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

2 CAT3500B系列電噴發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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

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

(2)配有 ADEMII ECM,ECM 提供精確的噴油時(shí)間和自診斷功能。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體材料為灰鑄鐵合金，結(jié)構(gòu)堅(jiān)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(jì)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(jì)，防止機(jī)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(qiáng)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(zhǎng)使用壽命。

(7)活塞：由活塞頭部和裙部?jī)善瑯?gòu)成。鋼質(zhì)活塞頭部具有足夠強(qiáng)度，能承受高的負(fù)荷，鋁質(zhì)裙部能減輕重量并具有好的散熱性，此類設(shè)計(jì)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(jì)，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(jì)：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(fèi)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷區(qū)域具有足夠強(qiáng)度，四顆連桿螺栓緊固連桿軸承，連桿軸承尺寸和強(qiáng)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(shí)間。同時(shí)，噴油器凸輪的型線改變，噴油持續(xù)時(shí)間減少10～20%。每缸有三個(gè)凸輪，一個(gè)是噴油器凸輪，兩個(gè)是氣門凸輪，左側(cè)凸輪軸安裝有正時(shí)齒輪。

3 3500B系列電噴發(fā)電機(jī)組控制邏輯

ECM接受從傳感器傳來的所有信號(hào)，經(jīng)與個(gè)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(shí)和柴油機(jī)速度等。

3.1 電子控制模塊(ECM)

ECM是柴油機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)和處理系統(tǒng)，其功能相當(dāng)于電子調(diào)速器和燃油系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，它接受來自柴油機(jī)的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，并與其內(nèi)部的個(gè)性模塊中設(shè)定的參數(shù)在內(nèi)部進(jìn)行判斷和比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的正時(shí)、燃油量、速度(電子調(diào)速)、冷態(tài)模式、正時(shí)標(biāo)定等控制。

個(gè)性模塊包括軟件、控制圖、定義燃油、正時(shí)等，它是ECM執(zhí)行各項(xiàng)控制的依據(jù)。燃油正時(shí)的定義是基于在不同操作狀態(tài)下獲得最佳柴油機(jī)性能和耗油量。不同柴油機(jī)的個(gè)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(jī)械式供油量調(diào)節(jié)齒條，噴油量和噴油定時(shí)都有 ECM 根據(jù)各傳感器輸入的信號(hào)和轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)進(jìn)行控制。ECM將電壓信號(hào)或者PWM信號(hào)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(lì)時(shí)間越長(zhǎng)，噴油量越多；相反，PWM 信號(hào)的持續(xù)時(shí)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(jìn)行開啟、關(guān)閉的循環(huán)工作，保證了柴油機(jī)的燃燒室有充足的燃油供應(yīng)。

3.3 速度／正時(shí)傳感器

速度／正時(shí)傳感器安裝在柴油機(jī)正時(shí)齒輪上，進(jìn)行柴油機(jī)轉(zhuǎn)度測(cè)量、正時(shí)測(cè)量、氣缸和上死點(diǎn)位置識(shí)別。數(shù)據(jù)通過電信號(hào)適時(shí)傳給ECM。

3.4 其它類傳感器

用以接受來自柴油機(jī)內(nèi)部各類信號(hào)及外界環(huán)境信號(hào)，傳遞給ECM進(jìn)行內(nèi)部比較判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)性能的控制。包括：機(jī)油壓力、溫度傳感器，燃油壓力、濕度傳感器，進(jìn)氣壓力傳感器，大氣壓力傳感器等。這些傳感器和速度／正時(shí)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(jī)組ECM工作原理

4.1 正時(shí)標(biāo)定和正時(shí)控制

圖1 機(jī)構(gòu)組圖

圖2 ECM控制邏輯流程圖

在柴油機(jī)后端部安裝一個(gè)正時(shí)齒輪，正時(shí)齒輪用一個(gè)鉆孔作為對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記與凸輪軸上的定位銷相配。此定位銷使正時(shí)輪定位于凸輪軸上相對(duì)于曲軸的正確的位置。速度／正時(shí)傳感器用正時(shí)輪作為一個(gè)正時(shí)參考點(diǎn)，正時(shí)標(biāo)定通過修正曲軸、正時(shí)齒輪系和正時(shí)輪之間的任何微小公差來提高燃油噴射的精度。速度／正時(shí)傳感器識(shí)別出信號(hào)后，傳遞給ECM，通過ECM內(nèi)部計(jì)算比對(duì)，確定柴油機(jī)位置供噴油正時(shí)。齒與傳感器產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度調(diào)節(jié)PWM信號(hào)為正時(shí)之用，同時(shí)信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)輸出供速度測(cè)量之用。

