農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

譚丕強(qiáng)，王德源，樓狄明，胡志遠(yuǎn)

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農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

譚丕強(qiáng)，王德源，樓狄明，胡志遠(yuǎn)

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

農(nóng)業(yè)機(jī)械作為一種重要的非道路機(jī)械類型，其主要?jiǎng)恿υ礊椴裼蜋C(jī)，而柴油機(jī)固有的燃燒方式會導(dǎo)致其顆粒物（PM）和氮氧化物（NOx）等污染物排放嚴(yán)重，開展農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制技術(shù)的研究對人體健康和環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。該文從農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)、降低農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放的單項(xiàng)技術(shù)路線、滿足更高排放限值要求的組合技術(shù)路線3個(gè)方面進(jìn)行闡述。農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)分析了歐盟、美國和中國法規(guī)對排放限值和測試循環(huán)的要求以及各國法規(guī)的差異。中國目前正在實(shí)施的農(nóng)業(yè)機(jī)械國III排放標(biāo)準(zhǔn)，與歐盟的Stage IV和美國Tier IV標(biāo)準(zhǔn)相比，排放限值相對寬松；歐盟農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)的NRSC測試循環(huán)主要包括8工況循環(huán)和5工況循環(huán)，而中國和美國規(guī)定，19 kW以下的非恒定轉(zhuǎn)速的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)也可使用6工況循環(huán)進(jìn)行測試；歐盟和中國規(guī)定污染物測量的最終結(jié)果為冷啟動(dòng)循環(huán)結(jié)果的10%和熱啟動(dòng)循環(huán)結(jié)果的90%的加權(quán)，而美國將冷啟動(dòng)循環(huán)結(jié)果的比例調(diào)低至5%。單項(xiàng)技術(shù)路線對油品技術(shù)、機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外排氣后處理技術(shù)進(jìn)行了介紹。其中，油品技術(shù)包括提升燃油和潤滑油品質(zhì)、采用替代燃料等；機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)包括農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)、增壓及增壓中冷、燃油噴射優(yōu)化和廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）等；機(jī)外排氣后處理技術(shù)包括柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化技術(shù)（diesel oxidation catalyst，DOC）、柴油機(jī)顆粒捕集技術(shù)（diesel particulate filter，DPF）和選擇性催化還原技術(shù)(selective catalytic reduction，SCR)等。組合技術(shù)路線總結(jié)了滿足國III和國IV階段以及國外最新排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線?！皟?yōu)化燃燒+SCR”技術(shù)路線的柴油機(jī)比采用“EGR+DPF/CDPF”技術(shù)路線的柴油機(jī)節(jié)省5%～7%的油耗，若扣除尿素消耗，前者仍有一定節(jié)油優(yōu)勢；模塊構(gòu)建和單體式后處理系統(tǒng)等先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制技術(shù)是滿足Stage IV/Tier IV和Stage V的重要技術(shù)路線。最后，針對農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制技術(shù)研究，進(jìn)行了總結(jié)和展望。為滿足未來國IV排放標(biāo)準(zhǔn)，加裝機(jī)外排氣后處理催化器已經(jīng)成為一種重要手段；開發(fā)低成本、高凈化效率的集成式機(jī)外排氣后處理催化器，是未來農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制的重要研究方向。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；柴油機(jī)；排放控制；顆粒物；氮氧化物

0 引 言

農(nóng)業(yè)機(jī)械作為非道路機(jī)械的重要類型，主要包括農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械、種植業(yè)機(jī)械、農(nóng)業(yè)運(yùn)輸機(jī)械、農(nóng)田基本建設(shè)機(jī)械等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2005年到2016年，農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力總體呈持續(xù)增高態(tài)勢，截至2016年底，農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力已達(dá)9.725×108kW[1]，這表明中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的機(jī)械化作業(yè)程度不斷提高[2]；另一方面，農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量也呈持續(xù)增高態(tài)勢，從2005年至2016年，農(nóng)業(yè)機(jī)械中的大中小型拖拉機(jī)和農(nóng)用灌溉柴油機(jī)的總量已達(dá)3 257.73萬臺[1]，大約每40人就有一臺，其中，大中型拖拉機(jī)擁有量增長明顯，截至2016年底，其擁有量已達(dá)645.35萬臺，相對2005年提升362.29%?？梢钥闯?，隨著中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化步伐的加快，農(nóng)業(yè)機(jī)械得到迅猛發(fā)展。

柴油機(jī)因動(dòng)力性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好和熱效率高等原因，被廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)業(yè)機(jī)械，并占到農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力源的95%以上。但由于柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒等固有屬性[3]，相對汽油機(jī)，其顆粒物（PM）和氮氧化物（NOx）排放顯著[4]，而PM和NOx會對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成巨大危害[5]。2015年，非道路移動(dòng)源PM排放4.72′105t，NOx排放5.64′106t，其中農(nóng)業(yè)機(jī)械排放PM和NOx分別高達(dá)2.10′105t，210.5萬2.11′106t[6]，農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放占比巨大。

