電噴柴油發(fā)電機組在海洋鉆井平臺上的應用

曹士峰 司江舸 程龍 李會通

(中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)分公司，天津300450)

1 引言

柴油發(fā)電機組是海洋鉆井平臺的心臟，發(fā)電機組能否正常工作直接影響到鉆井平臺的正常作業(yè)。新型的電噴柴油發(fā)電機組具備了節(jié)能、環(huán)保、工作狀況穩(wěn)定、各類監(jiān)控、保護等功能強大之特點，不斷服役到海洋鉆井平臺中，其強大的人機交流功能已成為未來發(fā)展趨勢。

2 CAT3500B系列電噴發(fā)動機結(jié)構(gòu)特點

鉆井平臺的柴油發(fā)電機組配置，由新型電噴柴油發(fā)電機組CAT3500B系列代替了服役多年的機械式噴油柴油發(fā)電機組。新型的電噴柴油發(fā)電機組在結(jié)構(gòu)和性能上主要有以下幾點：

(1)采用電子噴射技術(shù)和電子單體泵等先進技術(shù)，具有更低的尾氣排放、較少的白煙產(chǎn)生，同時提高了燃油經(jīng)濟性和功率輸出、診斷和檢測性能等特點。

(2)配有 ADEMII ECM,ECM 提供精確的噴油時間和自診斷功能。

(3)發(fā)動機的缸體材料為灰鑄鐵合金，結(jié)構(gòu)堅固，重量較輕。

(4)凸輪軸承孔徑加大，曲軸軸承接觸面加固，主油道到活塞噴嘴和主軸承設(shè)計改變。

(5)曲軸油封3500B使用液力曲軸油封，在前蓋和飛輪殼處具有唇型設(shè)計，防止機油泄漏。

(6)軸承：主軸承和連桿軸承利用多種材料特性結(jié)合而成，鋼背鋁基，提供足夠強度，軸承表面是鉛錫合金（外層）與銅壓焊而成，提供足夠的耐磨性，延長使用壽命。

(7)活塞：由活塞頭部和裙部兩片構(gòu)成。鋼質(zhì)活塞頭部具有足夠強度，能承受高的負荷，鋁質(zhì)裙部能減輕重量并具有好的散熱性，此類設(shè)計更貼近缸套，減少縫隙，從而降低噪聲。此外，活塞具有較深的燃燒室和較淺的頂部間隙設(shè)計，燃燒效率得到提高，扭矩提高23%，油耗降低5%，并減少了排放。

(8)燃燒室?guī)缀沃行脑O(shè)計：燃燒室成深坑式，此幾何形狀燃燒室與EUI電子單體泵更加匹配；活塞的高度增加，提高了第一道環(huán)的位置。因而得到更大的壓縮，提高了燃燒室的氣流，更易霧化，減少空氣浪費，優(yōu)化發(fā)動機性能。

(9)連桿：連桿材料采用鍛鋼，具有楔形結(jié)構(gòu)，以保證連桿和活塞在高負荷區(qū)域具有足夠強度，四顆連桿螺栓緊固連桿軸承，連桿軸承尺寸和強度都得以增加。

(10)缸套：可更換的濕式缸套，與活塞環(huán)和活塞配合精度高，內(nèi)表面高頻沾火處理，提高耐磨性，表面紋理油控功能，缸套上下端都有密封圈。

(11)凸輪軸：3500B系列的凸輪軸比3500 A系列的熱處理滲碳鋼的凸輪軸直徑加大6 mm～98 mm的軸徑，使凸輪軸能承受更大的噴油壓力和縮短噴油時間。同時，噴油器凸輪的型線改變，噴油持續(xù)時間減少10～20%。每缸有三個凸輪，一個是噴油器凸輪，兩個是氣門凸輪，左側(cè)凸輪軸安裝有正時齒輪。

3 3500B系列電噴發(fā)電機組控制邏輯

ECM接受從傳感器傳來的所有信號，經(jīng)與個性模塊中的空燃比特性圖、扭矩特性圖等內(nèi)部設(shè)置的判斷、比較、處理后，通過燃油噴射系統(tǒng)中的噴油器電磁閥來控制正時和柴油機速度等。

