1 概述
以燃烧油料（汽油或柴油）的内燃机为动力，驱动发电机发电的技术，已有近百年的历史。随着社会经济及科学技术的发展，虽然以核能、燃煤、水力为能源的大型电站及其电力网的建设与普及日益完善。然而仍有一些电力网还未能到达或电力供给不太可靠的地区，需要用油机发电机组为生活和设备提供电能。这就使它们以其自成一体，移动、使用方便，发出与市电性质一样的电能，直接带动负荷、操作简单等特点成为电力网的得力配角。
油机和发电机技术经过不断地采用新技术，使其自身更加趋于完善和成熟。机组的输出功率从0.5kVA到2500kVA，形成了系列化的产品，可满足各方面的需要。通常以燃烧汽油的内燃机为动力的发电机组称为“汽油发电机组”。由于汽油内燃机的特点，使其适合组成的功率从0.5kVA到20kVA，输出电压以单相220V为主的发电机组。而以燃烧柴油的内燃机为动力构成的“柴油发电机组”，以其特点可以组成功率30kVA至2500kVA，输出电压为三相380V的中、大型机组，作为后备电源，大都采用的是它们。
我国正向信息化社会迈进，信息设备对供电电源提出了很高的要求。UPS与柴油发电机组以它们各自的特点，相辅相成地构成不间断供电系统应运而生，并且得到广泛地应用。这也使柴油发电机组从传统的应用范畴走向一个新的广阔领域。
发展低碳经济，励行节能减排。对柴油发电机组制造领域尤为重要，需要做的事还很多。就柴油发动机而言，使单位油耗转换成更大的动能、再减少排出废气中有害物质的含量、继续降低发动机的噪声，是其改进的重点。经过不断地研发和实践，进气增压、中冷技术、共轨式燃油喷射系统、电子调速、电子控制等先进成果被广泛采用。再加之高精度智能化加工中心已成为制造过程的主体。现代柴油发动机的机械效率可达87%左右。满负荷下油耗低到191～199g/kW.h，排出废气中有害物质含量大为减少，例如NO氧化氮类，每立方米小于2克，符合欧Ⅲ排放标准。同等功率的中、大型柴油发动机的运行噪声也比从前降低了5～6dB。
发展和创新理念也深入到柴油发电机组的技术领域。现在已有燃汽轮机发电机组和燃烧天然气的内燃机发电机组，可输出10kV高电压的发电机组也已形成产品。从部件到整机，新的探索及成果还在不断涌现。
2 柴油机的工作原理
柴油发电机组是由作为动力的柴油机（也称柴油内燃机、柴油发动机）和将机械能转换为电能的发电机（俗称电球）组装在一个底座上构成的。柴油机将燃烧柴油产生的热能转为机械能是柴油发电机组的基础。
2.1 柴油机的基本结构
柴油机的基本结构如图1所示：有气缸、活塞、连杆、曲轴、飞轮。
气缸的顶部有喷油嘴、进气门和排气门，底部与储存着润滑油的油底壳相连接。
活塞是个圆柱体，它紧靠着气缸内壁。活塞上还装有防止漏气的活塞环和刮去飞溅在缸壁上的机油的刮油环。活塞在燃油爆燃时产生的高温高压气体推动下，沿着气缸壁向下运动。
连杆是上与活塞、下与曲轴活动连接的一个零件，其作用是将活塞受到的压力传给曲轴。由于连杆的长度是一定的。所以当活塞运动到气缸最下端时，它通过连杆也将曲轴推到了最下端，此时活塞的位置称作下止点。同理，当曲轴运动到垂直方向的高点时，它通过连杆也将活塞推到了高点，此时活塞的位置称为上止点。活塞在上、下止点间每运动一次，叫做一个“工作冲程”。
曲轴，顾名思义就是有许多弯曲的一根轴，有几个气缸就对应着几个弯曲。曲轴是将活塞沿气缸壁往复上下运动变为曲轴的旋转运动并输出机械能的重要部件，也是柴油机中最精密的部件之一。