農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用特點(diǎn)與道路移動(dòng)源存在較大差異，污染排放問題更難解決。農(nóng)業(yè)機(jī)械服役時(shí)長期處于低速、大負(fù)荷的實(shí)際運(yùn)行工況，和高溫、高塵、高振動(dòng)的工作環(huán)境；其次，農(nóng)業(yè)機(jī)械對污染排放控制的成本敏感性較高，柴油機(jī)排氣后處理催化器的布置空間有限；另外，農(nóng)業(yè)機(jī)械種類多，排放控制技術(shù)的開發(fā)周期較長；農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用區(qū)域偏遠(yuǎn)，監(jiān)管困難，且無報(bào)廢制度等。這些應(yīng)用特點(diǎn)都加劇了農(nóng)業(yè)機(jī)械排放情況的惡化，提升了排放治理的難度。2015年全國農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)總動(dòng)力中，處于國I和國I前排放水平的農(nóng)業(yè)機(jī)械占比高達(dá)37.2%，可見，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械整體排放狀況仍處于較低水平[6-7]。

綜合以上分析，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展迅速，PM和NOx排放問題日益凸顯，并且農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用特點(diǎn)會加劇排放惡化，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械整體排放水平仍舊較低。因此，開展農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制技術(shù)的研究，具有重要意義。本文首先分析了歐盟、美國和中國的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)；接著，對農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制的單項(xiàng)技術(shù)路線和組合技術(shù)路線進(jìn)行了闡述；最后是總結(jié)和展望。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)

目前，世界上農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)主要有兩大體系，分別是歐盟體系和美國體系，2種體系都是根據(jù)不同的功率段劃分排放限值，給出相應(yīng)的一氧化碳（CO）、未燃碳?xì)洌℉C）、NOx和PM限值，有時(shí)給出NOx和HC排放之和的限值。此外，中國、日本、印度及俄羅斯等國家都有各自的排放法規(guī)體系。本章主要針對歐盟、美國和中國的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)的污染物限值及相應(yīng)的測試循環(huán)進(jìn)行闡述。

1.1 歐盟農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)限值

歐盟體系采用Stage I/II，Stage IIIA，Stage IIIB，Stage IV和最新的Stage V來劃分不同的排放階段。

歐盟委員會于1997年12月16日和2004年4月21日發(fā)布了97/68/EC[8]和 2004/26/EC[9]排放法規(guī)，這些法規(guī)相繼規(guī)定了Stage I/II（97/68/EC）、Stage III和Stage IV （2004/26/EC）歐盟農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)的排放限值和實(shí)施時(shí)間，具體內(nèi)容如表1所示。目前，歐盟農(nóng)業(yè)機(jī)械排放控制的實(shí)施階段是Stage IV。Stage V（EU2016/1628）規(guī)定，從2019年和2020年起，分別對額定凈功率（簡稱“功率”）在56 kW以下、130 kW以上和56～130 kW區(qū)間的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)開始生效。75～130 kW是目前農(nóng)業(yè)機(jī)械的典型功率分布區(qū)間，圖1為歐盟排放法規(guī)中，該功率區(qū)間內(nèi)的PM和NOx排放限值變化情況，限值加嚴(yán)趨勢明顯。

表1 歐盟農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)各階段的限值及實(shí)施歷程(NOx/HC/CO/PM和(NOx+HC)/CO/PM)

注：I表示Stage I限值，II表示Stage II限值，IIIA表示Stage IIIA限值，IIIB表示Stage IIIB限值，IV表示Stage IV限值。

Note：I indicates Stage I limits, II indicates Stage II limits, IIIA indicates Stage IIIA limits, IIIB indicates Stage IIIB limits, IV indicates Stage IV limits.

