楊紅梅（中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北荊州 434024）

國Ⅳ標(biāo)準發(fā)動機控制技術(shù)研究與鉆修井機應(yīng)用

楊紅梅
（中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北荊州 434024）

根據(jù)國家《大氣污染防治行動計劃》及中機車輛技術(shù)服務(wù)中心的要求，國Ⅲ標(biāo)準的發(fā)動機自2014年12月31日起禁止上路，新公告車輛必須滿足國Ⅳ排放標(biāo)準。這不僅要求發(fā)動機研制和生產(chǎn)廠家要研究和處理尾氣，像我們這樣的自制工程車輛的機械廠也要了解和掌握國Ⅳ排放標(biāo)準要求、減排技術(shù)、尾氣處理的工作原理，并很好的應(yīng)用到鉆修井機設(shè)備上。本文討論了油田鉆修井機用工業(yè)發(fā)動機國Ⅳ排放技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用情況。

國Ⅳ排放標(biāo)準 排放控制技術(shù) 后處理（SCR） 廢氣再循環(huán)（EGR） 鉆修井機

從2015年1月1日開始，國內(nèi)柴油車將實施國Ⅳ排放標(biāo)準，國Ⅲ標(biāo)準柴油車從此將不得銷售和注冊登記。這不僅要求發(fā)動機研制和生產(chǎn)廠家要研究和處理尾氣，像我們這樣的自制工程車輛的機械廠也要了解和掌握國Ⅳ排放標(biāo)準要求、減排技術(shù)、尾氣處理的工作原理，并很好的應(yīng)用到鉆修井機設(shè)備上。

汽車排放是指從廢氣中排出的CO（一氧化碳）、HC+NOx（碳氫化合物和氮氧化物）、PM（微粒，碳煙）等有害氣體。國四排放標(biāo)準是國家第四階段機動車污染物排放標(biāo)準（見表1），它要求通過更好的催化轉(zhuǎn)化器的活性層、二次空氣噴射以及帶有冷卻裝置的排氣再循環(huán)系統(tǒng)等技術(shù)的應(yīng)用，控制和減少汽車排放污染物到規(guī)定數(shù)值以下的標(biāo)準。

表1　中國道路排放法規(guī)

1　減排控制技術(shù)

1.1有害尾氣產(chǎn)生原理

目前世界汽車的主流，即99%以上水汽車使用燃油發(fā)動機。汽車通過汽油或條油在發(fā)動機中燃燒產(chǎn)生壓縮空氣動力，斷以有“汽車”這個名詞。燃油燃燒后的廢氣通過排氣管放出車外，這就是汽車“尾氣”；汽車對環(huán)境的污染，主要是尾氣污染。汽車尾氣中的有害物質(zhì)主要有以下幾種。一氧化碳（CO）：這是燃油燃燒不充分的產(chǎn)物，發(fā)動機工作情況越差，尾氣中一氧化碳就越多。城市煤氣的主要成分就是一氧化碳，它與人體血紅細胞結(jié)合后，就會減少輸氧量，所吸入一氧化碳對人體危害校大。輕者頭痛乏力，反應(yīng)能力下降，重著昏迷死亡。吸入汽車尾氣過多，也會導(dǎo)致一氧化碳中毒。碳氫化合物（HC）：由汽車缸壁淬冷。燃油蒸發(fā)及不完全燃燒所致，內(nèi)含200多種物質(zhì)，有致癌特性。氯氧化合物（NOX）：這是汽車汽缸高溫燃燒條件下，由氮和氧化合而成，排放到大氣中，成為二氧化氫，毒性很強，對人體和植物均有不良影響，也是形成酸雨和化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)之一。碳煙（PM）：聯(lián)姻中包含多種微粒，有碳拉、硫化物、鉛化物等。聯(lián)姻由燃燒不充分和曲軸箱形成，含有大量致癌物質(zhì)。二氧化碳（CO2）：這是燃油燃燒后的主要產(chǎn)物，尾氣的主要成分。

1.2減排技術(shù)（如圖1所示）

圖2　奔馳國Ⅳ發(fā)動機控制系統(tǒng)原理圖

圖3　康明斯國Ⅳ發(fā)動機控制系統(tǒng)原理圖

上述減排技術(shù)的應(yīng)用情況個發(fā)動機廠家各不相同，就油田用車裝鉆修井機來說，車裝 XJ450以下的小功率修井機主要用康明斯和奔馳發(fā)動機，其減排技術(shù)是應(yīng)用選擇性催化還原反應(yīng)－S C R （Selective Catalytic Reduction）技術(shù)，而較大功率的車裝XJ550以上的修井機和鉆機主要用卡特比勒發(fā)動機，其減排技術(shù)應(yīng)用的是廢氣再循環(huán)EGR（Exhaust Gas Recirculation）。

圖4　卡特國Ⅳ發(fā)動機控制系統(tǒng)原理圖

1.3SCR后處理技術(shù)

SCR后處理工作原理是尿素在相應(yīng)的工況下噴入廢氣中，與廢氣發(fā)生反應(yīng)，降低廢氣中的氮氧化物（NOx），以期滿足更加嚴格的排放要求。其化學(xué)反應(yīng)過程如下：

（1）SCR系統(tǒng)將發(fā)動機排氣中的氮氧化合物（NOx）轉(zhuǎn)化為氮氣和水。

（2）這個反應(yīng)需要向排氣中噴入柴油機排氣處理液DEF（一種易于分解為氨的氮化合物）。DEF由精確的加料裝置噴射到催化器上游的排氣中。噴射的DE F數(shù)量由發(fā)動機EC M進行控制。

