李占勇

摘 要：隨著我公司鉆井設(shè)備的更新升級，各種性能優(yōu)良的柴油發(fā)電機組在電驅(qū)動鉆機中得到使用，其中包括美國卡特彼勒公司生產(chǎn)的CAT3512B柴油機。本文以柴油機調(diào)速系統(tǒng)為研究對象，以其先進的電控模塊和電子調(diào)速器與機械式調(diào)速器相比較，來分析電子調(diào)速系統(tǒng)在鉆井工況下的良好使用情況。

關(guān)鍵詞：柴油機；電控調(diào)速系統(tǒng)；電子單體噴油器；ECM；EUI

一、柴油機的發(fā)展歷史

柴油機是大家較為熟悉的一種內(nèi)燃機，它的應(yīng)用非常廣泛，而且從它被發(fā)明至今已有一百多年的歷史。博世公司最早開始正式生產(chǎn)標(biāo)準泵噴油器，正是由于柱塞泵的普及，為柴油機安裝在汽車上提供了基礎(chǔ)。 70年代以后，博世公司把電控汽油機噴射技術(shù)引用到柴油機，從而讓柴油機的發(fā)展和使用進入了一個新紀元。 后來又發(fā)展出了電控泵噴嘴技術(shù)和高壓共軌噴射技術(shù)， 可以看出，柴油機的改進和發(fā)展主要是燃油控制系統(tǒng)的改進和發(fā)展。

二、柴油機的調(diào)速系統(tǒng)

柴油機的不同轉(zhuǎn)速是通過改變循環(huán)噴油量來獲得的。改變柴油機的油量調(diào)節(jié)機構(gòu)，使其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)稱柴油機調(diào)速。為此必須裝設(shè)專門的調(diào)速裝置，以便根據(jù)柴油機負載的變化自動調(diào)節(jié)供油量，維持其規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍。這種裝置稱為調(diào)速器。

調(diào)速器的類型

1.按調(diào)速范圍分類

a）極限調(diào)速器（限速器）只用于限制柴油機的最高轉(zhuǎn)速不超過某規(guī)定值，在轉(zhuǎn)速低于此規(guī)定值時不起調(diào)節(jié)作用。此種調(diào)速器僅用于船舶主機，目前已很少單獨使用。

b）定速（單制）調(diào)速器在負荷變化時能使柴油機轉(zhuǎn)速保持在規(guī)定范圍內(nèi)。此種調(diào)速器應(yīng)用于發(fā)電柴油機。

c）雙制式調(diào)速器能維持柴油機的最低運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速并可限制其最高轉(zhuǎn)速。其中間轉(zhuǎn)速由人工手動調(diào)節(jié)。此種調(diào)速器用于對低速性能要求較高或帶有離合器的中小型船用主機。

d）全制式調(diào)速器在從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的全部運轉(zhuǎn) 范圍內(nèi)，均能自動調(diào)節(jié)噴油量以保持任一設(shè)定轉(zhuǎn)速。此種調(diào)速器廣泛用于船舶主機及柴油機發(fā)電機組。

2.按執(zhí)行機構(gòu)分類

a）機械式調(diào)速器：利用飛鐵產(chǎn)生的離心力直接去移動油量調(diào)節(jié)機構(gòu)以調(diào)節(jié)柴油機的轉(zhuǎn)速。

b）液壓調(diào)速器：它是通過液壓伺服器將飛鐵產(chǎn)生的離心力加以放大，使用放大后的動力去移動油量調(diào)節(jié)機構(gòu)。

c）電子調(diào)速器：轉(zhuǎn)速信號監(jiān)測和執(zhí)行機構(gòu)采用電氣方式的調(diào)速器。

3.電子調(diào)速器的基本原理

CAT3512B柴油機采用的電子調(diào)速系統(tǒng)包括：柴油機轉(zhuǎn)速控制模塊、執(zhí)行器驅(qū)動機構(gòu)、油門執(zhí)行器和轉(zhuǎn)速傳感器。調(diào)速系統(tǒng)的工作原理是這樣的：轉(zhuǎn)速傳感器一般采用磁電脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器，無接觸地從飛輪中測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速，輸出脈沖信號，其頻率與轉(zhuǎn)速成比例，并把它送給柴油機的轉(zhuǎn)速控制模塊。轉(zhuǎn)速控制模塊對所獲取的脈沖轉(zhuǎn)速信號進行頻率/電壓轉(zhuǎn)換，使之成為相應(yīng)的電壓信號，然后將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在轉(zhuǎn)速控制模塊內(nèi)將獲取的轉(zhuǎn)速信號同給定的轉(zhuǎn)速值進行比較，并以比較結(jié)果為基礎(chǔ)進行PID計算，并向執(zhí)行器驅(qū)動機構(gòu)輸出控制信號。因為CAT3512B柴油機采用的是數(shù)字式執(zhí)行器，它的電控噴油調(diào)節(jié)系統(tǒng)其噴油時間及大小是靠電子控制模塊ECM來控制，而ECM需要的是一個占空比可調(diào)節(jié)的脈寬信號（PWM信號），所以需要把這個控制信號進行轉(zhuǎn)換，再送到ECM電子控制模塊進行燃油的調(diào)節(jié)控制。