圖1 歐盟排放法規(guī)中農(nóng)業(yè)機(jī)械PM和NOx排放限值變化（75≤P<130 kW）

實(shí)際上，農(nóng)機(jī)機(jī)械柴油機(jī)不需要采用排氣后處理裝置即可滿足Stage I/II標(biāo)準(zhǔn)；在該階段，規(guī)定使用硫含量為1 000～2 000′10-6m/m的柴油進(jìn)行測試。歐盟Stage III又被分為2個(gè)子階段：IIIA和IIIB。從 Stage IIIA開始，燃油硫含量降到300×10-6，從 Stage IIIB開始，硫含量降到10×10-6。相對Stage IIIA標(biāo)準(zhǔn)，Stage IIIB未對19≤P< 37 kW的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)排放作要求，但將其他功率段的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)的PM質(zhì)量排放限值降低至0.025 g/kWh。Stage IV標(biāo)準(zhǔn)，對功率小于56 kW的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)排放未作要求，但是將NOx排放限值加嚴(yán)至0.4 g/kWh。Stage III/IV還增加了氨氣（NH3）污染限值，氨泄漏量在測試周期內(nèi)的平均值不得超過25×10-6。Stage V新增功率小于19 kW和大于560 kW的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)的排放限值，將PM限值加嚴(yán)至0.015～0.025 g/kWh，并且在19～560 kW功率區(qū)間內(nèi)新增加了對PM數(shù)量（PN）的限制，PN限值為1×1012#/kWh，接近于歐盟第VI階段道路重型柴油機(jī)在WHSC測試工況下的PN限值（8.0×1011#/kWh）。

1.2 美國農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)限值

在農(nóng)業(yè)機(jī)械尾氣排放治理方面，美國是世界上最早的國家，采用Tier I-Tier III、Inter Tier IV和Tier IV來劃分不同的排放階段。

美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）分別于1994年6月17日和2004年6月29日發(fā)布了40CFR PART89[10]和40CFR PART1039[11]排放法規(guī)，這些法規(guī)相繼規(guī)定了Tier I-Tier III和Tier IV的美國農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)的排放限值和實(shí)施時(shí)間，具體內(nèi)容如表2所示。目前，美國農(nóng)業(yè)機(jī)械排放控制的實(shí)施階段是Tier IV。圖2為美國排放法規(guī)中75～130 kW的典型功率區(qū)間內(nèi)的PM和NOx排放限值變化情況。

除Tier III標(biāo)準(zhǔn)外，Tier I、Tier II和 Tier IV均對功率在8 kW以下的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)排放限值作了規(guī)定。并且，Tier III未加嚴(yán)PM限值。Tier IV標(biāo)準(zhǔn)對功率大于56 kW農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)的NOx排放限值和功率大于19 kW的PM限值進(jìn)行大幅削減，HC排放限制也更為嚴(yán)格，CO排放限值與Tier II和Tier III標(biāo)準(zhǔn)基本一致。Tier IV標(biāo)準(zhǔn)還對配置尿素選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）裝置的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)的尿素加注間隔作了規(guī)定。雖然NH3排放不受管制，但EPA建議在適用的測試周期內(nèi)，氨泄漏的平均值低于10′10-6。Tier IV標(biāo)準(zhǔn)要求農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)必須在整個(gè)使用壽命內(nèi)都能滿足排放限值。需要注意的是，EPA要求排放法規(guī)所涵蓋的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)都要采用能夠反映排放量變化的劣化系數(shù)，并要求在報(bào)廢前的任何一次排放檢測中劣化系數(shù)都必須達(dá)標(biāo)。

表2 美國農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)的各階段限值及實(shí)施歷程（NOx/HC/CO/PM和（NOx+HC）/CO/PM）

注：I表示Tier I限值，II表示Tier II限值，III表示Tier III限值，iIV表示interim Tier IV限值，IV表示Tier IV限值，a表示“如果制造商產(chǎn)品從2012年起達(dá)到0.03 g·kWh-1的PM標(biāo)準(zhǔn)，則此處限值為0.4 g·kWh-1”。

Note：I indicates Tier I limits, II indicates Tier II limits, III indicates Tier III limits, iIV indicates interim Tier IV limits, IV indicates Tier IV limits, a means if the manufacturer's product meets a PM standard of 0.03 g·kWh-1from 2012, the limit here is 0.4 g·kWh-1.

圖2 美國排放法規(guī)中農(nóng)業(yè)機(jī)械PM和NOx排放限值變化（75≤P<130 kW）

在Tier I-Tier II階段，農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油燃料的硫含量不受法規(guī)限制，一般不超過2 000′10-6m/m的柴油被用于Tier I~Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證測試，但實(shí)際使用過程中硫含量基本在3 000×10-6。在Tier III~Tier IV階段，EPA要求減少農(nóng)用機(jī)械柴油燃料的硫含量，以克服排氣后處理裝置對硫的敏感性問題，500×10-6和15×10-6（超低硫含量）的硫含量限值分別在2007年6月和2010年6月起生效實(shí)施。從2011年起，所有農(nóng)用機(jī)械必須使用硫含量為(7～15)×10-6的燃油進(jìn)行Tier IV標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證測試。

1.3 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)限值

中國農(nóng)業(yè)機(jī)械排放標(biāo)準(zhǔn)分為第I、II、III和IV 4個(gè)階段，相關(guān)排放法規(guī)主要有GB 20891-2007《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國I、II階段）》[12]和GB 20891-2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國第III、IV階段）》[13]。