（3）氨與NOx在一個催化器里發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生無害的氮氣（N2）和水（H2O）。SCR后處理系統(tǒng)有一個電控單元與發(fā)動機本體的控制單元集成，通過CAN總線進行通訊，并根據(jù)環(huán)境溫度、排氣溫度、尿素液位、尿素溫度、尿素壓力、NOx濃度等傳感器信號控制尿素劑量單元，根據(jù)需求定時定量地將尿素溶液噴射到排氣氣流中。

1.4EGR廢氣再循環(huán)

排氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation），內(nèi)燃機在燃燒后將排出氣體的一部分分離出、并導(dǎo)入進氣側(cè)使其再度燃燒的技術(shù)（手法或方法）。主要目的為降低排出氣體中的氮氧化物（NOx）與分擔(dān)部分負荷時可提高燃料消費率。

這兩種方式都是在國Ⅲ發(fā)動機技術(shù)的基礎(chǔ)上增加一套尾氣的處理裝置。

1.5奔馳國Ⅳ發(fā)動機控制

奔馳的SCR后處理裝置與發(fā)動機相對獨立，后處理有一個外置的控制模塊（SCR），通過CAN總線實現(xiàn)與發(fā)動機本體的通訊連接，主機廠需要設(shè)計和連接的線束和傳感器較多，控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示：圖上MR2B模塊集成在發(fā)動機本體上，發(fā)動機的ADM3控制模塊和后處理SCR控制模塊以及各種傳感器都是外置散件，需要主機廠設(shè)計安裝。

1.6康明斯國Ⅳ發(fā)動機控制（圖3）

1.7卡特國Ⅳ發(fā)動機控制（圖4）

卡特國四發(fā)動機在增加廢氣再再循環(huán)后處理裝置的同時，將相應(yīng)的傳感器都與本體連接完好，采用A DE M A4一個E C M可同時控制發(fā)動機和后處理系統(tǒng)，提供所有后處理系統(tǒng)和發(fā)動機監(jiān)控、操作接口，與國Ⅲ發(fā)動機相比，需要增加DPF指示燈、再生禁止指示燈、再生指示燈、手動再生開關(guān)和禁止再生開關(guān)，三種指示燈也可通過J1939通訊讀取，電動燃油泵替代手油泵，由發(fā)動機E C U控制。

（1）低速再生：一旦煙塵級別大于30%，就將允許低速再生。當(dāng)發(fā)動機處于靜止或非工作狀態(tài)時，將會進行低速再生。低速再生通常在30%至65%煙塵級別期間發(fā)生。低速再生考慮了對燃油和氣流進行最精確控制，所需燃油量最少，持續(xù)時間最短。發(fā)動機轉(zhuǎn)速必須在低怠速設(shè)定值和1500rpm的范圍內(nèi)。如果編程的低怠速發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于1000rpm，則發(fā)動機CEM可能會自動提升發(fā)動機轉(zhuǎn)速。發(fā)動機將會提升到1000至1500rpm之間。需要該變化以提供充足的氣流用于再生。再生行動燈熄滅后，提升后的發(fā)動機轉(zhuǎn)速可能會保持30秒鐘。

（2）高速再生：一旦煙塵級別大于60%，就將允許高速再生。高速再生通常在發(fā)動機處于正常工作模式時發(fā)生。相比低速再生，高速再生通常會消耗更多燃油并且需要更長時間來完成。更長的時間需求是由于要保持較低的所需DPF進口溫度，以避免溫度的極端變化而導(dǎo)致?lián)p壞DPF。發(fā)動機轉(zhuǎn)速（60%-80%煙塵級別）發(fā)動機轉(zhuǎn)速通常在1400到2200rpm之間。發(fā)動機每秒的轉(zhuǎn)速變化應(yīng)不超過200rpm。發(fā)動機轉(zhuǎn)速（80%-90%煙塵級別）發(fā)動機轉(zhuǎn)速通常在975到2350rpm之間。發(fā)動機每秒的轉(zhuǎn)速變化應(yīng)不超過400rpm。需要注意的是建議主機廠將高速再生設(shè)置在變速箱空檔時進行，避免因發(fā)動機提速引起安全事故。

（3）手動再生：一旦煙塵級別大于15%，就允許使用強制開關(guān)開始手動再生。 按下強制再生開關(guān)可完成手動再生。當(dāng)煙塵級別處于15%和116%之間時，可執(zhí)行手動再生。按下強制再生開關(guān)2秒鐘可執(zhí)行手動再生?？稍谏鲜龅退僭偕鷧^(qū)完成手動再生。 在高速再生區(qū)可以進行手動再生。

2　結(jié)語

上述應(yīng)用SCR和EGR后處理技術(shù)的三種發(fā)動機，目前都已應(yīng)用到我廠生產(chǎn)的XJ250-ZJ40系列鉆修井設(shè)備上，并完成了路試、形式試驗過程中的各種聯(lián)調(diào)和出廠設(shè)置，部分設(shè)備已發(fā)油田現(xiàn)場，等待工業(yè)試驗進一步驗證，我們后續(xù)會逐個跟進，了解設(shè)備的使用情況并不斷改進。

［1］中機函2013［137］號，關(guān)于實施重型柴油車國四排放標(biāo)準的通知［S］.

［2］中機函2014［148］號，關(guān)于按GB7258-2012對《公告》內(nèi)車輛產(chǎn)品進行整改的通知［S］.

［3］羋松.基于國Ⅳ標(biāo)準的重型柴油機的排放控制技術(shù)［J］.農(nóng)機使用與維護，2010（5）.

［4］余樂，聶彥鑫.柴油機顆粒物排放后處理技術(shù)［J］.汽車工程師，2009 （10）.