电喷柴油发电机组在海洋钻井平台上的应用

曹士峰 司江舸 程龙 李会通

(中海油能源发展股份有限公司监督监理技术分公司，天津300450)

1 引言

柴油发电机组是海洋钻井平台的心脏，发电机组能否正常工作直接影响到钻井平台的正常作业。新型的电喷柴油发电机组具备了节能、环保、工作状况稳定、各类监控、保护等功能强大之特点，不断服役到海洋钻井平台中，其强大的人机交流功能已成为未来发展趋势。

2 CAT3500B系列电喷发动机结构特点

钻井平台的柴油发电机组配置，由新型电喷柴油发电机组CAT3500B系列代替了服役多年的机械式喷油柴油发电机组。新型的电喷柴油发电机组在结构和性能上主要有以下几点：

(1)采用电子喷射技术和电子单体泵等先进技术，具有更低的尾气排放、较少的白烟产生，同时提高了燃油经济性和功率输出、诊断和检测性能等特点。

(2)配有 ADEMII ECM,ECM 提供精确的喷油时间和自诊断功能。

(3)发动机的缸体材料为灰铸铁合金，结构坚固，重量较轻。

(4)凸轮轴承孔径加大，曲轴轴承接触面加固，主油道到活塞喷嘴和主轴承设计改变。

(5)曲轴油封3500B使用液力曲轴油封，在前盖和飞轮壳处具有唇型设计，防止机油泄漏。

(6)轴承：主轴承和连杆轴承利用多种材料特性结合而成，钢背铝基，提供足够强度，轴承表面是铅锡合金（外层）与铜压焊而成，提供足够的耐磨性，延长使用寿命。

(7)活塞：由活塞头部和裙部两片构成。钢质活塞头部具有足够强度，能承受高的负荷，铝质裙部能减轻重量并具有好的散热性，此类设计更贴近缸套，减少缝隙，从而降低噪声。此外，活塞具有较深的燃烧室和较浅的顶部间隙设计，燃烧效率得到提高，扭矩提高23%，油耗降低5%，并减少了排放。

(8)燃烧室几何中心设计：燃烧室成深坑式，此几何形状燃烧室与EUI电子单体泵更加匹配；活塞的高度增加，提高了第一道环的位置。因而得到更大的压缩，提高了燃烧室的气流，更易雾化，减少空气浪费，优化发动机性能。

(9)连杆：连杆材料采用锻钢，具有楔形结构，以保证连杆和活塞在高负荷区域具有足够强度，四颗连杆螺栓紧固连杆轴承，连杆轴承尺寸和强度都得以增加。

(10)缸套：可更换的湿式缸套，与活塞环和活塞配合精度高，内表面高频沾火处理，提高耐磨性，表面纹理油控功能，缸套上下端都有密封圈。

(11)凸轮轴：3500B系列的凸轮轴比3500 A系列的热处理渗碳钢的凸轮轴直径加大6 mm～98 mm的轴径，使凸轮轴能承受更大的喷油压力和缩短喷油时间。同时，喷油器凸轮的型线改变，喷油持续时间减少10～20%。每缸有三个凸轮，一个是喷油器凸轮，两个是气门凸轮，左侧凸轮轴安装有正时齿轮。

3 3500B系列电喷发电机组控制逻辑

ECM接受从传感器传来的所有信号，经与个性模块中的空燃比特性图、扭矩特性图等内部设置的判断、比较、处理后，通过燃油喷射系统中的喷油器电磁阀来控制正时和柴油机速度等。

3.1 电子控制模块(ECM)

ECM是柴油机的内部存储和处理系统，其功能相当于电子调速器和燃油系统计算机，它接受来自柴油机的各项性能数据，并与其内部的个性模块中设定的参数在内部进行判断和比较，从而实现对柴油机的正时、燃油量、速度(电子调速)、冷态模式、正时标定等控制。

个性模块包括软件、控制图、定义燃油、正时等，它是ECM执行各项控制的依据。燃油正时的定义是基于在不同操作状态下获得最佳柴油机性能和耗油量。不同柴油机的个性模块的设定不同。

3.2 电控单体式喷油器

电控单体式喷油器都没有机械式供油量调节齿条，喷油量和喷油定时都有 ECM 根据各传感器输入的信号和转速传感器信号进行控制。ECM将电压信号或者PWM信号发送到喷油器，并持续一定曲轴转角。在一定转速下，电磁阀的激励时间越长，喷油量越多；相反，PWM 信号的持续时间越短，喷入燃烧室的燃油就越少。电控单体式喷油器电磁阀进行开启、关闭的循环工作，保证了柴油机的燃烧室有充足的燃油供应。

3.3 速度／正时传感器

速度／正时传感器安装在柴油机正时齿轮上，进行柴油机转度测量、正时测量、气缸和上死点位置识别。数据通过电信号适时传给ECM。

3.4 其它类传感器

用以接受来自柴油机内部各类信号及外界环境信号，传递给ECM进行内部比较判断，实现对柴油机性能的控制。包括：机油压力、温度传感器，燃油压力、湿度传感器，进气压力传感器，大气压力传感器等。这些传感器和速度／正时传感器一起构成了ECM控制所需的各类信息。

