190系列柴油机电控应用分析

2020-01-20雷先革李新项鲲鹏王宝忠梁昌伟王金广

中国设备工程 2020年21期

雷先革，李新，项鲲鹏，王宝忠，梁昌伟，王金广

（1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300457；2.中国石油集团济柴动力有限公司，山东济南 250306）

近年来，按照强制性国家标准《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》的要求，石油钻探用190系列柴油机排气污染物排放需达到第三阶段要求；另外，钻探企业为了提速降本，采用了高泵压、大流量的泥浆泵，需要更大功率，更为可靠的柴油机，因此，研发一种满足国Ⅲ排放、适应井队提速降本要求的柴油机成为一种必然的趋势。本文主要针对钻井用190系列柴油机进行分析，如何在保证通用性的基础上进行改进以便适应现阶段的使用要求。

1 190系列柴油机电控应用技术分析

190系列柴油机应用于油田钻井已55个春秋，保有量近万台，对190系列柴油机排放的改进需既要满足国Ⅲ排放要求，又要降低改进成本、提升性能，实现与现有190柴油机的通用性、可替换性。通过对改善柴油机排放措施的分析，结合降低改进成本、通用性、可替代性及目前190系列柴油机现有情况，选择了改进燃油供给系统、进气系统等，保留了原190柴油机的结构。

1.1 燃油供给系统

柴油机电控技术是为了使柴油发动机获得更好的排放指标、动力性与经济性，其核心就是高压燃油的电控喷射，即通过检测柴油机的各种信号，对柴油机的燃油喷射量和喷油提前角及喷射压力进行控制，使柴油机在人们所希望的最佳状态下运行。

电控燃油供给系统主流有两种方式，一种是采用共轨系统，一种是采用电控单体组合泵。共轨系统的最大优势在于驱动扭矩小、低噪音、喷射稳定性和灵活的喷射过程控制；不足之处是匹配标定周期长、环节多，油品适应性差。而电控单体组合泵的最大优势在于先缓后急的喷油规律利于降低NOx排放，适用于传统机械式喷油器，油品适应性强，技术换代成本低；不足之处在于喷射灵活性和低速喷油稳定性不如共轨系统；低速噪音没有明显改善、驱动扭矩大。

原190系列柴油机的燃油供给系统是机械控制的，依靠机械传动控制供油时间、喷油量、供油压力，其偶件与各运动件配合表面会产生磨损，各调节位置有可能产生位移、变形、破坏原来的工作状态，这势必会造成误差，影响柴油机排放及性能，导致柴油机不能在最佳状态下工作。

通过对比分析，190系列柴油机选用了第二种燃油供给系统，其核心部件采用了由ECU控制的电控单体组合泵。

电控单体组合泵由四大部分组成，控制器（ECU）、执行器、传感器、线束。

控制器（ECU）主要是控制电控单体泵供油开启时刻及开启时间，替代原调速装置控制柴油机加减油量等。

执行器主要包括电控单体组合泵及喷油器等，其主要功能是执行ECU的命令，控制燃油的喷射。

传感器主要包括转速传感器、油温及油压传感器，进气温度及压力传感器、排气温度传感器等，把这些信号通过线束传输给ECU和监控仪。

线束是信号的传输通路，其可靠性直接关系到电控燃油供给系统的稳定性。

电控单体组合泵是用EUP（电控单体泵）替代原来的供油部件，用各类传感器替代原来的机械控制，ECU对传感器的信号分析，通过电磁阀对转速、油量、喷油正时等进行控制。

电控单体组合泵具有190柴油机喷油泵的外形，但大脑是电控的，这是解决电控柴油机排放及性能提升的核心部件。

1.2 进气系统

柴油机排放的另一个关键点是柴油和空气混合比例合适，燃烧完全，因此，结合电控单体泵的喷油特性，对原190柴油机进行了改进。从新计算增压器的流量及压比，选择了效率更高的增压器，使工作循环温度降低，排温控制在400度左右，从而降低NOX的生成；另外，从新选择了与增压器匹配的中冷器，使参与燃烧的空气温度降低，进一步抑制了NOX的生成。

1.3 数据监控装置

原190系列柴油机采用的是机械仪表监控装置，仅能粗略显示油温、水温等，改进后的190系列电控柴油机采用电子显示，能精确显示柴油机的运行数据。原190柴油机只能根据排烟、油水温度等判断柴油机的功率，而改进后增加了功率显示，用户能根据实际需求，合理调配柴油机的使用，提高了柴油机的使用率。

2 现场应用

2018年8月3台190系列电控柴油机在渤海钻探50524井队进行工业性试验，至2019年12月结束，经历了春夏秋冬的考验，单台运行时间超5000小时。井队操作人员表示电控柴油机的动力有了显著提高，1300转发动机功率由810kW提升至900kW，现场运行最大达到了950kW，钻井深度4000米左右，两台机组也能满足运行要求；现场观察发动机运行中看不到排烟，排放明显改善。