各階段的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)排放限值和規(guī)定的實(shí)施時(shí)間如表3所示。環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施國家第III階段非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的公告》規(guī)定：自2016年12月1日起，所有制造、進(jìn)口和銷售的農(nóng)業(yè)機(jī)械不得裝用不符合第III階段要求的柴油機(jī)。自此，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)全面進(jìn)入“國III”時(shí)代。第IV階段標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施日期尚未確定，國家主管部門鼓勵(lì)有條件的地區(qū)提前實(shí)施。圖3為中國排放法規(guī)中75～ 130 kW的典型功率區(qū)間內(nèi)的PM和NOx排放限值變化情況，其中，第IV階段PM限值相對第III階段下降91.67%，與歐盟Stage IV標(biāo)準(zhǔn)一致，NOx限值也低至3.3 g/kWh，與歐盟Stage IIIB標(biāo)準(zhǔn)一致。

第I階段和第II階段排放標(biāo)準(zhǔn)是在參考?xì)W盟Stage I/II標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加了小型動(dòng)力機(jī)械柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，其中，最小功率柴油機(jī)的排放限值是參考美國Tier I和Tier II標(biāo)準(zhǔn)制定的。第III/IV階段標(biāo)準(zhǔn)主要參考了歐盟指令97/68/EC及其修訂指令2004/26/EC IIIA、IIIB階段的技術(shù)內(nèi)容，該階段標(biāo)準(zhǔn)與第I/II階段標(biāo)準(zhǔn)相比：增加了560 kW以上柴油機(jī)的控制要求；優(yōu)化了一致性檢查的判定方法；增加了排放控制耐久性要求；增加了催化轉(zhuǎn)化器載體體積和貴金屬含量的試驗(yàn)要求。與第II階段限值相比，第III階段的CO限值基本沒有發(fā)生變化，PM也只是在功率小于37 kW的區(qū)間里降低至0.6 g/kWh，但各功率段內(nèi)的NOx+HC限值變化較大，降低了28%～43%。第IV階段重點(diǎn)降低NOx和PM限值，在130≤<560 kW功率區(qū)間分別降至2.0和0.025 g/kWh。中國第I~IV階段法規(guī)均對柴油燃料的硫含量進(jìn)行了限制，根據(jù)GB252- 2011《普通柴油》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，從2013年7月1日開始，中國全面供應(yīng)硫含量低于350′10-6的柴油，保證了第III階段標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施具有燃油可行性，但實(shí)際檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非道路柴油機(jī)用油的硫含量經(jīng)常超標(biāo)至2 000′10-6以上。

表3 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)的各階段限值及實(shí)施歷程（NOx/HC/CO/PM和（NOx+HC）/CO/PM）

注：I表示第I階段限值，II表第II階段限值，III表示第III階段限值，IV表示第IV階段限值。

Note：I indicates Stage I limits, II indicates Stage II limits, III indicates Stage III limits, IV indicates Stage IV limits.

圖3 中國排放法規(guī)中農(nóng)業(yè)機(jī)械PM和NOx排放限值變化（75≤P<130 kW）

2018年2月22日，環(huán)保部發(fā)布《非道路移動(dòng)機(jī)械及其裝用的柴油機(jī)污染物排放控制技術(shù)要求（征求意見稿）》（以下簡稱“征求意見稿”）[14]，以對第IV階段標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和完善，其主要技術(shù)內(nèi)容包含：

1）參考?xì)W盟2012/46/EU指令，增加了瞬態(tài)測試循環(huán)的具體要求；

2）裝用37 kW到560 kW柴油機(jī)的農(nóng)業(yè)機(jī)械需加裝DPF/CDPF，并首次要求PN應(yīng)小于5′1012#/kWh；

3）增加PEMS (portable emission measurement system)測試要求，要求測量的90%有效功基窗口的NOx比排放量小于限值的2.5倍，同時(shí)要求進(jìn)行PEMS測試時(shí)，不能有可見煙；

4）鼓勵(lì)性提出與歐盟Stage V限值相當(dāng)?shù)哪繕?biāo)性 要求；

5）裝用37 kW到560 kW柴油機(jī)的農(nóng)業(yè)機(jī)械需滿足精準(zhǔn)定位要求；

6）修改采用了歐盟EU2016/1628法規(guī)關(guān)于控制區(qū)部分的要求。綜上分析，歐盟Stage V標(biāo)準(zhǔn)是目前最為嚴(yán)格的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)，以功率區(qū)間75～130 kW為代表，其NOx限值與美國Tier IV標(biāo)準(zhǔn)一致，但PM限值比美國Tier IV標(biāo)準(zhǔn)低25%，介于歐盟第V和第VI階段道路重型柴油機(jī)排放限值之間；美國Tier IV標(biāo)準(zhǔn)的NOx、CO和HC排放限值與歐盟Stage V標(biāo)準(zhǔn)相仿，PM限值介于Stage IV和Stage V之間，但并未引入PN限值；而中國農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)主要參照歐盟標(biāo)準(zhǔn)制定，第三階段等同于歐盟的Stage IIIA，第IV階段與歐盟Stage IIIB相仿，但功率大于560 kW 的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放標(biāo)準(zhǔn)制定參照了美國interim Tier IV標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 農(nóng)業(yè)機(jī)械排放測試循環(huán)

