電噴柴油發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

(中海油能源發展股份有限公司監督監理技術分公司，天津300450)

1 引言

柴油發電機組是海洋鉆井平臺的心臟，發電機組能否正常工作直接影響到鉆井平臺的正常作業。新型的電噴柴油發電機組具備了節能、環保、工作狀況穩定、各類監控、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展趨勢。

2 CAT3500B系列電噴發動機結構特點

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

(1)采用電子噴射技術和電子單體泵等先進技術，具有更低的尾氣排放、較少的白煙產生，同時提高了燃油經濟性和功率輸出、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)發動機的缸體材料為灰鑄鐵合金，結構堅固，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成。鋼質活塞頭部具有足夠強度，能承受高的負荷，鋁質裙部能減輕重量并具有好的散熱性，此類設計更貼近缸套，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)燃燒室幾何中心設計：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，優化發動機性能。

(9)連桿：連桿材料采用鍛鋼，具有楔形結構，以保證連桿和活塞在高負荷區域具有足夠強度，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，與活塞環和活塞配合精度高，內表面高頻沾火處理，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，左側凸輪軸安裝有正時齒輪。

3 3500B系列電噴發電機組控制邏輯

ECM接受從傳感器傳來的所有信號，經與個性模塊中的空燃比特性圖、扭矩特性圖等內部設置的判斷、比較、處理后，通過燃油噴射系統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是柴油機的內部存儲和處理系統，其功能相當于電子調速器和燃油系統計算機，它接受來自柴油機的各項性能數據，并與其內部的個性模塊中設定的參數在內部進行判斷和比較，從而實現對柴油機的正時、燃油量、速度(電子調速)、冷態模式、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執行各項控制的依據。燃油正時的定義是基于在不同操作狀態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節齒條，噴油量和噴油定時都有 ECM 根據各傳感器輸入的信號和轉速傳感器信號進行控制。ECM將電壓信號或者PWM信號發送到噴油器，并持續一定曲軸轉角。在一定轉速下，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、關閉的循環工作，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，進行柴油機轉度測量、正時測量、氣缸和上死點位置識別。數據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部各類信號及外界環境信號，傳遞給ECM進行內部比較判斷，實現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／正時傳感器一起構成了ECM控制所需的各類信息。

4 電噴發電機組ECM工作原理

4.1 正時標定和正時控制

圖1 機構組圖

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內部計算比對，確定柴油機位置供噴油正時。齒與傳感器產生一個脈沖寬度調節PWM信號為正時之用，同時信號的頻率調節輸出供速度測量之用。

4.2 燃油系統電子控制

機械作動電子控制單體噴油系統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(增壓、速度、負荷、溫度等)的函數，不斷變化的正時可以優化柴油機的性能，但是噴射壓力相對于柴油機速度呈線性變化。柴油機速度由調整噴射持續時間來控制。單體噴油器的電磁閥通電導致噴射開始，斷電導致噴油結束。每一個噴油器上的電磁閥控制該噴油器的噴油量。ECM監視每一個傳感器開關的狀況，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，返回燃油箱內。ECM通過接受各種傳感器提供的柴油機轉速、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節柴油機速度。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、實際柴油機轉速等相關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／正時讀數與預定速度，正時讀數相比較，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，來保持柴油機轉速達到預定的要求。

圖3 3512B發電機燃油控制系統

4.5 冷態模式控制

ECM在冷態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內有噴油量限制。空燃比控制燃油位置是為冒煙控制目的而設置，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與ECM內部設定值進行比較判斷，在故障工況下，機車或柴油機上設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部位，并可對ECM內部報警參數進行調整。對于間發故障，ECM存儲器還可對其進行記錄和存儲，隨時了解柴油機的質量狀況。

4.8 先進的安全保護裝置

通過對ECM內部設置，完成了對柴油機相關參數的實時檢測。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參數。當某一特定參數超過允許值時，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

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

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