4 电喷发电机组ECM工作原理

4.1 正时标定和正时控制

图1 机构组图

图2 ECM控制逻辑流程图

在柴油机后端部安装一个正时齿轮，正时齿轮用一个钻孔作为对准标记与凸轮轴上的定位销相配。此定位销使正时轮定位于凸轮轴上相对于曲轴的正确的位置。速度／正时传感器用正时轮作为一个正时参考点，正时标定通过修正曲轴、正时齿轮系和正时轮之间的任何微小公差来提高燃油喷射的精度。速度／正时传感器识别出信号后，传递给ECM，通过ECM内部计算比对，确定柴油机位置供喷油正时。齿与传感器产生一个脉冲宽度调节PWM信号为正时之用，同时信号的频率调节输出供速度测量之用。

4.2 燃油系统电子控制

机械作动电子控制单体喷油系统提供喷油正时的全面控制。喷油正时是各种柴油机运行状态(增压、速度、负荷、温度等)的函数，不断变化的正时可以优化柴油机的性能，但是喷射压力相对于柴油机速度呈线性变化。柴油机速度由调整喷射持续时间来控制。单体喷油器的电磁阀通电导致喷射开始，断电导致喷油结束。每一个喷油器上的电磁阀控制该喷油器的喷油量。ECM监视每一个传感器开关的状况，并向每一个喷油器电磁阀提供信号来达到控制柴油机的目的。燃油起喷时间和喷油量是由ECM通过喷油器电磁阀开启和关闭芯阀决定的。

4.3 燃油量控制

ECM通过改变传送到喷油器的信号来控制喷油正时和喷油持续时间(喷油量)。喷油器只在喷油器电磁阀通电后才喷油，在未通电时燃油通过喷油器上的溢流阀流入低压油系统，返回燃油箱内。ECM通过接受各种传感器提供的柴油机转速、负荷、油门位置信号、增压压力信号以及空燃比控制和扭矩控制和其它运行状况等信号，并在内部进行判断、处理后，决定是否向喷油器电磁阀传送105 V直流电。当喷油器电磁阀通电后，电磁阀开启，喷油器喷出的高压燃油流向气缸。电磁阀失电时，电磁阀关闭，喷油器喷出的燃油停止向气缸喷射，从而完成进入气缸燃油量的控制。

4.4 速度控制

ECM通过控制喷油器的供油量来调节柴油机速度。ECM一方面接受来自油门位置传感器和实际柴油机转速的信号并进行计算，同时接受来自冷却液温度、机油温度、实际柴油机转速等相关传感器输出的信号并进行计算处理，来确定柴油机的预定速度。实际柴油机速度和一缸上止点由速度正时传感器和正时齿轮确定的。ECM把实际速度／正时读数与预定速度，正时读数相比较，计算出柴油机在各种工况下所需的燃油量及喷油提前角，然后向喷油器发出指令，控制喷油器的喷油量和开启时间以获得最佳空燃比，来保持柴油机转速达到预定的要求。

图3 3512B发电机燃油控制系统

4.5 冷态模式控制

ECM在冷态模式操作时通过限制柴油机功率和改变柴油机正时来提高其稳定性，减少热车时间和降低白烟。只要柴油机温度低于某一预定值，冷态模式将被启动，而且保持柴油机温度某一预定值。

4.6 空燃比的控制

ECM内有喷油量限制。空燃比控制燃油位置是为冒烟控制目的而设置，基于最大允许空燃比而定的极限值。当ECM感觉到增压压力升高时，空燃比控制燃油位置极限值就会增大，允许更多的燃油进入气缸。

4.7 故障自动诊断及记忆功能

柴油机工作时，柴油机的实际性能参数与ECM内部设定值进行比较判断，在故障工况下，机车或柴油机上设定的报警装置将会自动作用。同时，可用专用的ET工具及笔记本电脑通过诊断接口对故障码进行读取，快捷地判断故障情况和相关部位，并可对ECM内部报警参数进行调整。对于间发故障，ECM存储器还可对其进行记录和存储，随时了解柴油机的质量状况。

4.8 先进的安全保护装置

通过对ECM内部设置，完成了对柴油机相关参数的实时检测。主要包括：低油压、高水温、排气温度高、增压高和增压低等相关参数。当某一特定参数超过允许值时，ECM将启动保护措施，分别做出报警、降低柴油机功率、停机等保护动作。

5 小结

电喷柴油发电机组是环境保护及性能提高必然发展的结果。随着柴油发电机组的广泛使用，对环境影响也越来越大，为了更好地利用燃料的能量，而同时对环境的有害影响要尽可能减小，依靠原始的机械式喷油系统就比较困难，尽管机械式控制系统不断完善，但喷油量和喷射定时要实现完全按最佳运转工况的要求，则难于实现，因此，电喷柴油发电机组具有很大的发展前景。

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