⑴ 汽車系畢業論文範文
畢 業 論 文（設計）
題目：汽車發動機冷卻系統維護
所在院系
專業班級
學 號
學生姓名
指導教師
2010 年 03月 21 日
目 錄
摘要 ………………………………………………………………………………1
關鍵詞 ……………………………………………………………………………1
1引言…………………………………………………………………………………2
2 冷卻系統的作用……………………………………………………………2
3 冷卻系統的組成………………………………………………………………2
4 冷卻系統的構造及維護……………………………………………………………2
5 冷卻系統的工作原理……………………………………………………………4
6 冷卻系統的特點……………………………………………………………………4
7 冷卻系統的檢修……………………………………………………………………4
8冷卻系統智能控制……………………………………………………………………6
8.1 系統組成……………………………………………………………………6
8.2 單片機控制系統工作原理……………………………………………………………6
8.3 單片機系統控制工作過程……………………………………………………………6
結論…………………………………………………………………………………10
謝辭…………………………………………………………………………………11
參考文獻 ………………………………………………………………………12
摘 要
本文論述了冷卻系統的作用、組成、主要構造、工作原理、日常維護、故障的檢測步驟和排除方法，同時論述了冷卻系統系統化、模塊化設計方法，以及冷卻系統的智能控制，並舉例做出簡單介紹。
關鍵詞：冷卻系統 冷卻系統維護 溫度設定點 冷卻系統智能控制
1 引言：如果一台發動機,冷卻系統的維修率一直居高不下,往往會引起發動機其他構件損壞,特別是隨著車輛行駛里程的增加,冷卻系統的工作效率逐漸下降,對發動機的整體工作能力產生較大影響,冷卻系統的重要性在於維護發動機常溫下工作,尤如人體的皮膚汗腺,如果有一天,人體的汗腺不能正常工作,那麼身體內的熱量將無法散去,輕則產生中暑,重則休克。
2 冷卻系統的作用
冷卻系統的功用是帶走引擎因燃燒所產生的熱量，使引擎維持在正常的運轉溫度范圍內。引擎依照冷卻的方式可分為氣冷式引擎及水冷式引擎，氣冷式引擎是靠引擎帶動風扇及車輛行駛時的氣流來冷卻引擎；水冷式引擎則是靠冷卻水在引擎中循環來冷卻引擎。不論采何種方式冷卻，正常的冷卻系統必須確保引擎在各樣行駛環境都不致過熱。
3 冷卻系統的組成
水冷卻系統一般由散熱器、節溫器、水泵、水道、風扇等組成。散熱器負責循環水的冷卻，它的水管和散熱片多用鋁材製成，鋁制水管做成扁平形狀，散熱片帶波紋狀，注重散熱性能，安裝方向垂直於空氣流動的方向，盡量做到風阻要小，冷卻效率要高。散熱器又分為橫流式和垂直流動兩種，空調冷凝器通常與其裝在一起。
水泵和節溫器
發動機是由冷卻液的循環來實現的，強製冷卻液循環的部件是水泵，它由曲軸皮帶帶動，推動冷卻液在整個系統內循環。目前最先進的水泵是寶馬新一代直六發動機上採用的電動水泵，它能精確的控制水泵的轉速，並有效的減少了對輸出功率的損耗。這些冷卻液對發動機的冷卻，要根據發動機的工作情況而隨時調節。當發動機溫度低的時候，冷卻液就在發動機本身內部做小循環，當發動機溫度高的時候，冷卻液就在發動機—散熱器之間做大循環。實現冷卻液做不同循環的控制部件是節溫器。可以將節溫器看作一個閥門，其原理是利用可隨溫度伸縮的材料（石蠟或乙醚之類的材料）做開關閥門，當水溫高時材料膨脹頂開閥門，冷卻液進行大循環，當水溫低時材料收縮關閉閥門，冷卻液小循環。
空氣的流動
