却方式，它是以空气作冷却介质，将柴油机受热零部件的热量传送出去。这种冷却方式由风扇和导风罩等组成，为了增加散热面积，通常在气缸盖和气缸体上铸有散热片。
6.起动装置
柴油机不能自行起动，必须借助外力才能使之运转着火燃烧，以达到自行运转状态。因此，柴油机设有专用的起动装置。手摇起动的柴油机设有起动爪;马达起动的装有起动电机等。用压缩空气起动的装有压缩空气起动装置等。
图2-4 六缸柴油机纵横剖面图
1-空气滤清器;2-进气管;3-活塞;4-柴油滤清器;5-连杆;6-喷油泵;7-输油泵;8-机油粗滤器;9-机油精滤器;10-凸轮轴;11-挺柱;
12-推杆;13-排气管;14-摇臂;15-喷油器;16-气缸盖;17-气缸盖罩;18-气门;19-水泵;20-风扇;21-机油泵;
22-曲轴;23-油底壳;24-集滤器;25-放油塞;26-飞轮;27-起动齿圈;28-机体;29-气缸套
2.1.3 柴油机的分类
柴油机根据活塞的运动方式可分为往复活塞式和旋转活塞式两种。由于旋转活塞式柴油机还存在不少问题，所以目前尚未得到普遍应用。柴油发电机组、汽车和工程机械多以往复活塞式柴油机为动力。往复活塞式柴油机分类方法如下：
1.按一个工作循环的行程数分类：有四冲程和二冲程两种。发电用柴油机多为四冲程。
2.按冷却方式分类：有水冷式和风冷式两种。发电用柴油机多为水冷式。
3.按进气方式分类：有非增压(自然吸气)式和增压式两种。
4.按气缸数目分类：有单缸、双缸和多缸柴油机。
5.按气缸排列分类：有直列式、V型、卧式和对置式等。如图2-5所示。
图2-5 气缸的布置形式
6.按柴油机转速或活塞平均速度分类：有高速(标定转速高于1000r/min或活塞平均速度高于9m/s)、中速(标定转速为600～1000r/mm或活塞平均速度为6～9m/s)和低速(标定转速低于600r/min或活塞平均速度低于6m/s)柴油机。
7.按用途分类：有发电用、汽车用、工程机械用、拖拉机用、铁路机车用、船舶用、农用、坦克用和摩托车用等柴油机。
2.1.4 柴油机型号编制规则
1.柴油机的型号含义
内燃机的型号由阿拉伯数字、汉语拼音字母或国际通用的英文缩写字母(以下简称字母)组成。为了便于内燃机的生产管理与使用，GB/T725-2008《内燃机产品名称和型号编制规则》对内燃机的产品名称和型号作了统一规定。其型号依次包括四部分，如图2-6所示。
第一部分：由制造商代号或系列符号组成。本部分代号由制造商根据需要选择相应1~3位字母表示。
第二部分：由气缸数、气缸布置型式符号、冲程型式符号和缸径符号组成。气缸数用1~2位数字表示;气缸布置型式符号按表2-1的规定;冲程型式为四冲程时符号省略，二冲程用E表示;缸径符号一般用缸径或缸径/行程数字表示，亦可用发动机排量或功率表示，其单位由制造商自定。
第三部分：由结构特征符号和用途特征符号组成。结构特征符号和用途特征符号分别按表2-2和2-3的规定，柴油机的燃料符号省略(无符号)。
第四部分：区分符号。同系列产品需要区分时，允许制造商选用适当符号表示。第三部分与第四部分可用“-”分隔。
图2-6 柴油机型号表示方法
表2-1 柴油机气缸布置型式符号
表2-2 柴油机结构特征符号
表2-3 柴油机用途特征符号
在编制内燃机的型号时应注意以下几点：
①优先选用表2-1、表2-2和表2-3规定的字母，允许制造商根据需要选用其他字母，但不得与表2-1、表2-2和表2-3中已规定的的字母重复。符号可重叠使用，但应按图2-6中的顺序表示。
②内燃机的型号应力求简明，第二部分规定的符号必须表示，但第一部分、第三部分和第四部分允许制造商根据具体情况增减，同一产品的型号一旦确定，不得随意更改。
③由国外引进的柴油机产品，若保持原结构性能不变，允许保留原产品型号或在原型号基础上进行扩展。经国产化的产品尽量采用图2-6的方法编制。
2.柴油机型号举例
(1)G12V190ZLD——12缸、V形、四冲程、缸径为190mm、冷却液冷却、增压中冷、发电用柴油机(G为系列代号);
(2)R175A——单缸、四冲程、缸径75mm、冷却液冷却、通用型(R为175产品系列代号、A为区分符号)柴油机;
(3)YZ6102Q——六缸、直列、四冲程、缸径102mm、冷却液冷却、车用柴油机(YZ为扬州柴油机厂代号);