飞轮安装在曲轴的一端，如图2所示。曲轴带动它旋转，而它旋转产生的惯性力又通过曲轴推动活塞运动。对于柴油发电机组而言，飞轮壳还与发电机的前端盖的轴向采用凸肩定位直接连接构成一体，并采用圆柱型的弹性联轴器由飞轮直接驱动发电机旋转。
2.2 工作原理
柴油机是靠柴油雾气的燃烧产生高温高压气体推动活塞向下运动而产生机械能的。因此，只有柴油雾气有规律的间歇燃烧，才能使柴油机不停地运动，其规律如图3所示。
（1）吸入新鲜空气——进气冲程
由于飞轮的惯性运动，通过曲轴、连杆将活塞推至上止点时，进气门打开，飞轮带动活塞继续向下运动，则气缸内空间逐渐扩大，缸内的气压低于大气压68～93kPa（一个大气压约101kPa），缸外的新鲜空气吸入缸内，活塞向下到下止点时进气门关闭，缸内吸满新鲜（含氧量多）空气，如图3（a）所示。
（2）压缩空气——压缩冲程
惯性运动的飞轮将处于下止点的活塞再次向上推动。由于气门关闭，气缸内的新鲜空气被压缩，温度随即上升。
当活塞快到上止点时，空气温度可达到500～700℃，压力达到3000～5000kPa，如图3（b）所示。
（3）膨胀——作功冲程
空气达到了高温高压程度后，喷油嘴开启，将柴油雾气喷入缸内，并立即自燃，空气骤然膨胀，气缸内压力上升到6000～9000kPa，温度达到1800～2200℃。在高温、高压气体的推动下活塞向下运动，并驱动曲轴旋转而作功，直到下止点，如图3（c）所示。
这里顺便指出的是：汽油机是在活塞快到上止点时喷入汽油雾气，然后靠电火花塞产生的电火花而点燃的。柴油机不用火花塞而是靠自燃，这是柴油机与汽油机的重要区别。
（4）排气——排气冲程
作功冲程结束后，缸内的气体压力下降到294～392kPa，温度也降到800～900℃，在飞轮的旋转惯性作用下，活塞从下止点向上运动，此时排气门打开，将作功后的气体排出气缸内。当活塞运动到上止点时排气门关闭。在飞轮惯性的驱动下，活塞继续向下运动，此时进气门打开，又重复进行新一次循环，如图3（d）所示。
这四个热力工作过程称为一个工作循环，每个工作过程又叫做一个冲程。柴油机正是按照这个循环工作的，所以叫做四冲程柴油机。
以柴油机为动力的车辆或机械根据其设计负荷量，通常安装1个至20个气缸，这些缸呈一行或平行两行排列。垂直排列的称为直列式，以V型排列的称为“V型排列式”。
2.3 工作保障系统
要想使柴油机每个冲程工作都很好，整机都处于低损耗、高效率、高可靠的工作状态，必须建立必要的供油、供气、散热、排气、润滑等保障系统。
（1）燃油供给系统
由油管将燃油箱、输油泵、燃油滤清器（粗滤和细滤）、喷油泵、喷油器、溢流阀等部件组成一个闭合循环供油系统，如图4所示。
在这里，柴油先被输油泵从油箱抽出，经过粗滤去除油中的杂质后到达精滤器，再次滤除油中的细小杂质、气泡。然后进入由喷油泵、燃油轨或燃油集合管、喷油器及电子调速器构成的燃油喷射系统。燃油被加压、计量、定时和控制，再经喷油嘴以雾化的柴油气喷入气缸。剩余的燃油则经溢流阀流回油箱。
