国Ⅳ标准发动机控制技术研究与钻修井机应用

杨红梅

【摘 要】根据国家《大气污染防治行动计划》及中机车辆技术服务中心的要求，国Ⅲ标准的发动机自2014年12月31日起禁止上路，新公告车辆必须满足国Ⅳ排放标准。这不仅要求发动机研制和生产厂家要研究和处理尾气，像我们这样的自制工程车辆的机械厂也要了解和掌握国Ⅳ排放标准要求、减排技术、尾气处理的工作原理，并很好的应用到钻修井机设备上。本文讨论了油田钻修井机用工业发动机国Ⅳ排放技术及相关应用情况。

【关键词】 国Ⅳ排放标准 排放控制技术 后处理（SCR） 废气再循环（EGR） 钻修井机

从2015年1月1日开始，国内柴油车将实施国Ⅳ排放标准，国Ⅲ标准柴油车从此将不得销售和注册登记。这不仅要求发动机研制和生产厂家要研究和处理尾气，像我们这样的自制工程车辆的机械厂也要了解和掌握国Ⅳ排放标准要求、减排技术、尾气处理的工作原理，并很好的应用到钻修井机设备上。

汽车排放是指从废气中排出的CO（一氧化碳）、HC+NOx（碳氢化合物和氮氧化物）、PM（微粒，碳烟）等有害气体。国四排放标准是国家第四阶段机动车污染物排放标准（见表1），它要求通过更好的催化转化器的活性层、二次空气喷射以及带有冷却装置的排气再循环系统等技术的应用，控制和减少汽车排放污染物到规定数值以下的标准。

1 减排控制技术

1.1 有害尾气产生原理

目前世界汽车的主流，即99%以上水汽车使用燃油发动机。汽车通过汽油或条油在发动机中燃烧产生压缩空气动力，断以有“汽车”这个名词。燃油燃烧后的废气通过排气管放出车外，这就是汽车“尾气”；汽车对环境的污染，主要是尾气污染。汽车尾气中的有害物质主要有以下几种。一氧化碳（CO）：这是燃油燃烧不充分的产物，发动机工作情况越差，尾气中一氧化碳就越多。城市煤气的主要成分就是一氧化碳，它与人体血红细胞结合后，就会减少输氧量，所吸入一氧化碳对人体危害校大。轻者头痛乏力，反应能力下降，重着昏迷死亡。吸入汽车尾气过多，也会导致一氧化碳中毒。碳氢化合物（HC）：由汽车缸壁淬冷。燃油蒸发及不完全燃烧所致，内含200多种物质，有致癌特性。氯氧化合物（NOX）：这是汽车汽缸高温燃烧条件下，由氮和氧化合而成，排放到大气中，成为二氧化氢，毒性很强，对人体和植物均有不良影响，也是形成酸雨和化学烟雾的主要物质之一。碳烟（PM）：联姻中包含多种微粒，有碳拉、硫化物、铅化物等。联姻由燃烧不充分和曲轴箱形成，含有大量致癌物质。二氧化碳（CO2）：这是燃油燃烧后的主要产物，尾气的主要成分。

1.2 减排技术（如图1所示）

上述减排技术的应用情况个发动机厂家各不相同，就油田用车装钻修井机来说，车装 XJ450以下的小功率修井机主要用康明斯和奔驰发动机，其减排技术是应用选择性催化还原反应-SCR（Selective Catalytic Reduction ）技术，而较大功率的车装XJ550以上的修井机和钻机主要用卡特比勒发动机，其减排技术应用的是废气再循环EGR（Exhaust Gas Recirculation）。

1.3 SCR后处理技术

SCR后处理工作原理是尿素在相应的工况下喷入废气中，与废气发生反应，降低废气中的氮氧化物（NOx），以期满足更加严格的排放要求。其化学反应过程如下：

（1）SCR 系统将发动机排气中的氮氧化合物（NOx）转化为氮气和水。

（2）这个反应需要向排气中喷入柴油机排气处理液DEF（一种易于分解为氨的氮化合物）。 DEF由精确的加料装置喷射到催化器上游的排气中。喷射的 DEF 数量由发动机 ECM进行控制。