世界上農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)排放測試循環(huán)，主要分為非道路穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（non-road steady-state cycle，NRSC）和非道路瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（non-road transient cycle，NRTC）2類。

ISO 8187是一種應(yīng)用于非道路發(fā)動(dòng)機(jī)排放測量的國際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了一系列發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)的要求。歐盟、美國和中國的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)中的NRSC循環(huán)，是選取了ISO 8187中的C1（8工況，即額定轉(zhuǎn)速下4個(gè)不同負(fù)荷工況、3個(gè)中間轉(zhuǎn)速工況和1個(gè)怠速工況）、G2（6工況，即額定轉(zhuǎn)速下5個(gè)不同負(fù)荷工況和1個(gè)怠速工況）和用于恒定轉(zhuǎn)速柴油機(jī)的D2（5工況，即額定轉(zhuǎn)速下5個(gè)不同負(fù)荷工況）3種典型循環(huán)，用于農(nóng)業(yè)機(jī)械恒定轉(zhuǎn)速、非恒定轉(zhuǎn)速柴油機(jī)的污染排放測試。圖4描述了以上3個(gè)典型穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)所包含的工況點(diǎn)和各工況排放污染物的加權(quán)系數(shù)情況。

NRTC循環(huán)是由美國EPA和歐盟委員會聯(lián)合制定的非道路移動(dòng)源瞬態(tài)測試循環(huán)，適用于非恒定轉(zhuǎn)速的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)的污染排放測試。NRTC循環(huán)具體測試工況如圖5所示，持續(xù)時(shí)間為1 238 s，使用交流電測功機(jī)，1 s換1個(gè)工況。每個(gè)工況由通過標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速百分?jǐn)?shù)、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷百分?jǐn)?shù)計(jì)算的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速（ref）和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩（ref）確定，對加載、倒拖和怠速等工況進(jìn)行模擬。測試時(shí)，先進(jìn)行冷起動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)，再進(jìn)行20 min的熱浸期，最后進(jìn)行熱起動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)。相對于歐盟第VI階段的重型機(jī)排放法規(guī)中的WHTC（world harmonized transient cycle）循環(huán)，NRTC循環(huán)包含的工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷更高，可使后處理催化器更快達(dá)到其工作溫度。歐盟和中國規(guī)定，污染物測量的最終結(jié)果為冷啟動(dòng)循環(huán)結(jié)果的10%和熱啟動(dòng)循環(huán)結(jié)果的90%的加權(quán)，而美國將冷啟動(dòng)循環(huán)結(jié)果的比例調(diào)低至5%。

圖4 非道路穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(NRSC)各工況點(diǎn)及排放污染物的加權(quán)系數(shù)

圖5 非道路瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(NRTC)中基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化情況

歐盟實(shí)施Stage IIIA標(biāo)準(zhǔn)及以前，采用NRSC循環(huán)（電渦流或水力測功機(jī)），多采用8工況循環(huán)和5工況循環(huán)。Stage IIIB-Stage V標(biāo)準(zhǔn)，在NRSC循環(huán)的基礎(chǔ)上，新增加NRTC循環(huán)。針對[130-560) kW、[56-130) kW和小于56 kW功率段的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)，NRTC循環(huán)要求分別從2011年、2012年和2013年起生效，但未對大于560 kW的機(jī)型作出要求。美國從Tier IV階段開始增加NRTC循環(huán)，還要求農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)必須符合NTE標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用于型式認(rèn)證和整個(gè)使用壽命期間。NRSC循環(huán)適用于中國農(nóng)業(yè)機(jī)械各階段排放測試，NRTC循環(huán)適用于中國第IV階段小于560 kW 的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)污染排放測試，當(dāng)然，企業(yè)也可以選用該循環(huán)進(jìn)行第III階段測試。與歐盟不同的是，中國和美國規(guī)定，19 kW以下的非恒定轉(zhuǎn)速農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)也可使用6工況循環(huán)進(jìn)行測試。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制的單項(xiàng)技術(shù)路線

降低農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放的單項(xiàng)技術(shù)路線主要分為3類，分別是：油品技術(shù)、機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外排氣后處理技術(shù)。

2.1 油品技術(shù)

油品技術(shù)主要通過提升燃油、潤滑油品質(zhì)，采用替代燃料等，來提升農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)的燃燒性能，進(jìn)而降低排放水平。

2.1.1 燃油和潤滑油品質(zhì)

