CAT3512B型柴油机调速系统分析

李占勇

摘 要：随着我公司钻井设备的更新升级，各种性能优良的柴油发电机组在电驱动钻机中得到使用，其中包括美国卡特彼勒公司生产的CAT3512B柴油机。本文以柴油机调速系统为研究对象，以其先进的电控模块和电子调速器与机械式调速器相比较，来分析电子调速系统在钻井工况下的良好使用情況。

关键词：柴油机；电控调速系统；电子单体喷油器；ECM；EUI

一、柴油机的发展历史

柴油机是大家较为熟悉的一种内燃机，它的应用非常广泛，而且从它被发明至今已有一百多年的历史。博世公司最早开始正式生产标准泵喷油器，正是由于柱塞泵的普及，为柴油机安装在汽车上提供了基础。 70年代以后，博世公司把电控汽油机喷射技术引用到柴油机，从而让柴油机的发展和使用进入了一个新纪元。 后来又发展出了电控泵喷嘴技术和高压共轨喷射技术， 可以看出，柴油机的改进和发展主要是燃油控制系统的改进和发展。

二、柴油机的调速系统

柴油机的不同转速是通过改变循环喷油量来获得的。改变柴油机的油量调节机构，使其转速调节到规定的转速范围内称柴油机调速。为此必须装设专门的调速装置，以便根据柴油机负载的变化自动调节供油量，维持其规定的转速范围。这种装置称为调速器。

调速器的类型

1.按调速范围分类

a）极限调速器（限速器）只用于限制柴油机的最高转速不超过某规定值，在转速低于此规定值时不起调节作用。此种调速器仅用于船舶主机，目前已很少单独使用。

b）定速（单制）调速器在负荷变化时能使柴油机转速保持在规定范围内。此种调速器应用于发电柴油机。

c）双制式调速器能维持柴油机的最低运转转速并可限制其最高转速。其中间转速由人工手动调节。此种调速器用于对低速性能要求较高或带有离合器的中小型船用主机。

d）全制式调速器在从最低稳定转速到最高转速的全部运转 范围内，均能自动调节喷油量以保持任一设定转速。此种调速器广泛用于船舶主机及柴油机发电机组。

2.按执行机构分类

a）机械式调速器：利用飞铁产生的离心力直接去移动油量调节机构以调节柴油机的转速。

b）液压调速器：它是通过液压伺服器将飞铁产生的离心力加以放大，使用放大后的动力去移动油量调节机构。

c）电子调速器：转速信号监测和执行机构采用电气方式的调速器。

3.电子调速器的基本原理

CAT3512B柴油机采用的电子调速系统包括：柴油机转速控制模块、执行器驱动机构、油门执行器和转速传感器。调速系统的工作原理是这样的：转速传感器一般采用磁电脉冲式转速传感器，无接触地从飞轮中测量发动机转速，输出脉冲信号，其频率与转速成比例，并把它送给柴油机的转速控制模块。转速控制模块对所获取的脉冲转速信号进行频率/电压转换，使之成为相应的电压信号，然后将模拟电压量转换成数字信号。在转速控制模块内将获取的转速信号同给定的转速值进行比较，并以比较结果为基础进行PID计算，并向执行器驱动机构输出控制信号。因为CAT3512B柴油机采用的是数字式执行器，它的电控喷油调节系统其喷油时间及大小是靠电子控制模块ECM来控制，而ECM需要的是一个占空比可调节的脉宽信号（PWM信号），所以需要把这个控制信号进行转换，再送到ECM电子控制模块进行燃油的调节控制。

与机械式调速器相比较，电子式调速器不再采用离心飞铁做为转速感应元件，而是用电磁式速度传感器来测量转速的大小，而且转速的测量、设定、比较与调节均采用电子控制，因此整个燃油控制系统具有很高的响应速度与调节精度，也易于实现柴油机的恒速调速，能够满足柴油发电机组的无差并联运行要求。