為了提高散熱器的冷卻能力，在散熱器後面安裝風扇強制通風。以前的轎車散熱器風扇是由曲軸皮帶直接帶動的，發動機啟動它就要轉，不能視發動機溫度變化而變化，為了調節散熱器的冷卻力，要在散熱器上裝上活動百頁窗以控制風力進入。現在已經普遍使用風扇電磁離合器或者電子風扇，當水溫比較低時離合器與轉軸分離，風扇不動，當水溫比較高時由溫度感測器接通電源，使離合器與轉軸接合，風扇轉動。同樣，電子風扇由電動機直接帶動，由溫度感測器控制電動機運轉。這兩種形式的散熱器電扇運轉實際上都由溫度感測器控制。
散熱器
散熱器兼作儲水及散熱作用，再此之上還裝有膨脹水箱。因為單純依賴散熱器有幾個缺點，一是水泵吸水一側因壓力低而容易沸騰，水泵的葉輪容易穴蝕；二是氣水分離會產生氣阻；三是溫度高冷卻液容易沸騰。因此設計師就加裝了膨脹水箱，它的上下兩根水管分別與散熱器上部和水泵進水口聯接，防止上述問題的產生。
冷卻介質
雖然我們稱其為水冷但冷卻介質並不是單純的水，而是由水、防凍液和各種專門用途的防腐劑組成的混合物，也稱為冷卻液。這些冷卻液中的防凍液含量佔30%～50%，提高了液體的凝固點，防止在低溫下結冰而損壞發動機。整個冷卻系統並不與大氣相通，相當於高壓鍋的作用，水箱蓋則相當於高壓閥，一般情況下，轎車冷卻液的允許工作溫度可達攝氏120度，提高傳熱能
4 冷卻系統的構造及維護
汽車發動機的冷卻系統是保持發動機正常工作的重要部件，如果發動機冷卻系統的維修率很高，就會引起發動機其他部件的損壞，使發動機的整體工作能力受到影響，因此，汽車發動機冷卻系統的維護與保養就顯得尤為重要，那麼，怎樣才能使汽車發動機的冷卻系統保持良好的狀態呢？馳耐普的汽車美容養護專家告訴我們，正確堆護發動機的冷卻系統，首先應了解常用的水冷式發動機的主要部件：
第一、冷卻液，冷卻液指清潔的軟水，不是什麼水都可以當作冷卻液的，越嬌貴的車對水質的要求越高。比如，清澈的泉水，雖然清澈，看起來也干凈，但泉水中含有大量的礦物質，如果加入發動機的冷卻系統中，就會產生大量的水垢，影響冷卻系統正常作用的發揮，可見，冷卻液水質的好壞是相當重要的，國際上普遍使用的乙二醇型冷卻液是在軟化水中按比例添加防凍劑乙二醇，配以適量的金屬緩蝕劑、阻垢劑等添加劑進行科學調和，達到冬季防凍、夏季防沸、且能防腐蝕、防水垢等作用。
1、防凍。用乙二醇配製的冷卻液最低可在-70℃環境下使用。市場上銷售的冷卻液，乙二醇濃度一般保持在33～50％之間，也就是冰點在-20℃～-45℃之間，往往根據不同地域的實際需要合理選擇，以滿足使用要求。
2、防沸。加到水中的乙二醇會改變冷卻液的沸點。乙二醇濃度越高，冷卻液的沸點也就越高，-20℃時冷卻液的沸點為104.5℃，而-50℃時沸點達到108.5℃。如果冷卻系統採用壓力蓋，冷卻液的實際沸點會更高，即使在炎熱的夏天，也能有效的防止冷卻液「開鍋」。
3、防腐。冷卻液最主要的功能是防腐蝕。腐蝕是一種化學、電化學和浸蝕作用，逐步破壞冷卻系統內的金屬表面，嚴重時可使冷卻系統的壁穿孔，引起冷卻液漏失，導致發動機損壞。使用去離子水及適當的添加劑能防止各種腐蝕的出現。
4、防銹。銹蝕是由於冷卻系統內的氧化作用造成的。熱量和濕氣使銹蝕的過程加速。銹蝕留下的殘余物會阻塞冷卻系統，加速磨損和降低熱傳導的效率。冷卻液中的添加劑有助於防止冷卻系統通道內銹蝕的出現。
5、防垢。水源中所含的各種雜質，其中包括金屬離子、無機鹽等，決定了結垢和沉澱的形成，會大大地降低冷卻系統的導熱效率，在許多情況下會對發動機造成嚴重損害。冷卻液所使用的去離子水，可以避免結垢和沉澱的形成，從而保護發動機。
第二、汽缸水套，它相當於發動機燃燒室周圍的水道，當發動機產生大量的熱時，汽缸水套將發揮降溫的作用在發動機中，水和油的管道涇渭分明、互不幹涉，如果發現冷卻液中有油，就說明水路和油路發生了穿孔現象，一旦出現這種情況，水溫表的水溫會急劇上升，這時一定要及時採取措施。