提升柴油和潤滑油品質(zhì)，即要求確保柴油具有合適的十六烷值，降低柴油硫含量和多環(huán)芳烴含量等，降低潤滑油中磷和灰分等雜質(zhì)含量等。試驗(yàn)證明，當(dāng)柴油中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.12%減少到0.05%時(shí)，PM排放量將減少8%～10%[15]。另外，燃油添加劑（fuel borne catalyst，F(xiàn)BC）對減少農(nóng)業(yè)機(jī)械排放也有一定的促進(jìn)作用[16]，主要包括鈰（Ce）、鐵（Fe）、Ce-Fe、鉑（Pt）、Pt-Ce、錳（Mn）和銅（Cu）等??，其中，Pt-Ce雙金屬FBC是用于控制柴油機(jī)排放物的一種非常有前景的策略，Pt-Ce添加劑（0.5×10-6Pt和5×10-6Ce）可使得PM氧化溫度顯著降低至275～300 ℃[17]。

2.1.2 替代燃料

生物柴油具有含芳烴較少、十六烷值高、含氧豐富等特點(diǎn)[18-19]，在相同的燃燒環(huán)境下，滯燃期縮短，缸內(nèi)溫度及缺氧程度大大降低，高分子燃料裂解生成PM的傾向減少[20]。因此，采用生物柴油或者生物柴油-柴油混合燃料，可有效地控制柴油機(jī)PM排放[21-22]。其次，天然氣制油[23]、醇類燃料[24]、氫燃料、煤漿燃料和植物油等其他替代燃料的引入，也提供了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械減少排放的手段。但也有研究表明，使用生物柴油和天然氣制油等替代燃料，會增加柴油機(jī)的PN和NOx排放。

2.2 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

2.2.1 本體優(yōu)化設(shè)計(jì)

本體設(shè)計(jì)優(yōu)化主要指與燃燒過程相關(guān)的系統(tǒng)及零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)[25]，主要包括配氣系統(tǒng)優(yōu)化、燃燒室結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化以及其他改進(jìn)與布置等。

配氣系統(tǒng)優(yōu)化主要包括進(jìn)排氣門和進(jìn)氣道的改進(jìn)、配氣機(jī)構(gòu)的尺寸和凸輪型線優(yōu)化等。例如，為了控制NOx排放，通常需要減小壓縮比，需對氣道形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高進(jìn)排氣道流通能力，適當(dāng)降低進(jìn)氣道渦流強(qiáng)度。柴油機(jī)的排放特性與燃燒室的結(jié)構(gòu)形狀關(guān)系密切。直噴式燃燒室柴油機(jī)的NO、CO、HC及煙度都比渦流室柴油機(jī)的高，特別是高負(fù)荷時(shí)的NO、CO、煙度及低負(fù)荷時(shí)CO及HC，差別非常明顯，但渦流室式柴油機(jī)的燃油消耗率比直噴式柴油機(jī)的高。通過設(shè)計(jì)緊湊的燃燒室形狀，避開燃燒的死角，提高柴油機(jī)的空氣利用率，同時(shí)通過合理的氣道渦流比匹配，加速柴油機(jī)混合氣形成速率，避免局部過濃或過稀，以降低PM和HC的生成。

2.2.2 增壓和增壓中冷

采用增壓的方式提高進(jìn)氣密度，保證燃燒充分以抑制PM的生成[26]。但是增壓會導(dǎo)致壓縮后期氣缸溫度的提升，缸內(nèi)最高燃燒溫度上升，造成NOx生成量增加[27]。通常，采用增壓加中冷的方法來降低進(jìn)氣溫度，以降低NOx排放。增壓中冷就是把新鮮空氣通過增壓器中段冷卻，再沖入氣缸，這樣會使氣缸壓縮行程后期的溫度降低，減少NOx生成量[28]。

2.2.3 燃油噴射優(yōu)化

噴射系統(tǒng)優(yōu)化主要包括噴油嘴的布置和改進(jìn)設(shè)計(jì)、燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等[29]。對于柱塞式噴油泵，供油提前角是通過調(diào)整噴油泵的預(yù)行程來進(jìn)行的，預(yù)行程影響到柱塞上行過程中的工作段從而影響噴油泵的供油速率。一般來講，減小供油提前角導(dǎo)致預(yù)行程增大，會提高油泵的供油速率，并降低最高燃燒溫度、減小燃燒的高溫區(qū)域、縮短燃?xì)庠诟邷叵聹舻臅r(shí)間，降低NOx排放。而最新的電控共軌燃油噴射系統(tǒng)可以獨(dú)立地控制噴油系統(tǒng)，配合高噴射壓力（120～200 MPa）使燃油噴霧液滴進(jìn)一步細(xì)化，增大與空氣的接觸面積，促進(jìn)燃油與空氣的混合，有利于改善燃燒過程減少PM的生成[30-31]。