與機械式調(diào)速器相比較，電子式調(diào)速器不再采用離心飛鐵做為轉(zhuǎn)速感應(yīng)元件，而是用電磁式速度傳感器來測量轉(zhuǎn)速的大小，而且轉(zhuǎn)速的測量、設(shè)定、比較與調(diào)節(jié)均采用電子控制，因此整個燃油控制系統(tǒng)具有很高的響應(yīng)速度與調(diào)節(jié)精度，也易于實現(xiàn)柴油機的恒速調(diào)速，能夠滿足柴油發(fā)電機組的無差并聯(lián)運行要求。

三、鉆井工況對柴油發(fā)電機組的技術(shù)要求

柴油發(fā)電機組的輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)與控制是柴油發(fā)電機控制系統(tǒng)中的重要部分，柴油發(fā)電機組輸出的電壓和頻率的穩(wěn)定性，可調(diào)節(jié)性直接關(guān)系到鉆井現(xiàn)場的供電質(zhì)量，進而影響到鉆井、通信、儀表等設(shè)備的正常工作，嚴重時將影響到鉆井生產(chǎn)的進度，將造成直接的經(jīng)濟損失。在鉆井施工過程中經(jīng)常遇到突加負載和長時間不間斷大負載運行等惡劣工況環(huán)境，鉆井工況決定了要求柴油發(fā)電機組控制要求比較高。在機械傳動的鉆井設(shè)備中對動力設(shè)備的要求不是很高，特別是動態(tài)響應(yīng)時間要求不是很嚴格，但是在電驅(qū)動鉆井設(shè)備中要求比較高，下面是驅(qū)動發(fā)電機的柴油機轉(zhuǎn)速控制各項指標(biāo)：1.穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率：0～5%；2.瞬態(tài)頻率調(diào)整率：±5%；3.頻率波動率：0.5%；4.頻率穩(wěn)定時間：3S。如果發(fā)電機組達不到這些動態(tài)指標(biāo)，將影響發(fā)電機電壓和頻率的穩(wěn)定性，將使鉆井現(xiàn)場的供電質(zhì)量受到影響。

四、CAT3512B型柴油機調(diào)速系統(tǒng)

1.CAT3512B型柴油機技術(shù)參數(shù)

CAT3512B這種柴油機為美國卡特彼勒公司生產(chǎn)的3500系列柴油機，為12缸V形、增壓、中冷、直噴式燃燒室，1500r/min時額定功率為1340KW，缸徑為170mm，沖程為190mm，活塞總排量為51.8升，壓縮比為14：1，最大扭矩為9533N？M。

2.CAT3512B型柴油機調(diào)速系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢

1）先進的電控燃油噴射技術(shù)

CAT3512B型柴油機采用了非常先進的電控燃油噴射技術(shù)，首先廠家針對不同的用戶的負載特性，對計算機控制模塊ECM編寫用戶個性化程序。柴油機啟動以后，ECM通過卡特的通信鏈路開始接收柴油機各位置傳感器送來的壓力、溫度、速度和噴油正時這些反饋信號，這些信號和從轉(zhuǎn)速控制模塊送來的轉(zhuǎn)速控制信號一起被ECM接收并處理，處理后用以控制和驅(qū)動各個缸內(nèi)的電子單體式噴油器（EUI），進行精確的燃油噴射控制。

2）使排放降低，更低的能耗

由于采用了電子單體式噴油器，燃油噴射壓力能達到152Mpa（22000PSI），這樣可以使燃油能充分燃燒，在全負荷下EUI上的電子控制裝置明顯降低排放，ECM模塊根據(jù)負荷、轉(zhuǎn)速、發(fā)動的溫度等因素提供最佳的噴油正時，以減少柴油機的排煙，并且降低了燃油消耗成本。

3）結(jié)構(gòu)簡單，維護方便

在機械式調(diào)速器上的連桿、噴油齒條、推桿和燃油控制桿在CAT3512B型柴油機上都沒有了，這些都被電子控制模塊ECM，以及連接的電纜，固態(tài)控制裝置和各種傳感器所代替。設(shè)計上的這種改變，使發(fā)動機的噴油系統(tǒng)更加簡單，電子單體式噴油器所進行的調(diào)整和故障排除，維修更換所需要部件也更少，使柴油機運轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，需要調(diào)整更少，維護更方便，使其維修和運轉(zhuǎn)成本也降低了。

4）良好的自診斷功能

ECM通過精確的計算來控制燃油和更有效的正時對排煙進行控制，同時ECM記錄EUI的診斷信息，以及柴油機運轉(zhuǎn)期間某些操作上的故障，比如超速、油壓過低和水溫過高等故障，只要這些故障一出現(xiàn)，ECM就可以捕獲到，并將故障信息存儲到ECM的EEPROM存儲器中，維修人員可以任何時候查詢到這些故障代碼來快速判斷故障位置，它的良好的自診斷功能給維修帶來很大的方便。

五、結(jié)論

CAT3512B型柴油機以其性能優(yōu)良、工作可靠，而被廣泛應(yīng)用于油田鉆探作為發(fā)電機組的動力機。通過對它調(diào)速系統(tǒng)的分析，我們可以看出與機械式和液壓式調(diào)速器相比，電子調(diào)速器具有調(diào)節(jié)精度高、結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，也使柴油機的排放更加低碳環(huán)保，是今后柴油機調(diào)速器的主要發(fā)展方向，這使我們對國產(chǎn)柴油機的升級維修都有很好的借鑒作用。

參考文獻：

[1]亓和平：《電驅(qū)動鉆機使用與維護》 北京：石油工業(yè)出版社 2003.8

[2]王吉華：《柴油機燃油噴射系統(tǒng)的電子控制》 設(shè)計研究 1997.4