190系列柴油機(jī)電控應(yīng)用分析

雷先革，李新，項(xiàng)鯤鵬，王寶忠，梁昌偉，王金廣

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司，天津 300457；2.中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

近年來(lái)，按照強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第三、四階段)》的要求，石油鉆探用190系列柴油機(jī)排氣污染物排放需達(dá)到第三階段要求；另外，鉆探企業(yè)為了提速降本，采用了高泵壓、大流量的泥漿泵，需要更大功率，更為可靠的柴油機(jī)，因此，研發(fā)一種滿足國(guó)Ⅲ排放、適應(yīng)井隊(duì)提速降本要求的柴油機(jī)成為一種必然的趨勢(shì)。本文主要針對(duì)鉆井用190系列柴油機(jī)進(jìn)行分析，如何在保證通用性的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)以便適應(yīng)現(xiàn)階段的使用要求。

1 190系列柴油機(jī)電控應(yīng)用技術(shù)分析

190系列柴油機(jī)應(yīng)用于油田鉆井已55個(gè)春秋，保有量近萬(wàn)臺(tái)，對(duì)190系列柴油機(jī)排放的改進(jìn)需既要滿足國(guó)Ⅲ排放要求，又要降低改進(jìn)成本、提升性能，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有190柴油機(jī)的通用性、可替換性。通過(guò)對(duì)改善柴油機(jī)排放措施的分析，結(jié)合降低改進(jìn)成本、通用性、可替代性及目前190系列柴油機(jī)現(xiàn)有情況，選擇了改進(jìn)燃油供給系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)等，保留了原190柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)。

1.1 燃油供給系統(tǒng)

柴油機(jī)電控技術(shù)是為了使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更好的排放指標(biāo)、動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，其核心就是高壓燃油的電控噴射，即通過(guò)檢測(cè)柴油機(jī)的各種信號(hào)，對(duì)柴油機(jī)的燃油噴射量和噴油提前角及噴射壓力進(jìn)行控制，使柴油機(jī)在人們所希望的最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

電控燃油供給系統(tǒng)主流有兩種方式，一種是采用共軌系統(tǒng)，一種是采用電控單體組合泵。共軌系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于驅(qū)動(dòng)扭矩小、低噪音、噴射穩(wěn)定性和靈活的噴射過(guò)程控制；不足之處是匹配標(biāo)定周期長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多，油品適應(yīng)性差。而電控單體組合泵的最大優(yōu)勢(shì)在于先緩后急的噴油規(guī)律利于降低NOx排放，適用于傳統(tǒng)機(jī)械式噴油器，油品適應(yīng)性強(qiáng)，技術(shù)換代成本低；不足之處在于噴射靈活性和低速噴油穩(wěn)定性不如共軌系統(tǒng)；低速噪音沒(méi)有明顯改善、驅(qū)動(dòng)扭矩大。

原190系列柴油機(jī)的燃油供給系統(tǒng)是機(jī)械控制的，依靠機(jī)械傳動(dòng)控制供油時(shí)間、噴油量、供油壓力，其偶件與各運(yùn)動(dòng)件配合表面會(huì)產(chǎn)生磨損，各調(diào)節(jié)位置有可能產(chǎn)生位移、變形、破壞原來(lái)的工作狀態(tài)，這勢(shì)必會(huì)造成誤差，影響柴油機(jī)排放及性能，導(dǎo)致柴油機(jī)不能在最佳狀態(tài)下工作。

通過(guò)對(duì)比分析，190系列柴油機(jī)選用了第二種燃油供給系統(tǒng)，其核心部件采用了由ECU控制的電控單體組合泵。

電控單體組合泵由四大部分組成，控制器（ECU）、執(zhí)行器、傳感器、線束。

控制器（ECU）主要是控制電控單體泵供油開(kāi)啟時(shí)刻及開(kāi)啟時(shí)間，替代原調(diào)速裝置控制柴油機(jī)加減油量等。

執(zhí)行器主要包括電控單體組合泵及噴油器等，其主要功能是執(zhí)行ECU的命令，控制燃油的噴射。

傳感器主要包括轉(zhuǎn)速傳感器、油溫及油壓傳感器，進(jìn)氣溫度及壓力傳感器、排氣溫度傳感器等，把這些信號(hào)通過(guò)線束傳輸給ECU和監(jiān)控儀。

線束是信號(hào)的傳輸通路，其可靠性直接關(guān)系到電控燃油供給系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

電控單體組合泵是用EUP（電控單體泵）替代原來(lái)的供油部件，用各類傳感器替代原來(lái)的機(jī)械控制，ECU對(duì)傳感器的信號(hào)分析，通過(guò)電磁閥對(duì)轉(zhuǎn)速、油量、噴油正時(shí)等進(jìn)行控制。

電控單體組合泵具有190柴油機(jī)噴油泵的外形，但大腦是電控的，這是解決電控柴油機(jī)排放及性能提升的核心部件。

1.2 進(jìn)氣系統(tǒng)

柴油機(jī)排放的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是柴油和空氣混合比例合適，燃燒完全，因此，結(jié)合電控單體泵的噴油特性，對(duì)原190柴油機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)。從新計(jì)算增壓器的流量及壓比，選擇了效率更高的增壓器，使工作循環(huán)溫度降低，排溫控制在400度左右，從而降低NOX的生成；另外，從新選擇了與增壓器匹配的中冷器，使參與燃燒的空氣溫度降低，進(jìn)一步抑制了NOX的生成。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控裝置

原190系列柴油機(jī)采用的是機(jī)械儀表監(jiān)控裝置，僅能粗略顯示油溫、水溫等，改進(jìn)后的190系列電控柴油機(jī)采用電子顯示，能精確顯示柴油機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。原190柴油機(jī)只能根據(jù)排煙、油水溫度等判斷柴油機(jī)的功率，而改進(jìn)后增加了功率顯示，用戶能根據(jù)實(shí)際需求，合理調(diào)配柴油機(jī)的使用，提高了柴油機(jī)的使用率。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2018年8月3臺(tái)190系列電控柴油機(jī)在渤海鉆探50524井隊(duì)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，至2019年12月結(jié)束，經(jīng)歷了春夏秋冬的考驗(yàn)，單臺(tái)運(yùn)行時(shí)間超5000小時(shí)。井隊(duì)操作人員表示電控柴油機(jī)的動(dòng)力有了顯著提高，1300轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率由810kW提升至900kW，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行最大達(dá)到了950kW，鉆井深度4000米左右，兩臺(tái)機(jī)組也能滿足運(yùn)行要求；現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中看不到排煙，排放明顯改善。

3 結(jié)語(yǔ)

190系列柴油機(jī)的電控化，適應(yīng)了現(xiàn)階段的排放要求，滿足了鉆井用發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提升及通用性，為石油鉆探提供了可靠的動(dòng)力保障。