3.1 電子控制模塊(ECM)

ECM是柴油機的內(nèi)部存儲和處理系統(tǒng)，其功能相當于電子調(diào)速器和燃油系統(tǒng)計算機，它接受來自柴油機的各項性能數(shù)據(jù)，并與其內(nèi)部的個性模塊中設(shè)定的參數(shù)在內(nèi)部進行判斷和比較，從而實現(xiàn)對柴油機的正時、燃油量、速度(電子調(diào)速)、冷態(tài)模式、正時標定等控制。

個性模塊包括軟件、控制圖、定義燃油、正時等，它是ECM執(zhí)行各項控制的依據(jù)。燃油正時的定義是基于在不同操作狀態(tài)下獲得最佳柴油機性能和耗油量。不同柴油機的個性模塊的設(shè)定不同。

3.2 電控單體式噴油器

電控單體式噴油器都沒有機械式供油量調(diào)節(jié)齒條，噴油量和噴油定時都有 ECM 根據(jù)各傳感器輸入的信號和轉(zhuǎn)速傳感器信號進行控制。ECM將電壓信號或者PWM信號發(fā)送到噴油器，并持續(xù)一定曲軸轉(zhuǎn)角。在一定轉(zhuǎn)速下，電磁閥的激勵時間越長，噴油量越多；相反，PWM 信號的持續(xù)時間越短，噴入燃燒室的燃油就越少。電控單體式噴油器電磁閥進行開啟、關(guān)閉的循環(huán)工作，保證了柴油機的燃燒室有充足的燃油供應。

3.3 速度／正時傳感器

速度／正時傳感器安裝在柴油機正時齒輪上，進行柴油機轉(zhuǎn)度測量、正時測量、氣缸和上死點位置識別。數(shù)據(jù)通過電信號適時傳給ECM。

3.4 其它類傳感器

用以接受來自柴油機內(nèi)部各類信號及外界環(huán)境信號，傳遞給ECM進行內(nèi)部比較判斷，實現(xiàn)對柴油機性能的控制。包括：機油壓力、溫度傳感器，燃油壓力、濕度傳感器，進氣壓力傳感器，大氣壓力傳感器等。這些傳感器和速度／正時傳感器一起構(gòu)成了ECM控制所需的各類信息。

4 電噴發(fā)電機組ECM工作原理

4.1 正時標定和正時控制

圖1 機構(gòu)組圖

圖2 ECM控制邏輯流程圖

在柴油機后端部安裝一個正時齒輪，正時齒輪用一個鉆孔作為對準標記與凸輪軸上的定位銷相配。此定位銷使正時輪定位于凸輪軸上相對于曲軸的正確的位置。速度／正時傳感器用正時輪作為一個正時參考點，正時標定通過修正曲軸、正時齒輪系和正時輪之間的任何微小公差來提高燃油噴射的精度。速度／正時傳感器識別出信號后，傳遞給ECM，通過ECM內(nèi)部計算比對，確定柴油機位置供噴油正時。齒與傳感器產(chǎn)生一個脈沖寬度調(diào)節(jié)PWM信號為正時之用，同時信號的頻率調(diào)節(jié)輸出供速度測量之用。

4.2 燃油系統(tǒng)電子控制

機械作動電子控制單體噴油系統(tǒng)提供噴油正時的全面控制。噴油正時是各種柴油機運行狀態(tài)(增壓、速度、負荷、溫度等)的函數(shù)，不斷變化的正時可以優(yōu)化柴油機的性能，但是噴射壓力相對于柴油機速度呈線性變化。柴油機速度由調(diào)整噴射持續(xù)時間來控制。單體噴油器的電磁閥通電導致噴射開始，斷電導致噴油結(jié)束。每一個噴油器上的電磁閥控制該噴油器的噴油量。ECM監(jiān)視每一個傳感器開關(guān)的狀況，并向每一個噴油器電磁閥提供信號來達到控制柴油機的目的。燃油起噴時間和噴油量是由ECM通過噴油器電磁閥開啟和關(guān)閉芯閥決定的。

