400GF30型系列发电机组现场试验应用研究

苏 伟，龙 涛，丰光强

（中国石油川庆钻探工程公司川西钻探技术应用与研发中心，四川成都 610051）

0 引言

以美国和欧洲的环境保护排放标准为参照制定的《大型柴油机排放标准》，于近期颁布实施，中国石油旗下济南柴油机厂各系列柴油机排放不能满足该要求，采用高压共轨技术的新型柴油机JC15FD系列应运而生，并与西门子电力系统配合，开发出400GF30型柴油发电机组，于2016年开始在公司70541，70537等钻井队作为钻机配套发电设备进行试验运行。该型柴油机采用了一些新技术，也从其他柴油机设计上做了一些借鉴，现分析该柴油机在现场使用情况以及设计特点。

1 400GF30系列发电机组技术特点

1.1 动力设备配置

采用JC15FD系列柴油机作为动力设备，特点是燃油系统中有一公共高压油轨，用高压（中压）输油泵向公共油轨中泵油，用电磁阀对油轨中的压力进行调节。高压（中压）的柴油由公共油轨分别通向各缸喷油器，由装在喷油器内的电磁阀控制喷油量和喷油正时，喷油压力或直接决定于共轨中的压力，或由喷油器中的增压活塞对从公共油轨来的燃油进行增压。共轨式电控喷油系统可以同时控制喷油量、喷油正时、喷油压力、喷油速率，且能实现高压喷射满足排放要求。

同时，在原采用传统高压油泵—高压油管—喷油器的喷油系统柴油机上使用时，结构变化很小。

1.2 主要技术参数

JC15FD系列柴油机技术指标和负荷特性曲线分别见表1和图1。

2 动力设备发电机组发展现状

柴油机的发展就是其燃油系统的发展，主要有2个阶段，一是燃油系统主要零部件的发展变化，二是关键部件高压油泵与喷油器的组合分代。

表1 JC15FD系列柴油机技术指标

20世纪90年代发展起来的电控柴油喷射系统主要有2种形式，一是Bosch公司共轨式电控柴油喷射系统，二是高压油泵和喷油器组合在一起，没有外部高压油管的单体组合式喷油器系统。

图1 JC15FD型柴油机负荷特性曲线

（1）燃油系统主要零部件的发展变化。①增加了发动机控制模块（Electroniccontrolmodule，ECM），对喷油器进行精确的电子控制。②将高压油泵和喷油器进行结合，组成电子控制的单体喷油器（MEUI），实现从低压到高压喷油，使燃烧更充分，工作效率更高。

（2）关键部件高压油泵与喷油器的组合分代。①传统高压油泵。高压柱塞泵集中在一个泵体内，由凸轮轴驱动。②分列泵改进型。每个柱塞泵由高压油管与喷油器对应连接，单独驱动。③高压共轨技术。由2只高压柱塞泵提高燃油压力，共轨腔储存高压油并引出高压油管分别与喷油器连接，电磁阀控制开启关闭油路。④机械控制单体喷油器（MUI）喷射柴油机。使用凸轮轴、挺杆驱动摇臂控制柴油机进行进油、压油和喷油工作；无外部高压燃油管路，最高喷油压力可达140MPa（1400bar）。⑤电子控制单体喷油器（EUI）喷射柴油机。无外部的高压燃油管路，使用电磁阀控制燃油的开启、关闭及增压，可以精确的控制合适的喷油正时和供油持续时间，最高喷油压力可达207MPa（2070bar），控制时间快速准确到1/120 000s。⑥液压操作电子控制单体喷油器喷射柴油机。燃油的压力由液压系统提供，没有外部高压油管，准确的喷油正时及喷油持续时间的控制，喷射压力可高达162MPa（1620bar），喷油压力几乎不受发动机转速影响

3 JC15FD柴油机特点分析

3.1 JC15FD柴油机结构特点

JC15FD系列柴油机燃油系统采用的高压共轨技术，属于柴油机燃油系统发展过程中，燃油压力由低到高的过渡阶段，现已过时，属于淘汰技术。工作原理为燃油经过带油水分离器的燃油粗滤器后，被吸入集成在高压共轨泵上的输油泵内；经输油泵加压后，通过燃油精滤器进入高压共轨泵的低压腔，其中一部分燃油经过共轨泵的柱塞腔加压形成高压燃油，从共轨泵出油阀口流经高压油管汇集入共轨管的蓄压室，为喷油器的高压喷射提供稳定持续的高压燃油源；另一部分燃油经过由共轨泵电磁阀控制的进油阀回到共轨泵的低压腔。低压腔燃油保持一定的燃油压力，多余的燃油通过共轨泵上的限压溢流阀与喷油器的回油一起流回油箱。

3.2 优点

（1）采用西门子先进的配电系统，设计合理、功能强大、操作简便、保护设施完备。

（2）采用先进的机组控制系统。增加启动定时暖机保护、停车延时保护等功能人性化，做到了本质安全。

（3）增加各种电子监控保护系统，使机组更安全。

（4）JC15FD柴油机各个系统分布合理紧凑，修理方便。

3.3 缺陷

（1）高压油泵与高压共轨腔之间的高压连接油管接头处易出现渗漏。

（2）油底壳呼吸器排气系统中加装的油气分离器可以取消。该设计为借鉴其他机型设计，其初衷是减少油底壳呼吸器油烟排放，油气分离后再次利用，但是无论怎样分离，这部分气体中氧气含量极低，抵消了中冷器的作用，反而降低了进气效率，影响燃烧效率，降低功率。

（3）风扇支撑座设计不合理。支撑座太长且无加强筋，风扇运转时挠性力矩大，支撑座本体和固定螺栓易断裂，发生事故。

（4）柴油机和机组功率不匹配。机组400kW，动力机457 kW，加上发电机和风扇附属设备后，动力机功率偏小。

（5）并车装置功能单一。只能有2个发电机组能够并车运行，不能为电动钻机提供动力配套，限制其发展。

3.4 改进措施

（1）综合现有钻机动力需求，400kW动力功率偏小，优化配套，增加动力机功率为（600～1200）kW/台较为合理。

（2）控制设施增容，能保证4车并车使用，达到为电动钻机提供动力的标准，从而增加销售通道。

（3）高压共轨腔与机体间增加隔热防护板，保证漏油时油雾不因高温而燃烧，保证使用安全。

（4）改善风扇支撑座设计，以90°间隔加装4个三角形斜拉筋加固。

（5）取消油底壳呼吸器排气通道油气分离器，改为延长管道至散热器外的设计。

4 结论和建议

（1）高压共轨技术在20世纪90年代产生，用以取代传统的高压油泵动力机，得到迅速发展，特别在高档汽车领域应用极广，也有部分小型柴油机使用，但是伴随该项技术的深入使用，暴露出高压管线易爆管，引起设备烧毁，逐渐被高压直喷技术所替代。

（2）所用高压共轨技术是经过验证的淘汰技术。应着力开发更为先进，采用高压直喷的电子控制单体喷油器（EUI）喷射技术柴油机，实现弯道超车。

（3）现阶段不适合替代同功率级别的VOLVO1631，VOLVO1632，CATC15等柴油发电机组。待改进试验成功后再实施换代更新。

［1］中国石油集团济柴动力总厂.JC15FD柴油机使用维护手册［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［2］秦吉升.柴油机使用与维修［M］.北京：石油工业出版社，1987.

［3］卡特彼勒中国有限公司.卡特彼勒专门说明书［Z］.2006.