國Ⅳ標準發動機控制技術研究與鉆修井機應用

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）

國Ⅳ標準發動機控制技術研究與鉆修井機應用

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）

根據國家《大氣污染防治行動計劃》及中機車輛技術服務中心的要求，國Ⅲ標準的發動機自2014年12月31日起禁止上路，新公告車輛必須滿足國Ⅳ排放標準。這不僅要求發動機研制和生產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排放標準要求、減排技術、尾氣處理的工作原理，并很好的應用到鉆修井機設備上。本文討論了油田鉆修井機用工業發動機國Ⅳ排放技術及相關應用情況。

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

從2015年1月1日開始，國內柴油車將實施國Ⅳ排放標準，國Ⅲ標準柴油車從此將不得銷售和注冊登記。這不僅要求發動機研制和生產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排放標準要求、減排技術、尾氣處理的工作原理，并很好的應用到鉆修井機設備上。

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。國四排放標準是國家第四階段機動車污染物排放標準（見表1），它要求通過更好的催化轉化器的活性層、二次空氣噴射以及帶有冷卻裝置的排氣再循環系統等技術的應用，控制和減少汽車排放污染物到規定數值以下的標準。

表1　中國道路排放法規

1　減排控制技術

1.1有害尾氣產生原理

目前世界汽車的主流，即99%以上水汽車使用燃油發動機。汽車通過汽油或條油在發動機中燃燒產生壓縮空氣動力，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”；汽車對環境的污染，主要是尾氣污染。汽車尾氣中的有害物質主要有以下幾種。一氧化碳（CO）：這是燃油燃燒不充分的產物，發動機工作情況越差，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，反應能力下降，重著昏迷死亡。吸入汽車尾氣過多，也會導致一氧化碳中毒。碳氫化合物（HC）：由汽車缸壁淬冷。燃油蒸發及不完全燃燒所致，內含200多種物質，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煙霧的主要物質之一。碳煙（PM）：聯姻中包含多種微粒，有碳拉、硫化物、鉛化物等。聯姻由燃燒不充分和曲軸箱形成，含有大量致癌物質。二氧化碳（CO2）：這是燃油燃燒后的主要產物，尾氣的主要成分。

1.2減排技術（如圖1所示）

圖2　奔馳國Ⅳ發動機控制系統原理圖

圖3　康明斯國Ⅳ發動機控制系統原理圖

上述減排技術的應用情況個發動機廠家各不相同，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動機，其減排技術是應用選擇性催化還原反應－S C R （Selective Catalytic Reduction）技術，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動機，其減排技術應用的是廢氣再循環EGR（Exhaust Gas Recirculation）。

圖4　卡特國Ⅳ發動機控制系統原理圖

1.3SCR后處理技術

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

（1）SCR系統將發動機排氣中的氮氧化合物（NOx）轉化為氮氣和水。

（2）這個反應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數量由發動機EC M進行控制。

（3）氨與NOx在一個催化器里發生反應，產生無害的氮氣（N2）和水（H2O）。SCR后處理系統有一個電控單元與發動機本體的控制單元集成，通過CAN總線進行通訊，并根據環境溫度、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

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

這兩種方式都是在國Ⅲ發動機技術的基礎上增加一套尾氣的處理裝置。

1.5奔馳國Ⅳ發動機控制

奔馳的SCR后處理裝置與發動機相對獨立，后處理有一個外置的控制模塊（SCR），通過CAN總線實現與發動機本體的通訊連接，主機廠需要設計和連接的線束和傳感器較多，控制系統原理圖如圖2所示：圖上MR2B模塊集成在發動機本體上，發動機的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，需要主機廠設計安裝。

1.6康明斯國Ⅳ發動機控制（圖3）

1.7卡特國Ⅳ發動機控制（圖4）

卡特國四發動機在增加廢氣再再循環后處理裝置的同時，將相應的傳感器都與本體連接完好，采用A DE M A4一個E C M可同時控制發動機和后處理系統，提供所有后處理系統和發動機監控、操作接口，與國Ⅲ發動機相比，需要增加DPF指示燈、再生禁止指示燈、再生指示燈、手動再生開關和禁止再生開關，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。當發動機處于靜止或非工作狀態時，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，持續時間最短。發動機轉速必須在低怠速設定值和1500rpm的范圍內。如果編程的低怠速發動機轉速低于1000rpm，則發動機CEM可能會自動提升發動機轉速。發動機將會提升到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，提升后的發動機轉速可能會保持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。高速再生通常在發動機處于正常工作模式時發生。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致損壞DPF。發動機轉速（60%-80%煙塵級別）發動機轉速通常在1400到2200rpm之間。發動機每秒的轉速變化應不超過200rpm。發動機轉速（80%-90%煙塵級別）發動機轉速通常在975到2350rpm之間。發動機每秒的轉速變化應不超過400rpm。需要注意的是建議主機廠將高速再生設置在變速箱空檔時進行，避免因發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開始手動再生。 按下強制再生開關可完成手動再生。當煙塵級別處于15%和116%之間時，可執行手動再生。按下強制再生開關2秒鐘可執行手動再生。可在上述低速再生區完成手動再生。 在高速再生區可以進行手動再生。

2　結語

上述應用SCR和EGR后處理技術的三種發動機，目前都已應用到我廠生產的XJ250-ZJ40系列鉆修井設備上，并完成了路試、形式試驗過程中的各種聯調和出廠設置，部分設備已發油田現場，等待工業試驗進一步驗證，我們后續會逐個跟進，了解設備的使用情況并不斷改進。

［1］中機函2013［137］號，關于實施重型柴油車國四排放標準的通知［S］.

［2］中機函2014［148］號，關于按GB7258-2012對《公告》內車輛產品進行整改的通知［S］.

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

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