燃油喷射系统最重要的作用是保证喷油器正时、定量地将柴油雾化气喷射到气缸中。柴油机能否精确地调速，燃油能否充分燃烧，整机效率如何全靠它的调控。所以燃油喷射系统是柴油机的控制中心或心脏。以电子调速器为核心的燃油喷射系统即电喷技术，其特点是将精滤以后的燃油经喷油泵加压后送入燃油集合管或燃油轨，而所有气缸的喷油嘴均由它们统一供油，喷油器的喷嘴是由电子调速器控制的电磁阀。柴油机工作时，燃油油温、油压、转速等实时参数，被电子传感器采集并输入电子调速器进行分析处理。然后它以最佳的程序控制喷油泵转速以调节集合管或油轨内燃油的压力、供给量，同时以最佳的时间开启喷油器电磁阀，并控制其雾化喷油量。从而使燃油在气缸内得以充分地燃烧，发出大功率，并减少了排放气体中有害物质的含量。
（2） 供气机构
柴油机的供气机构有进气和排气两个部分。柴油机正常工作必须有充足的新鲜空气（含氧量多）供给气缸使燃油充分燃烧。燃烧后气缸内的废气必须及时排出机外，这也称为柴油机的呼吸。
柴油机输出功率的大小，取决于进入气缸的燃油雾气和空气的数量及热能的有效利用率。因此增加进入气缸的空气密度，就会提高柴油机的输出功率。然而，空气的密度与压力成正比，与温度成反比。所以就采用增加进气压力，降低进气温度的办法提高进气密度。现代常用的增压进气机构如图5所示。
空气经过滤清器去除其中的灰尘，然后经过利用排出废气推动的涡轮增压器被增压，再通过冷却器降温，有一定压力和被降温的新鲜空气经过气缸上盖的进气门就可以更多地压入气缸。从而增加了进入气缸内的空气密度（提高含氧量）。这样可使柴油机的输出功率提高30%～100%以上。
柴油机的排气机构是由气缸上盖的排气门开始的。燃烧后的废气从气缸穿过排气门冲出，其温度为500～600℃，利用它的巨大能量推动涡轮增压器，既可对进气加压又可降低废气的温度和压力，可谓一举两得。剩余的废气经过消声器排出。
（3）冷却机构
气缸工作过程中，其外壁温度很高，活塞、气缸盖、气门等部件长期处于高温下连续工作，因此必须采取降温措施。使其保持在65～85℃适宜温度环境中。散热降温的方式通常有风冷和循环水冷。
风冷方式简单，就是用风扇吹气缸及周围部件达到散热降温的效果。适用于小型柴油机。
水冷方式较复杂，如图6所示，当柴油机工作时，循环水泵将散热水箱及管路内的冷却水流动起来，流动的水经过机油冷却器、气缸外壁、上盖等部位的管路将热量带走。热水流动到散热水箱时经过许多散热细管，这些细管后面是吹风扇，细管内的热水被吹风降温，然后又循环去降低气缸的温度。
（4）润滑系统
柴油机工作过程中，各运动零件之间表面相互磨擦，产生大量的损耗，降低整机的效率和使用期限。因此必须加以润滑，使其相对运动零件表面覆盖一层润滑油（俗称机油）以减小磨擦损耗。
柴油机的一般润滑油路如图7所示。
机油储存在柴油机底部的油底壳内，既可散热，又可沉淀滤除一些铁粉。机油泵可将机油抽出并且加压，机油一部分经过离心式精滤器过滤后流回油底壳，另一路被刮片式粗滤器过滤后进入机油冷却器降温，然后经管路去润滑曲轴、连杆、活塞、气门机构等，剩余的机油再经管路流回油底壳。
（5）启动装置
柴油机由静止变为运转必须依靠外力帮助，所以启动方式有人力启动、电动机启动、辅助小汽油机启动、压缩空气启动等多种方式。
人力启动常用于农业机械，例如手扶拖拉机。辅助小汽油机启动常用于大型拖拉机、坦克等。压缩空气启动方式常用于大型柴油机，用压缩空气驱动气动马达带动曲轴转动。
电机启动方式是常用的，柴油机带有蓄电池组（一般常用24V）供给启动电动机工作。启动电动机的轴端装有离合机构，它通过齿轮与柴油机的曲轴飞轮的外齿圈相啮合。开机时，启动电动机接通蓄电池而转动。从而带动柴油机曲轴旋转，当柴油机着火工作起来以后，启动电动机的离合机构自动与飞轮脱开，启动电动机也停止工作。柴油机工作起来以后还附带着小发电机给蓄电池充电。