第三、散熱水箱和冷卻風扇，散熱水箱從外觀看狀似蜂窩，做成這種形狀是為了增加水箱的散熱面積，以增強散熱效果；冷卻風扇有在正面安裝的，也有在側面安裝的，汽車在高速行駛過程中，冷卻風扇將外面的空氣吸引進來，利用自然風，起到冷卻的作用。冷卻系和空調冷凝器共同的風扇是直流永磁電動機風扇，用裝在散熱器上的溫度控制開關來控制，當散熱器中冷卻液溫度下降至93℃-98℃時風扇停轉。由於電動風扇的電源不受點火開關的控制，因此發動機熄火後，散熱器中液溫若高於88℃-93℃，電動風扇運轉是不正常的。如果低於88℃時風扇仍轉，則是不正常的；而溫度高於98℃時，仍不轉也是不正常的。當溫度高於105℃時，溫控開關高溫部分接通，電源接通電動機便高速運轉；當溫度達到120℃時，冷卻水溫過高，報警指示燈閃亮，為風扇有故障或冷卻液不足。如電動機風扇不轉，先檢查和更換熔斷絲，或檢修溫控開關，必要時再查看電風扇有無損壞。
第四、冷卻水泵和節溫器，冷卻液在冷卻系統中的流動，主要依靠冷卻水泵的動力；節溫器能感知發動機的工作溫度，低溫時，它封住水套中的水，令其在水套內流動，當達到一定溫度時再打開，讓水經過散熱水箱，發揮散熱作用。這里值得說明的是，切勿將節溫器摘掉，否則會導致發動機過冷而難以啟動。正確維護發動機的冷卻系統，應了解經常出現的幾種冷卻系統故障：
1、由於冷卻液水質不好，水箱中經常會出現銹污和水垢，它們積聚在水箱通道結合處、彎角處，阻礙水流暢通，造成散熱不良，如果出現這種情況，應及時清洗干凈，日常加水時，盡量加清潔軟水，如果用除垢防銹液，養護效果會更好，這里給您推薦馳耐普的S-510冷卻系快速除垢劑，它可以迅速溶解冷卻系統中形成的水垢、油泥和銹皮，恢復冷卻系統的功能，使冷卻液循環順暢，防止過熱、開鍋而引發的發動機損壞及動力不足；另外，馳耐普的S-520冷卻系防銹潤滑劑也是一款不錯的產品，它能防止冷卻系統銹蝕和腐蝕，有效抑制水垢生成，潤滑水泵、節溫器，消除水泵異響，保護銅、鋁、錫和其它金屬部件，延長水箱壽命，防止水箱開鍋，使發動機在正常溫度下工作。維護時清除冷卻系水垢措施:可採用2%苛性鈉水溶液加入冷卻系統，使汽車行駛一天後全部放出，再用清水沖洗；然後再加入同樣苛性鈉溶液，使用一天後放凈，最後用清水沖凈即可。也可在冷卻系統中加滿清水後，從膨脹箱的加水口加入1kg蘇打，讓汽車行駛一天放凈後，使發動機低速運行，並不斷從加水口加入清水，即可徹底清除水垢。
2、漏水，只要是流體，都有泄漏的可能，汽缸水套中的水一旦發生泄漏，水溫表的水溫就會急劇上升，出現這種情況，您一定要及時採取必要的措施，以免發生不必要的麻煩，這里給您介紹馳耐普的S-530冷卻系止漏劑，它對於冷卻系統的修復和保護作用等同於「99超強修復劑」和「S-201」，對於發動機的修復和保護，對於阻止水箱、散熱器、水泵、節溫器等部件的滲漏是獨到的，它可與任何冷卻液相融使用，並可減緩冷卻系統雜質的產生。
總的來講，冷卻系統還有很多故障，不能一一列舉。一般情況下，各位車主應遵循這樣一個原則，車輛每行駛1000千米，就應查看一下發動機的工作情況。另外，汽車剛停車時，不可立即打開水箱蓋，以免出現燙傷的情況。
5 冷卻系統工作原理
冷卻系的功用就是使發動機在任何工況下都得到適度的冷卻,從而保持在適宜的溫度(冷卻液溫度)下工作。
夏利TJ376Q型發動機採用閉式強制循環水冷卻系,其組成如圖所示。
圖1-1 發動機的冷卻系
(A)冷卻系的布置示意圖;(b)發動機機體內的水套
l-風扇;2-散熱器;3-散熱器出水管;4-水泵;5-節溫器;6-進氣管；7-風扇電機控制開關;8-空閥散熱器進水管;9-旁通軟管;10-蓄電池;11-點火開關;12-膨脹水箱;13-空調散熱器出水管;14-散熱器進水管;l5—風扇電機;I6-進氣管底部水套；17-氣缸蓋水套;l8-氣缸體水套;A-到空調散熱器去;B-由空調散熱器來