4.2 燃油系統(tǒng)電子控制

機(jī)械作動(dòng)電子控制單體噴油系統(tǒng)提供噴油正時(shí)的全面控制。噴油正時(shí)是各種柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)(增壓、速度、負(fù)荷、溫度等)的函數(shù)，不斷變化的正時(shí)可以優(yōu)化柴油機(jī)的性能，但是噴射壓力相對(duì)于柴油機(jī)速度呈線性變化。柴油機(jī)速度由調(diào)整噴射持續(xù)時(shí)間來控制。單體噴油器的電磁閥通電導(dǎo)致噴射開始，斷電導(dǎo)致噴油結(jié)束。每一個(gè)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(gè)傳感器開關(guān)的狀況，并向每一個(gè)噴油器電磁閥提供信號(hào)來達(dá)到控制柴油機(jī)的目的。燃油起噴時(shí)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(hào)來控制噴油正時(shí)和噴油持續(xù)時(shí)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(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、油門位置信號(hào)、增壓壓力信號(hào)以及空燃比控制和扭矩控制和其它運(yùn)行狀況等信號(hào)，并在內(nèi)部進(jìn)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(dāng)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(shí)，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(jìn)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(jī)速度。ECM一方面接受來自油門位置傳感器和實(shí)際柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)并進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)接受來自冷卻液溫度、機(jī)油溫度、實(shí)際柴油機(jī)轉(zhuǎn)速等相關(guān)傳感器輸出的信號(hào)并進(jìn)行計(jì)算處理，來確定柴油機(jī)的預(yù)定速度。實(shí)際柴油機(jī)速度和一缸上止點(diǎn)由速度正時(shí)傳感器和正時(shí)齒輪確定的。ECM把實(shí)際速度／正時(shí)讀數(shù)與預(yù)定速度，正時(shí)讀數(shù)相比較，計(jì)算出柴油機(jī)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(shí)間以獲得最佳空燃比，來保持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定的要求。

圖3 3512B發(fā)電機(jī)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(shí)通過限制柴油機(jī)功率和改變柴油機(jī)正時(shí)來提高其穩(wěn)定性，減少熱車時(shí)間和降低白煙。只要柴油機(jī)溫度低于某一預(yù)定值，冷態(tài)模式將被啟動(dòng)，而且保持柴油機(jī)溫度某一預(yù)定值。

4.6 空燃比的控制

ECM內(nèi)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(shè)置，基于最大允許空燃比而定的極限值。當(dāng)ECM感覺到增壓壓力升高時(shí)，空燃比控制燃油位置極限值就會(huì)增大，允許更多的燃油進(jìn)入氣缸。

4.7 故障自動(dòng)診斷及記憶功能

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

4.8 先進(jìn)的安全保護(hù)裝置

通過對(duì)ECM內(nèi)部設(shè)置，完成了對(duì)柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。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(dāng)某一特定參數(shù)超過允許值時(shí)，ECM將啟動(dòng)保護(hù)措施，分別做出報(bào)警、降低柴油機(jī)功率、停機(jī)等保護(hù)動(dòng)作。

5 小結(jié)

電噴柴油發(fā)電機(jī)組是環(huán)境保護(hù)及性能提高必然發(fā)展的結(jié)果。隨著柴油發(fā)電機(jī)組的廣泛使用，對(duì)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(shí)對(duì)環(huán)境的有害影響要盡可能減小，依靠原始的機(jī)械式噴油系統(tǒng)就比較困難，盡管機(jī)械式控制系統(tǒng)不斷完善，但噴油量和噴射定時(shí)要實(shí)現(xiàn)完全按最佳運(yùn)轉(zhuǎn)工況的要求，則難于實(shí)現(xiàn)，因此，電噴柴油發(fā)電機(jī)組具有很大的發(fā)展前景。

[1]劉潤(rùn)華, 蔣新華. 柴油機(jī)綜合智能故障診斷系統(tǒng)[J ].柴油機(jī), 2002 ,10 (1).

[2]鉆井平臺(tái)發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)167127848(2008)S1 20165203.

[3]張用德, 袁學(xué)強(qiáng). 我國(guó)海洋鉆井平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì), 1001-3482(2008)09-0014—04.

[4]許乃強(qiáng), 石楚生. 電子噴射技術(shù)在現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用, 1003242502(2002)0120007204.

[5]張幽彤, 程昌圻, 范伯元.電子控制技術(shù)應(yīng)用開發(fā)研究. 柴油機(jī), 1998,(6).