(4)8E150C-1——8缸、直列、二冲程、缸径150mm、冷却液冷却、船用主机、右机基本型柴油机(1为区分符号);
(5)12VE230/300ZCZ——12缸、V形、二冲程、缸径230mm、行程300mm、冷却液冷却、增压、船用主机、左机基本型柴油机;
(6)G8300/380ZDZC——8缸、直列、四冲程、缸径300mm、行程380mm、冷却液冷却、增压、可倒转、船用主机右机基本型柴油机(G为产品系列代号);
(7)JC12V26/32ZLC——12缸、V形、四冲程、缸径260mm、行程320mm、冷却液冷却、增压中冷、船用主机、右机基本型柴油机(JC为济南柴油机股份有限公司代号)。
3.柴油机气缸序号
国产柴油机气缸序号根据国家标准GB/T726-1994《往复式内燃机旋转方向、气缸和气缸盖上气门的标志及直列式内燃机左机、右机和发动机方位的定义》进行编制。
(1)柴油机的气缸序号，采用连续顺序号表示。
(2)直立式柴油机气缸序号是从曲轴自由端开始为第一缸，向功率输出端依次序号。
(3)V型内燃机分左右两列，左右列是由功率输出端位置来区分的，气缸序号是从右列自由端处为第一缸，依次向功率输出端编序号，右列排完后，再从左列自由端连续向功率输出端编气缸的序号。
2.1.5 柴油机功率和燃油消耗率的标定及其修正
1.柴油机功率的标定
在柴油机产品铭牌上和使用说明书中，都明确规定了柴油机的有效功率和相应转速。在铭牌上标注的有效功率和相应的转速，称之为标定功率(额定功率)和标定转速(额定转速)，统称为标定工况。柴油机功率的标定是根据柴油机的特性、使用特点、寿命和可靠性要求而综合确定的。目前按国家标准GB1105.1-1987《内燃机台架性能试验方法 标准环境工况及功率、燃油消耗和机油消耗的标定》的规定，柴油机的标定功率分为四种：
(1)15min功率：在标准环境(大气压 =100kPa，相对湿度 =30%，环境温度 =298K或25℃，中冷器冷却介质进口温度 =298K或25℃。)条件下，柴油机允许连续运行15min的标定功率;
(2)1h功率：在标准环境条件下，柴油机允许连续运行1h的标定功率;
(3)12h功率：在标准环境条件下，柴油机允许连续运行12h的标定功率;
(4)持续功率：在标准环境条件下，柴油机允许长期连续运行的标定功率。
15min功率是对车用柴油机而言，如汽车、摩托车和摩托艇等在超车或追击时以最高速进行驶，在15min内允许以满负荷运行。在正常行驶过程中，按柴油机标定功率运转。对车用柴油机，通常以1h功率为标定功率，15min功率作为最大功率，相应的转速为标定转速和最大转速。汽车经常处在低于标定功率下行驶，因此，在一般情况下车用柴油机的标定功率标得比较高，以充分发挥柴油机的工作性能。发电机组用柴油机、船用主机和柴油机车通常以持续功率为标定功率，1h功率为最大功率。发电机组和船舶航行对柴油机的耐久性和可靠性要求很高，使用功率不能标定得太高。使用功率的标定是一项复杂的工作，柴油机的使用功率标定得越高，则其使用寿命越短。目前，产品使用功率的标定是根据用户的要求和产品的性能，由生产厂家自行标定。
2.环境状况对柴油机性能的影响
柴油机所标定的功率都是针对某一特定的环境状况而言的。环境状况是指柴油机运行地点的环境大气压力、温度和相对湿度，它们对柴油机的性能有很大影响。当环境大气压力降低、温度升高和相对湿度增大时，吸入柴油机气缸内的干空气就会减少，柴油机的功率就会降低。反之，柴油机的功率会增加。由于环境状况对柴油机的性能影响很大，因此，在功率标定时，要规定标准环境状况。如果柴油机在非标准状况下工作，其有效功率及燃油消耗率应修正到标准环境状况。
3.柴油机功率和燃油消耗率的修正
(1)柴油机功率的修正
在GB1105.1-1987《内燃机台架性能试验方法标准环境工况及功率、燃油消耗和机油消耗的标定》中规定了柴油机功率修正的两种方法：可调油量法和等油量法。下面详细介绍可调油量法。
可调油量法认为：柴油机功率极限只受过量空气系数 的限制。因此，柴油发动机功率的修正要依据等 的原则。在环境状况改变时，要相应改变供油量，使 保持不变。在此条件下，认为燃烧情况和指示功率不变，指示功率与进入气缸的干空气量和燃油量成正比。然后，考虑环境状况对机械损失的影响，修正有效功率和燃油消耗率。公式中下标带“0”的表示标准环境状况下的数值，不带“0”的为现场环境状况下的实测数值。
(2)柴油机燃油消耗率的修正