當發動機工作時,在水泵4的作用下,進入水泵4中的冷卻液被壓入缸體水套l8中,並進入缸蓋水套l7中,然後經缸蓋側向水道進入進氣管底部的水套16中,對進氣管6進行加熱,以促進其中的混合氣中的汽油蒸發、混合。在進氣管6的後端裝有節溫器5,在冷卻液溫度低於82℃時,節溫器閥門關閉,冷卻液僅經空調散熱器進水管8、空調散熱器、空調散熱器出水管l3流入散熱器出水管3。如果空調暖風開關處於關閉,冷卻液則不流經空調散熱器,而直接由空調散熱器進水管8經旁通管9流進散熱器出水管3,最後進入水泵4,即進行小循環;在冷卻液溫度高於82℃時,節溫器閥門打開,冷卻液除進行上述小循環外,還經散熱器進水管8流入散熱器2中冷卻降溫,再沿散熱器出水管3流入水泵4,即進行大循環。冷卻液如此不斷地循環流動,就使得發動機能在適宜的溫度下進行工作。
冷卻液的循環路線如圖2-2所示。
圖2-2 冷卻液循環路線示意圖
圖3-3 散熱器蓋
（A）壓力閥打開；（B）真空閥打開
1-溢流管；2-壓力閥彈簧；3-壓力閥；4-散熱器加水口；5-真空閥
6 冷卻系統的特點
傳統冷卻系統的作用是可靠地保護發動機，而還應具有改善燃料經濟性和降低排放的作用。為此，現代冷卻系統要綜合考慮下面的因素：發動機內部的摩擦損失；冷卻系統水泵的功率；燃燒邊界條件，如燃燒室溫度、充量密度、充量溫度。
先進的冷卻系統採用系統化、模塊化設計方法，統籌考慮每項影響因素，使冷卻系統既保證發動機正常工作，又提高發動機效率和減少排放。
6.1 溫度設定點
發動機工作溫度的極限值取決於排氣門周圍區域最高溫度。最理想的情況是按金屬溫度而不是冷卻液溫度控製冷卻系統，這樣才能更好地保護發動機。由於冷卻系統設定的冷卻溫度是以滿負荷時最大散熱率為基礎，因此，發動機和冷卻系統在部分負荷時處於不太理想狀態，如市區行駛和低速行駛時，會產生高油耗和排放。
通過改變冷卻液溫度設定點可改善發動機和冷卻系統在部分負荷時的性能。根據排氣門周圍區域溫度極限值，可升高或降低冷卻液或金屬溫度設定點。升高或降低溫度點都各有特點，這取決於希望達到的目的。
6.2 提高溫度設定點
提高工作溫度設定點是一種比較受歡迎的方法。提高溫度有許多優點，它直接影響發動機損耗和冷卻系統的效果以及發動機排放物的形成。提高工作溫度將提高發動機機油溫度，降低發動機摩擦磨損，降低發動機燃油消耗。
研究表明，發動機工作溫度對摩擦損失有很大影響。將冷卻液排出溫度提高到150℃，使氣缸溫度升高到195℃，油耗則下降4%-6%。將冷卻液溫度保持在90-115℃范圍內，使發動機機油的最高溫度為140℃，則油耗在部分負荷時下降10%。
提高工作溫度也明顯影響冷卻系統的效能。提高冷卻液或金屬溫度會改善發動機和散熱氣熱傳遞傳遞的效果，降低冷卻液的流速，減小水泵的額定功率，從而降低發動機的功率消耗。此外，可採用不同的方式，進一步減小冷卻液的流速。
6.3 降低溫度設定點
降低冷卻系統的工作溫度可提高發動機充氣效率，降低進氣溫度。這對燃燒過程、燃油效率及排放有利。降低溫度設定點可以節省發動機運行成本，提高部件使用壽命。
研究表明，若氣缸蓋溫度降低到50℃，點火提前角可提前3℃A而不發生爆震，充氣效率提高2%，發動機工作特性改善，有助於優化壓縮比和參數選擇，取得更好的燃油效率和排放性能。
7 冷卻系統的檢修
常見引起發動機過熱的原因有:冷卻空氣流量減少(如散熱器阻塞等)；散熱風扇不工作；低速上坡，環境溫度過高；V型皮帶過松，轉動效率差；以及缸體有水垢，節溫器失效，水泵損壞，熱敏開關失靈等。
為防止冷卻液溫度過高，在使用中必須保持散熱器和水套清潔、冷卻液數量充足、風扇皮帶張緊適當，以防發動機在負荷工作時間過長。必須注意以下要點:
1.保持冷卻系(尤其散熱器)外部和內部清潔，是提高散熱效能的重要條件。散熱器外部沾有泥污或碰撞變形，均合影響風量流通，使冷卻液溫度過高，必要時清洗或修復。
2.按規定使用防凍冷卻液，保持冷卻液數量充足。正確的冷卻液液面高度:當發動機處於冷態時，冷卻液液面在膨脹箱內，位於最高和最低標志之間。膨脹箱內裝有自動液位報警感測器，當箱內液面過低時、位於儀錶板上的冷卻液溫度報警燈問爍，應及時予以添加。