2.2.4 廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）

EGR技術(shù)是將柴油機(jī)少量廢氣送回進(jìn)氣系統(tǒng)，一方面是稀釋新鮮混合氣以降低混合氣氧濃度[32]，一方面是提高惰性氣體量以降低缸內(nèi)混合氣燃燒速度，另一方面是通過提高缸內(nèi)混合氣比熱容來降低燃燒溫度。通過以上幾個(gè)方面抑制NOx生成[33-34]。由于柴油機(jī)缸內(nèi)PM和NOx的trade-off關(guān)系，EGR在降低NOx生成量的同時(shí)，PM生成量會增加[35]。

2.3 機(jī)外排氣后處理技術(shù)

2.3.1 柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化技術(shù)（diesel oxidation catalyst，DOC）

DOC是農(nóng)業(yè)機(jī)械最常用的排氣后處理催化器之一[36]，可以將農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)排氣成分中的CO、HC和NO氧化，釋放熱量，提高排氣溫度，并且通過氧化PM中的可溶性有機(jī)物（soluble organic fraction，SOF）去除部分PM[37-38]。DOC一般由載體、催化劑、減振層、絕熱層和殼體等部分構(gòu)成，其中，載體和催化劑是DOC的核心組成部分。DOC載體一般為陶瓷載體，主要類型是堇青石和碳化硅（SiC），通常為平行的蜂窩式通孔結(jié)構(gòu)。催化劑的主要成分為Pt、銠（Rh）和鈀（Pd）等貴金屬通過不同配比構(gòu)成，通過降低可燃物的起燃溫度，去除排氣中的CO和HC等[39]。柴油中較高的硫含量會將排氣中的SO2氧化為SO3，生成硫酸霧或固態(tài)硫酸鹽顆粒，額外增加PM排放量。因此，DOC一般適用硫含量較低的柴油燃料，并要保證柴油機(jī)運(yùn)行工況、催化劑及載體、DOC形狀以及入口溫度等保持正常，使凈化效果達(dá)到最佳[15]。目前，DOC已被廣泛配置于滿足最新排放法規(guī)的農(nóng)業(yè) 機(jī)械。

2.3.2 柴油機(jī)顆粒捕集技術(shù)（diesel particulate filter，DPF）

DPF是凈化柴油機(jī)PM的最關(guān)鍵的排氣后處理裝置，并已得到廣泛研究[40-42]，其一般結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)排氣通過DPF時(shí)，先由DPF的濾芯捕集PM。DPF的過濾材料主要有陶瓷基、金屬基和復(fù)合基三大類。其中，陶瓷基過濾材料應(yīng)用范圍最廣，主要包括堇青石、SiC、硅結(jié)合碳化硅、鈦酸鋁和莫來石等?；诓煌牟牧咸匦裕^濾器類型有壁流式蜂窩陶瓷過濾體、泡沫式過濾體、金屬絲網(wǎng)過濾體、陶瓷纖維過濾體和直流式過濾體等，其中，壁流式蜂窩陶瓷過濾體應(yīng)用范圍最廣，它通過擴(kuò)散、攔截、慣性碰撞和重力沉降4種機(jī)理對PM進(jìn)行捕集，其典型結(jié)構(gòu)和捕集機(jī)理如圖7所示。

圖6 DPF結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 DPF典型結(jié)構(gòu)和PM捕集機(jī)理示意圖

DPF對PM的非穩(wěn)態(tài)捕集過程主要包括深床捕集和濾餅捕集2個(gè)階段。據(jù)研究，DPF對PM綜合捕集效率在90%以上[43]，且當(dāng)DPF處于濾餅層捕集階段時(shí)，其捕集效率能達(dá)到97%左右[44]。隨著PM在DPF的沉積量不斷增加，排氣背圧增加，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性惡化，因此必須及時(shí)地將捕集的PM氧化燃燒掉，實(shí)現(xiàn)DPF再生。要實(shí)現(xiàn)DPF再生，必須提高排氣溫度（主動(dòng)再生）或者降低PM起燃溫度（被動(dòng)再生）。噴油助燃再生是國內(nèi)外研究和應(yīng)用比較多的一種主動(dòng)再生方法，按照實(shí)現(xiàn)方法的不同，基本上可以分為以下3種：燃燒器噴油助燃再生、DOC上游排氣管內(nèi)二次燃油噴射再生和缸內(nèi)燃油后噴再生[45-46]。另外，催化型柴油機(jī)顆粒捕集器（catalytic diesel particulate filter，CDPF）是在濾芯材料表面涂覆或浸漬高催化活性的催化劑, 以降低PM的反應(yīng)活化能[47]，其催化劑可以分為3類：簡單金屬氧化物催化劑、貴金屬催化劑、復(fù)合氧化物催化劑。其中，Pt-Pd氧化涂層較為常見，Pt和Pd分別對NO和HC有很好的氧化作用，其中Pd的比例一般在20%～30%之間。這些催化劑可以將PM的起燃溫度降低至200～300℃, 但該類技術(shù)要求柴油硫含量在50×10-6以下，以避免硫含量過高導(dǎo)致的催化劑中毒問題。