三、钻井工况对柴油发电机组的技术要求

柴油发电机组的输出电压和频率的调节与控制是柴油发电机控制系统中的重要部分，柴油发电机组输出的电压和频率的稳定性，可调节性直接关系到钻井现场的供电质量，进而影响到钻井、通信、仪表等设备的正常工作，严重时将影响到钻井生产的进度，将造成直接的经济损失。在钻井施工过程中经常遇到突加负载和长时间不间断大负载运行等恶劣工况环境，钻井工况决定了要求柴油发电机组控制要求比较高。在机械传动的钻井设备中对动力设备的要求不是很高，特别是动态响应时间要求不是很严格，但是在电驱动钻井设备中要求比较高，下面是驱动发电机的柴油机转速控制各项指标：1.稳态频率调整率：0～5%；2.瞬态频率调整率：±5%；3.频率波动率：0.5%；4.频率稳定时间：3S。如果发电机组达不到这些动态指标，将影响发电机电压和频率的稳定性，将使钻井现场的供电质量受到影响。

四、CAT3512B型柴油机调速系统

1.CAT3512B型柴油机技术参数

CAT3512B这种柴油机为美国卡特彼勒公司生产的3500系列柴油机，为12缸V形、增压、中冷、直喷式燃烧室，1500r/min时额定功率为1340KW，缸径为170mm，冲程为190mm，活塞总排量为51.8升，压缩比为14：1，最大扭矩为9533N？M。

2.CAT3512B型柴油机调速系统的特点和优势

1）先进的电控燃油喷射技术

CAT3512B型柴油机采用了非常先进的电控燃油喷射技术，首先厂家针对不同的用户的负载特性，对计算机控制模块ECM编写用户个性化程序。柴油机启动以后，ECM通过卡特的通信链路开始接收柴油机各位置传感器送来的压力、温度、速度和喷油正时这些反馈信号，这些信号和从转速控制模块送来的转速控制信号一起被ECM接收并处理，处理后用以控制和驱动各个缸内的电子单体式喷油器（EUI），进行精确的燃油喷射控制。

2）使排放降低，更低的能耗

由于采用了电子单体式喷油器，燃油喷射压力能达到152Mpa（22000PSI），这样可以使燃油能充分燃烧，在全负荷下EUI上的电子控制装置明显降低排放，ECM模块根据负荷、转速、发动的温度等因素提供最佳的喷油正时，以减少柴油机的排烟，并且降低了燃油消耗成本。

3）结构简单，维护方便

在机械式调速器上的连杆、喷油齿条、推杆和燃油控制杆在CAT3512B型柴油机上都没有了，这些都被电子控制模块ECM，以及连接的电缆，固态控制装置和各种传感器所代替。设计上的这种改变，使发动机的喷油系统更加简单，电子单体式喷油器所进行的调整和故障排除，维修更换所需要部件也更少，使柴油机运转更平稳，需要调整更少，维护更方便，使其维修和运转成本也降低了。

4）良好的自诊断功能

ECM通过精确的计算来控制燃油和更有效的正时对排烟进行控制，同时ECM记录EUI的诊断信息，以及柴油机运转期间某些操作上的故障，比如超速、油压过低和水温过高等故障，只要这些故障一出现，ECM就可以捕获到，并将故障信息存储到ECM的EEPROM存储器中，维修人员可以任何时候查询到这些故障代码来快速判断故障位置，它的良好的自诊断功能给维修带来很大的方便。

五、结论

CAT3512B型柴油机以其性能优良、工作可靠，而被广泛应用于油田钻探作为发电机组的动力机。通过对它调速系统的分析，我们可以看出与机械式和液压式调速器相比，电子调速器具有调节精度高、结构简单、易实现自动化等优点，也使柴油机的排放更加低碳环保，是今后柴油机调速器的主要发展方向，这使我们对国产柴油机的升级维修都有很好的借鉴作用。

参考文献：

[1]亓和平：《电驱动钻机使用与维护》 北京：石油工业出版社 2003.8

[2]王吉华：《柴油机燃油喷射系统的电子控制》 设计研究 1997.4