3.應保持風扇皮帶張緊力適當，風扇正常工作。皮帶過松影響水循環，加劇其磨損；過緊易損壞軸承。
4.熱敏開關連接良好，若有松動會影響風扇換檔變速及正常運轉；如果發現冷卻系溢水，應及時檢查節溫器技術狀況。
5.防止發動機大負荷、長時間工作，以免水溫過高；上坡及時換檔，減輕負荷。汽車長時間坡道行駛、擋住低或是環境溫度較高時，應注意散熱。
更換冷卻液時，將儀錶板的暖風開關撥至右端使暖風控制閥全開，拆下冷卻液膨脹箱蓋，松開水泵口軟管夾箍，拉出冷卻液軟管，放出冷卻液後再將軟管夾箍擰緊。在膨脹箱中加入冷卻液，直到液面高度與最高標志齊平為止。擰緊膨脹箱蓋。啟動發動機，直到風扇運轉，將發動機熄火，檢查冷卻液高度，必要時補充。膨脹箱內冷卻液不能注滿，加註1/2即可，一般使用2年左右更換一次。
8 冷卻系統智能控制
系統由於汽車運行過程中產生強烈的振動、熱輻射和電磁干擾，因此對該系統電路有特殊要求：1.電路要有較高的抗振動能力，以適應不同路況、車況的要求。提高系統整體的可靠性和穩定性。2.電路應採取有效的防護隔離措施，以提高其抗干擾能力。
8.1 系統組成
該系統由電控冷卻風扇、電控節溫器、電控導風板、微控制機構組成。電控冷卻風扇由電動機驅動；電控節溫器利用電加熱引起雙金屬片變形，由雙金屬片變形帶動節溫閥旋轉運動，來改變大小循環；電控導風板由雙向電動機通過傳動機構使之打開或關閉；微控制機構是利用89C51開發的單片機控制系統。
8.2 單片機控制系統工作原理
由溫度感測器感受發動機水溫的變化，同時把溫度信號轉變為同其成反比關系的電壓模擬信號。這些信號經過處理(電容器低通濾波、校正和電壓跟隨器耦合)送入A/D轉換器(ADC0809)中INO信號通道。由A/D轉換器把採集來的模擬電壓信號轉換為數字信號並讀入單片機，89C510單片機89C51根據不同的輸入信號分析處理去控制驅動電路，實現對節溫器繼電器、導風板繼電器和風扇繼電器的控制。即可實現對發動機冷卻能力的智能控制。
8.3 單片機 系統控制過程
當發動機預熱時(發動機水溫(70℃)，單片機根據檢測來的溫度數據處理分析向執行元件發出控制信號，使其完成如下操作。
a.電控冷卻風扇不工作；
b.電控導風板關閉狀態；
c.電控節溫器處於小循環狀態。
由於導風板關閉，冷卻風扇不工作，以至冷卻空氣不能進入散熱器；同時節溫器處於小循環(加熱電阻絲通電)，發動機水溫上升很快。當水溫升至75℃，單片機根據檢測來的溫度數據處理分析向執行元件發出控制信號，使電控節溫器的加熱電阻絲斷電(讓其進入大循環控制狀態)。當水溫達到80℃時，單片機又發出指令，使電控導風板處於敞開狀態。
此時可充分利用汽車行駛迎面風對散熱器的冷卻作用，盡量減少冷卻風扇的工作時間。當水溫高達95℃時，單片機經數據分析發出控制指令使電控冷卻風扇工作，而讓節溫器仍處於大循環狀態，導風板仍處於敞開狀態。這時冷卻系統的冷卻能力最大，實現快速降溫。當發動機水溫降至89℃時，單片機根據采樣數據分析處理發出控制指令，使執行元件完成以下操作。
a.電控冷卻風扇不工作；
b.電控導風板處於敞開狀態；
c.電控節溫器處於大循環狀態。
這樣，直到發動機水溫返升至95℃，電控冷卻風扇又重新工作。
結 論
汽車冷卻系統對汽車來說是至關重要的,發動機就如同人類的心臟,如果不好好保護就會受到威脅,現在隨著科技發展,冷卻系統不象以往那樣只是單純的水冷循環,現在冷卻系統智能控制很受歡迎,所以在以後的汽車發展中,單純的冷卻系統不會站主導位置了,雖然智能控制要求很高,但是在高級轎車中很實用,它代表著未來冷卻系統的發現方向,智能冷卻系統控制將會作為標准裝置在汽車上,未來一段時間在冷卻系統中將佔主導位置;而智能控制將會提高發動機的使用壽命,保障汽車的安全行駛,提高人身安全等原因,將來智能控製冷卻系統的發展將佔主導位置.