（3）氨与 NOx在一个催化器里发生反应，产生无害的氮气 （N2） 和水 （H2O） 。SCR后处理系统有一个电控单元与发动机本体的控制单元集成，通过CAN总线进行通讯，并根据环境温度、排气温度、尿素液位、尿素温度、尿素压力、NOx浓度等传感器信号控制尿素剂量单元，根据需求定时定量地将尿素溶液喷射到排气气流中。

1.4 EGR 废气再循环

排气再循环（Exhaust Gas Recirculation），内燃机在燃烧后将排出气体的一部分分离出、并导入进气侧使其再度燃烧的技术（手法或方法）。主要目的为降低排出气体中的氮氧化物（NOx）与分担部分负荷时可提高燃料消费率。

这两种方式都是在国Ⅲ发动机技术的基础上增加一套尾气的处理装置。

1.5奔驰国Ⅳ发动机控制

奔驰的SCR后处理装置与发动机相对独立，后处理有一个外置的控制模块（SCR），通过CAN总线实现与发动机本体的通讯连接，主机厂需要设计和连接的线束和传感器较多，控制系统原理图如图2所示：图上MR2B模块集成在发动机本体上，发动机的ADM3控制模块和后处理SCR控制模块以及各种传感器都是外置散件，需要主机厂设计安装。

1.6 康明斯国Ⅳ发动机控制

1.7卡特国Ⅳ发动机控制

卡特国四发动机在增加废气再再循环后处理装置的同时，将相应的传感器都与本体连接完好，采用ADEM A4一个ECM可同时控制发动机和后处理系统，提供所有后处理系统和发动机监控、操作接口，与国Ⅲ发动机相比，需要增加DPF指示灯、再生禁止指示灯、再生指示灯、手动再生开关和禁止再生开关，三种指示灯也可通过J1939通讯读取，电动燃油泵替代手油泵，由发动机ECU控制。

（1）低速再生： 一旦烟尘级别大于30%，就将允许低速再生。当发动机处于静止或非工作状态时，将会进行低速再生。低速再生通常在30% 至65%烟尘级别期间发生。低速再生考虑了对燃油和气流进行最精确控制，所需燃油量最少，持续时间最短。 发动机转速必须在低怠速设定值和1500 rpm 的范围内。如果编程的低怠速发动机转速低于1000 rpm，则发动机CEM 可能会自动提升发动机转速。发动机将会提升到1000 至1500 rpm 之间。需要该变化以提供充足的气流用于再生。再生行动灯熄灭后，提升后的发动机转速可能会保持30秒钟。

（2）高速再生：一旦烟尘级别大于60%，就将允许高速再生。高速再生通常在发动机处于正常工作模式时发生。相比低速再生，高速再生通常会消耗更多燃油并且需要更长时间来完成。更长的时间需求是由于要保持较低的所需DPF进口温度，以避免温度的极端变化而导致损坏DPF。 发动机转速（60% - 80% 烟尘级别）发动机转速通常在1400 到2200 rpm 之间。发动机每秒的转速变化应不超过200 rpm。 发动机转速（80% - 90% 烟尘级别）发动机转速通常在975 到2350 rpm 之间。发动机每秒的转速变化应不超过400 rpm。需要注意的是建议主机厂将高速再生设置在变速箱空档时进行，避免因发动机提速引起安全事故。

（3）手动再生：一旦烟尘级别大于15%，就允许使用强制开关开始手动再生。 按下强制再生开关可完成手动再生。当烟尘级别处于15% 和116% 之间时，可执行手动再生。按下强制再生开关2 秒钟可执行手动再生。可在上述低速再生区完成手动再生。 在高速再生区可以进行手动再生。

2 结语

上述应用SCR和EGR后处理技术的三种发动机，目前都已应用到我厂生产的XJ250-ZJ40系列钻修井设备上，并完成了路试、形式试验过程中的各种联调和出厂设置，部分设备已发油田现场，等待工业试验进一步验证，我们后续会逐个跟进，了解设备的使用情况并不断改进。

参考文献：

[1]中机函2013[137]号，关于实施重型柴油车国四排放标准的通知[S].

[2]中机函2014[148]号，关于按GB7258-2012对《公告》内车辆产品进行整改的通知[S].

[3]芈松.基于国Ⅳ标准的重型柴油机的排放控制技术[J].农机使用与维护，2010（5）.

[4]余乐，聂彦鑫.柴油机颗粒物排放后处理技术[J].汽车工程师，2009（10）.