楊紅梅

【摘 要】根據(jù)國(guó)家《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》及中機(jī)車輛技術(shù)服務(wù)中心的要求，國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)自2014年12月31日起禁止上路，新公告車輛必須滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)。這不僅要求發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械廠也要了解和掌握國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)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(jī)設(shè)備上。本文討論了油田鉆修井機(jī)用工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)Ⅳ排放技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】 國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn) 排放控制技術(shù) 后處理（SCR） 廢氣再循環(huán)（EGR） 鉆修井機(jī)

從2015年1月1日開始，國(guó)內(nèi)柴油車將實(shí)施國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)柴油車從此將不得銷售和注冊(cè)登記。這不僅要求發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械廠也要了解和掌握國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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?xì)浠衔锖偷趸铮?、PM（微粒，碳煙）等有害氣體。國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家第四階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（見表1），它要求通過(guò)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(zhǔn)。

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(dòng)機(jī)。汽車通過(guò)汽油或條油在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒產(chǎn)生壓縮空氣動(dòng)力，斷以有“汽車”這個(gè)名詞。燃油燃燒后的廢氣通過(guò)排氣管放出車外，這就是汽車“尾氣”；汽車對(duì)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(dòng)機(jī)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(xì)胞結(jié)合后，就會(huì)減少輸氧量，所吸入一氧化碳對(duì)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(guò)多，也會(huì)導(dǎo)致一氧化碳中毒。碳?xì)浠衔铮℉C）：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(qiáng)，對(duì)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）

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

1.3 SCR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(yán)格的排放要求。其化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下：

（1）SCR 系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的氮氧化合物（NOx）轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?/p>

（2）這個(gè)反應(yīng)需要向排氣中噴入柴油機(jī)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 DEF 數(shù)量由發(fā)動(dòng)機(jī) ECM進(jìn)行控制。

（3）氨與 NOx在一個(gè)催化器里發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生無(wú)害的氮?dú)?（N2） 和水 （H2O） 。SCR后處理系統(tǒng)有一個(gè)電控單元與發(fā)動(dòng)機(jī)本體的控制單元集成，通過(guò)CAN總線進(jìn)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(hào)控制尿素劑量單元，根據(jù)需求定時(shí)定量地將尿素溶液噴射到排氣氣流中。

1.4 EGR 廢氣再循環(huán)

排氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation），內(nèi)燃機(jī)在燃燒后將排出氣體的一部分分離出、并導(dǎo)入進(jìn)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(fù)荷時(shí)可提高燃料消費(fèi)率。

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

1.5奔馳國(guó)Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)控制

奔馳的SCR后處理裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)獨(dú)立，后處理有一個(gè)外置的控制模塊（SCR），通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)本體的通訊連接，主機(jī)廠需要設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)本體上，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)廠設(shè)計(jì)安裝。

1.6 康明斯國(guó)Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)控制

1.7卡特國(guó)Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)控制

卡特國(guó)四發(fā)動(dòng)機(jī)在增加廢氣再再循環(huán)后處理裝置的同時(shí)，將相應(yīng)的傳感器都與本體連接完好，采用ADEM A4一個(gè)ECM可同時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)，提供所有后處理系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控、操作接口，與國(guó)Ⅲ發(fā)動(dòng)機(jī)相比，需要增加DPF指示燈、再生禁止指示燈、再生指示燈、手動(dòng)再生開關(guān)和禁止再生開關(guān)，三種指示燈也可通過(guò)J1939通訊讀取，電動(dòng)燃油泵替代手油泵，由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制。

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

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

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

2 結(jié)語(yǔ)

上述應(yīng)用SCR和EGR后處理技術(shù)的三種發(fā)動(dòng)機(jī)，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(yàn)過(guò)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(chǎng)，等待工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，我們后續(xù)會(huì)逐個(gè)跟進(jìn)，了解設(shè)備的使用情況并不斷改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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