謝 辭
時間過的很快，兩年的大學生活就這么結束了，有些匆忙、有些不舍，卻也很充實。感謝我的母校黑龍江旅遊職業技術學院讓我有一段值得回憶的快樂充實的大學生活。
感謝我的輔導員XXX老師。他給予我學習上的指導和生活上的無私幫助，表示衷心感謝！祝X老師工作順利，桃李滿天下！
謝我的論文導師，XX老師，X老師在我寫論文過程中為我提出了許多寶貴建議，指正了我論文中的諸多不足，使我的論文得以順利完成，在此對導師的細心指導表示衷心感謝！
在兩年的大學生活中還有很多老師和同學給予我學習和生活上的幫助，在此我向他們表示我衷心地感謝！
最後，祝母校蒸蒸日上！祝所有老師工作順利！
參考文獻
[1] 楊萬福.發動機原理與汽車性能.北京：高等教育出版社，2004
[2] 孔憲輝.張廣坤。汽車故障診斷技術。北京：高等教育出版社,2002
[3] 張子波.汽車發動機構造與維修。北京：高等教育出版社，2005
[4] 陳家瑞等.汽車構造.北京:人民交通出版社,2003
[5] 黃虎等.現代汽車維修.上海:上海交通大學出版社,2001
⑵ 自動控向垂直鑽井系統
一、內容概述
國外在進行深部鑽井，特別是在進行大陸深部科學鑽探的過程中，認識到被動防斜技術的不足，迫切需要一種能適應深井和超深井鑽進的主動防斜技術。而最早提出這一要求並投入實際研製和應用的項目是20 世紀80 年代開始進行的聯邦德國大陸超深井計劃（KTB計劃），該井的設計深度近萬米，而所鑽深部地層很多都是結晶岩，地層傾角可達60 °左右，在這樣的條件下用傳統的鑽井工具難以使井眼保持垂直，迫切需要一種新型的垂直鑽井系統來完成這一大陸超深井計劃，因此提出研製一種採用主動防斜技術的自動垂直鑽井系統（Automationed Vertieal Drilling System，簡稱為VDS）。
自從發明旋轉鑽進技術以來，鑽孔的彎曲問題就一直存在著，造成鑽孔彎曲的根本原因是粗徑鑽具軸線偏離鑽孔軸線。造成發生鑽孔彎曲的充要條件主要是3個方面：①存在孔壁間隙，為粗徑鑽具偏倒或彎曲提供了空間；②具備偏倒或彎曲的力，為粗徑鑽具偏倒或彎曲提供動力；③粗徑鑽具偏倒或彎曲的方向穩定。
為了保證沖洗液能順暢地排出碎屑，孔壁直徑一般大於鑽具直徑，孔壁與鑽具之間的環形空隙是必然存在的。而在鑽進過程中，當孔深達到一定長度時，鑽桿柱已不是簡單的剛性體，而可視為一個細長的柔性桿件。對鑽頭施加軸向力時，鑽桿將會產生彎曲變形，由此可見，使鑽具偏倒或彎曲的條件是客觀存在的。但最終鑽孔是否彎曲，還將決定於鑽具偏倒或彎曲的方向是否穩定。如果鑽具偏倒或彎曲方向不穩定，則有可能使鑽頭在不同時刻朝著不同方向鑽進，從而發生擴壁作用。
由於鑽孔彎曲和傾斜現象的存在，一些相應的防斜技術例如鍾擺鑽具、滿眼鑽具以及偏軸鑽具等防斜打直技術也先後出現並應用到工程中。鍾擺鑽具是較早用於防斜、糾斜的鑽具組合，它是利用傾斜井內切點以下部分鑽挺重力的橫向分力，把鑽頭推靠在已斜井段的低邊，產生降斜和糾斜效果，這個力又稱為鍾擺力。而滿眼鑽具的主要特徵是其底部鑽具組合中含有2～3個或更多的與鑽頭直徑相近的穩定器以及相應的大直徑鑽挺，從而組成剛性很大、不易彎曲的防斜鑽具組合。其工作原理是在已鑽過的直井段中，保持剛性的滿眼鑽具位於井眼中間，其鑽具軸線與井眼軸心線基本保持一致，從而減小鑽頭的傾斜角度，起到控制井眼彎曲和井斜的作用。