4.3 燃油量控制

ECM通過改變傳送到噴油器的信號來控制噴油正時和噴油持續(xù)時間(噴油量)。噴油器只在噴油器電磁閥通電后才噴油，在未通電時燃油通過噴油器上的溢流閥流入低壓油系統(tǒng)，返回燃油箱內(nèi)。ECM通過接受各種傳感器提供的柴油機轉(zhuǎn)速、負荷、油門位置信號、增壓壓力信號以及空燃比控制和扭矩控制和其它運行狀況等信號，并在內(nèi)部進行判斷、處理后，決定是否向噴油器電磁閥傳送105 V直流電。當噴油器電磁閥通電后，電磁閥開啟，噴油器噴出的高壓燃油流向氣缸。電磁閥失電時，電磁閥關(guān)閉，噴油器噴出的燃油停止向氣缸噴射，從而完成進入氣缸燃油量的控制。

4.4 速度控制

ECM通過控制噴油器的供油量來調(diào)節(jié)柴油機速度。ECM一方面接受來自油門位置傳感器和實際柴油機轉(zhuǎn)速的信號并進行計算，同時接受來自冷卻液溫度、機油溫度、實際柴油機轉(zhuǎn)速等相關(guān)傳感器輸出的信號并進行計算處理，來確定柴油機的預定速度。實際柴油機速度和一缸上止點由速度正時傳感器和正時齒輪確定的。ECM把實際速度／正時讀數(shù)與預定速度，正時讀數(shù)相比較，計算出柴油機在各種工況下所需的燃油量及噴油提前角，然后向噴油器發(fā)出指令，控制噴油器的噴油量和開啟時間以獲得最佳空燃比，來保持柴油機轉(zhuǎn)速達到預定的要求。

圖3 3512B發(fā)電機燃油控制系統(tǒng)

4.5 冷態(tài)模式控制

ECM在冷態(tài)模式操作時通過限制柴油機功率和改變柴油機正時來提高其穩(wěn)定性，減少熱車時間和降低白煙。只要柴油機溫度低于某一預定值，冷態(tài)模式將被啟動，而且保持柴油機溫度某一預定值。

4.6 空燃比的控制

ECM內(nèi)有噴油量限制?？杖急瓤刂迫加臀恢檬菫槊盁熆刂颇康亩O(shè)置，基于最大允許空燃比而定的極限值。當ECM感覺到增壓壓力升高時，空燃比控制燃油位置極限值就會增大，允許更多的燃油進入氣缸。

4.7 故障自動診斷及記憶功能

柴油機工作時，柴油機的實際性能參數(shù)與ECM內(nèi)部設(shè)定值進行比較判斷，在故障工況下，機車或柴油機上設(shè)定的報警裝置將會自動作用。同時，可用專用的ET工具及筆記本電腦通過診斷接口對故障碼進行讀取，快捷地判斷故障情況和相關(guān)部位，并可對ECM內(nèi)部報警參數(shù)進行調(diào)整。對于間發(fā)故障，ECM存儲器還可對其進行記錄和存儲，隨時了解柴油機的質(zhì)量狀況。

4.8 先進的安全保護裝置

通過對ECM內(nèi)部設(shè)置，完成了對柴油機相關(guān)參數(shù)的實時檢測。主要包括：低油壓、高水溫、排氣溫度高、增壓高和增壓低等相關(guān)參數(shù)。當某一特定參數(shù)超過允許值時，ECM將啟動保護措施，分別做出報警、降低柴油機功率、停機等保護動作。

5 小結(jié)

電噴柴油發(fā)電機組是環(huán)境保護及性能提高必然發(fā)展的結(jié)果。隨著柴油發(fā)電機組的廣泛使用，對環(huán)境影響也越來越大，為了更好地利用燃料的能量，而同時對環(huán)境的有害影響要盡可能減小，依靠原始的機械式噴油系統(tǒng)就比較困難，盡管機械式控制系統(tǒng)不斷完善，但噴油量和噴射定時要實現(xiàn)完全按最佳運轉(zhuǎn)工況的要求，則難于實現(xiàn)，因此，電噴柴油發(fā)電機組具有很大的發(fā)展前景。

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