2.4 柴油机总成
柴油机的机体即气缸体是整体铸造而成的，上部是气缸，活塞就安装在里面。下部是支撑曲轴的曲轴箱，曲轴及连杆机构安装于此。气缸体的底座（又称油底壳）是可与气缸体分离的壳体，它的主要作用是存储润滑油（俗称机油）。气缸体上部连接的是气缸盖，它的作用除了密封住气缸外，还安装有进气门、排气门和喷油嘴。燃油供给喷射系统，供排气机构、冷却机构、润滑系统和启动装置，按它们适宜工作的位置被巧妙地设置在气缸体周围。为整机处于良好的工作状况提供了必要的保障。从而使柴油机得以将柴油雾气燃烧产生的热能高效地，可靠地转化为曲轴旋转的机械能。
图8为柴油机总体图。
图中：
010起重或装卸用的临时支架
020传动齿轮 030活塞曲轴连杆
040汽缸盖 050阀门凸轮
070高压油路 080低压油路
100涡轮增压机 110冷却水循环管
120空气滤清器及进气管 140排烟管
170启动电机 180润滑油冷却器
200冷却器 220增压空气冷却循环管
230机组支撑固定 250强制或自动停车控制
500电子调速器
这是一台实体柴油机的剖视图。
（1） 柴油机的基本结构
①010是柴油机的气缸体，上面有装卸用的临时安装的支架。它的下面就是气缸体的底座，用来装润滑油，所以也称油底壳。此机每边有8个气缸，共16缸，呈V型排列。
②工作部分：020传动齿轮带动050凸轮连杆驱动阀门、进、排气门动作。040气缸上盖有喷油嘴和进、排气门。030是活塞和连杆与曲轴的传动连接。250为强制或自动停车控制装置。
（2）工作保障系统
①燃油供给系统：080是燃油供给系统的低压油路[燃油箱、输油泵、燃油滤清器（粗滤和细滤）]和070高压油路（喷油泵、燃油集合管或燃油轨及电控喷油器）。500电子调速器是重要的智能调控部件。有了它，柴油机不仅在节油减排方面表现突出，而且具有优良的调速性能。
②供气机构：新鲜空气从120空气滤清器及进气管被吸入，经100涡轮增压机加压后，再去由200冷却器和220增压空气冷却循环管组成的中间冷却系统降温，然后进入气缸。这可将柴油机的输出功率提高30%～100%以上。废气由140排烟管排出。
③冷却机构：由110冷却水循环管、180润滑油冷却器、200冷却器、220增压空气冷却循环管连通而成。它们和柴油机前面的散热水箱、水泵组成冷却液的循环系统。
④柴油机最下面的长方形的油箱（也称油底壳）与气缸体相连，里面装满润滑油（俗称机油），机油泵抽出的润滑油经过粗滤后进入180润滑油冷却器降温，然后进入各润滑部件。
⑤170是启动电机，它带动曲轴飞轮转动来启动柴油机。
2.5 常用柴油机的性能参数
有效功率Ne：指柴油发动机曲轴输出的功率，用W或kW作计量单位。
有效燃料消耗率ge：简称有效油耗率。表示柴油机在1h内发出每千瓦有效功率所消耗的燃油量，用g/kW.h单位计量。柴油机一般为：220～285g/kW.h.
机械效率ηm：指明单位工作时间内，柴油在气缸内燃烧产生的能量对活塞做的有用功，有多少转换为曲轴输出的有效功率。柴油机的机械效率ηm一般在70%～85%之间。
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