偏軸鑽具是在鑽柱的下部靠近鑽頭處設置偏重鑽鋌或者設置回轉心軸偏離鑽柱軸心線的偏軸接頭。當鑽頭回轉時，偏軸部分在靠近鑽頭上方的鑽具組合中產生一個離心力，該離心力的大小與偏心重量和偏心距有關。在軸向鑽壓的作用下，下部鑽具組合發生彎曲旋轉時成弓形。偏重鑽鋌每回轉一周就會對傾斜井段的井眼低邊產生一定的糾斜力，以減小傾斜井段的井斜角。前述幾種傳統的防斜設備和技術的共同特點是均屬於被動防斜技術。它們雖然也得到了較廣泛的工程應用，但在高陡構造的大傾角地層以及高應力破碎性地層中，由於無法克服地層極強的自然造斜能力，因而難以滿足對於深井、超深井以及復雜結構井上直井段鑽進的要求。
在提出該設想以後，美國貝克休斯公司（BakerHuges）即開展了相應的研究工作，貝克休斯公司最終於1988年研製成功垂直鑽井系統（VDS），成功解決了德國大陸超深井計劃中遇到的井斜問題。在VDS的研製過程中，從首例樣機開始，先後經歷了3 代共計5種型號的垂直鑽井系統。其中VDS-1（圖1）屬於外導向垂直鑽進系統，為最初的試驗性產品，其主要結構如圖1所示：不旋轉的導向套與旋轉軸6之間通過軸承4連接，在導向套四周均勻分布了4個可以伸縮的導向塊8，由泥漿提供驅動力的4個活塞可以分別控制導向塊的外伸。鑽進過程中的井斜數據由井斜感測器測量並反饋到裝置的微處理器單元，微處理器單元經過計算，發出控制命令給液壓閥，由液壓閥控制驅動活塞的運動，從而使得導向塊伸縮。當導向塊向外伸出時壓靠井壁，因此產生作用於旋轉軸上的糾斜導向力，使得鑽具回到中心位置。在該系統中測斜感測器、微處理器單元7等是靠內置電池供電的。由於自動垂直鑽井系統的導向塊布置在外部，工作時外伸並作用在井壁上，因此這種結構形式稱為外導向式垂鑽結構，如圖2（a）所示。
圖1 VDS-1結構示意圖
1—馬達驅動節；2—內部吸振單元；3—旋轉部分；4—軸承；5—頂部穩定器；6—旋轉軸；7—感測器、電子及電池部分；8—外促式導向塊；9—鑽頭
圖2 VDS導向塊結構布置示意圖
（a）VDS-1；（b）VDS-3
在KTB計劃中實際投入應用的產品為VDS-3和VDS-5。VDS-3在結構上與VDS-1相比的主要區別有2點：一是在電子部分上VDS-3用數字電路取代了VDS-1的模擬電路；二是在導向塊的結構形式上。如圖2（a）及（b）所示分別為VDS-1及VDS-3的導向塊布置形式。兩者的主要區別是圖2（a）中液壓缸及導向塊作用在井壁上，圖2（b）中所示VDS 3的導向塊不直接作用於井壁，而是作用在內部的旋轉中軸上。4個導向活塞內的壓力是可以獨立控制的，動力來源於內部的泥漿壓力。當鑽具未發生偏斜和彎曲時，4個導向活塞均外伸抵靠旋轉中軸，如果井眼偏離了垂直方向，井下測斜儀測得井斜數據並傳遞給微處理器單元，微處理器單元經過運算，將使其中1 個或2 個控制閥關閉，使得相應中軸在鑽頭上形成一個側向力，從而使井眼軌跡保持到垂直方向。圖3 是VDS 3的結構示意圖，其基本組成包括：馬達聯軸節、不旋轉外殼、馬達驅動節、旋轉軸、感測器、電子及電池部分、內置式導向塊以及鑽頭等。
可以看出在近鑽頭處的不旋轉外殼的外部是比較平整的，內置式導向塊安裝於不旋轉外殼中，導向塊作用在內部旋轉軸上，通過對旋轉軸的推擠調整鑽頭的方位，導向塊自身並不與外井壁直接接觸，從而提高了裝置的使用壽命，所鑽井眼軌跡的變化也更加光滑。VDS-3在鑽進時有時會引起懸掛的現象。為了改進這一問題，此外為了使VDS能應用於井徑擴大的井眼，並使其能適應井下200℃左右的高溫工作環境，貝克休斯公司進一步研製了VDS-5。VDS-5與VDS-1相似，也屬於外導向型的垂直鑽井系統。與VDS-1的主要區別在於，VDS-5採用了「負液壓導向」。所謂的「負液壓導向」是指當鑽具處於完全垂直的井眼中時，4個導向塊均在壓力作用下外伸並支撐於井壁上，使得鑽具與井眼中軸線對中。如果井眼偏斜或彎曲時，處於井眼低邊處的導向塊由於對應液壓缸失壓而縮回，這樣就會使得其對面的導向塊產生導向力把底部鑽具推向井眼低邊，從而達到糾斜目的。VDS-5與VDS-3相比，其改進之處還體現在系統中機械、液壓及電子組件是嚴格分開的，這顯然增加了系統的可靠性並便於進行維護，另外一點，VDS-5中還採用了井下交流發電機來代替抗高溫電池，使得此系統有更好的環境適應性和更長的井下工作時間。
圖3 VDS-3結構示意圖
1—馬達聯軸節；2—不旋轉外殼；3—馬達驅動節；4—旋轉軸；5—感測器、電子及電池部分；6—內置式導向塊；7—鑽頭
VDS系列在KTB計劃中的應用是成功的，在使用過程中也出現了一些不足之處，一個主要原因是因為VDS中產生導向塊的驅動力的來源是泥漿（鑽井液）的能量，然而泥漿與液壓油等普通液壓介質相比，存在顆粒含量高、潤滑性能差等特點，利用泥漿作為傳動介質時，系統中的電磁閥以及柱塞缸等液壓元件容易發生磨損和卡死現象，從而降低了系統的可靠性。其後，貝克休斯公司與其他公司合作在VDS的基礎上進行了改進，在20世紀90年代中期研製了新的垂直鑽井裝置SDD（Straight Hole Drilling Device）。SDD的結構如圖4所示。它與VDS系統基本相同，但其結構形式更為復雜一些。其主要的改進在於液壓系統和電子線路方面。SDD中的電磁閥是隔離式的，從電磁閥到液壓缸活塞之間採用了液壓油為工作介質，減小了電磁閥及液壓缸等液壓元件的磨損情況，提高了裝置的使用壽命。此外SDD中導向塊的數量也由VDS中的4個減少為3個。
圖4 SDD結構示意圖
1—泥漿脈沖發生器；2—交流發電機；3—井斜感測器及電子部分；4—液壓油源；5—井下馬達；6—撓性軸；7—外伸式導向塊；8—鑽頭
二、應用范圍及應用實例
目前國外已研製出可以自動控向的垂直鑽井設備，並已在鑽井實踐中得到了一定程度的應用，例如在美國南部路易斯安那州的鹽丘構造區域的油氣開采過程中，由於採用了自動控向垂直鑽井系統（Automationed Vertieal Drilling System），井眼軌跡的傾斜角控制在了0.18 °，與傳統的旋轉鑽進相比，鑽進效率提高了25% ～75%。在美國哥倫比亞地區的地質鑽探過程中，由於採用了自動控向垂直鑽井系統，使得每鑽進一萬英尺由耗時188天減少到了140天，大大節省了勘探費用。這些應用的實踐均說明了自動控向垂鑽技術可以大大地提高生產效率，而且鑽進的井眼質量好。我國目前已經在一些地區引入了國外的自動控向的垂直鑽井設備進行了一系列直井的鑽探，取得了較好的應用效果。
三、資料來源
張萌.2005.自動控向垂鑽系統小型化設計的關鍵技術研究.博士學位論文