2.3.3 選擇性催化還原技術(shù)（selective catalytic reduction,SCR）

SCR是指利用柴油機(jī)尾氣中有機(jī)物為還原劑或添加還原劑，在氧濃度高出NOx濃度2個(gè)數(shù)量級以上條件下，高選擇性地優(yōu)先把NOx還原為氮?dú)猓∟2）。通常采用NH3、HC以及H2等作為還原劑，其中，NH3-SCR應(yīng)用范圍最廣[48-50]。NH3本身雖然無毒，但它是一種具有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體，不便于直接應(yīng)用于SCR催化器, 且不便于儲存運(yùn)輸，故采用向排氣管中噴射尿素水溶液的方式提供反應(yīng)所需的NH3[51]。NH3-SCR還原劑使用的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%的尿素水溶液（diesel exhaust fluid，DEF）。之所以選用32.5%的濃度，是因?yàn)樵摑舛认碌腄EF具有最低的冰點(diǎn)（-11 ℃）。SCR系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

圖8 SCR系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)

SCR系統(tǒng)的物理、化學(xué)過程主要分為兩部分：NH3的釋放和NH3的氧化還原反應(yīng)。其中，NH3的釋放可分為：尿素顆粒的析出、熱解，以及后者發(fā)生在SCR催化劑表面的異氰酸（HCNO）的水解，分別對應(yīng)反應(yīng)（1）-（3）：

(NH2)CO(aq)→(NH2)2CO(s)＋H2O(g) （1）

(NH2)CO(s)→NH3(g)＋HNCO(g) （2）

HNCO(g)→NH3(g)＋CO2(g) （3）

NH3的氧化還原反應(yīng)包括標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)、快速SCR反應(yīng)和慢速SCR反應(yīng)，分別對應(yīng)反應(yīng)（4）-（6）：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O （4）

2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O （5）

8NH3+6NO2→7N2+12H2O （6）

在柴油機(jī)排放的尾氣中，85%～95%的NOx是以NO的形式存在。因此，SCR催化器中的反應(yīng)基本以標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)為主，而快速SCR反應(yīng)的反應(yīng)速率是標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)的17倍，具有優(yōu)先反應(yīng)權(quán)。所以，提高NO2/NOx比，使其接近于50%，有助于提高反應(yīng)速率。

SCR催化劑主要包括釩基和沸石基兩類。釩基催化劑中，V2O5/WO3-TiO2基金屬氧化物型催化劑最為常見，沸石基SCR催化劑主要分為Cu基分子篩和Fe基分子篩，3種SCR催化劑的優(yōu)缺點(diǎn)如表4所示。

表4 不同類型SCR催化劑對比

美國、日本等國家通常使用沸石基催化劑。為滿足最嚴(yán)格的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)，可能要求農(nóng)業(yè)機(jī)械同時(shí)配置DPF和SCR催化器，SCR催化器通常安裝在DPF下游，但DPF主動(dòng)再生時(shí)排氣溫度通常會達(dá)到700～800 ℃，瞬時(shí)溫度甚至達(dá)到1 000 ℃以上，而釩基催化劑的載體TiO2在溫度高于550～600 ℃時(shí)會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致催化劑快速老化，NOx 轉(zhuǎn)化效率大幅降低[52]。Cu-Fe復(fù)合SCR催化劑因?yàn)榛钚源翱趯挼葍?yōu)點(diǎn)[53]，現(xiàn)在已成為了研究熱點(diǎn)。Metkar等[54]通過小樣試驗(yàn)和臺架試驗(yàn)，比較研究了Cu基、Fe基和Cu-Fe復(fù)合SCR催化劑的反應(yīng)特征，并建立了總的反應(yīng)模型，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，SCR催化劑反應(yīng)特性與表4描述一致。

圖9 Cu基、Fe基和Cu-Fe復(fù)合基的SCR催化劑反應(yīng)特征

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制的組合技術(shù)路線

為滿足日益嚴(yán)格的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)，各種單項(xiàng)技術(shù)路線的組合對農(nóng)業(yè)機(jī)械的污染排放控制起到越來越重要的作用，國內(nèi)外采取的技術(shù)路線也在不斷演變，且區(qū)別較大。

3.1 國外組合技術(shù)路線

歐盟Stage IIIB標(biāo)準(zhǔn)引入的0.025 g/kWh的PM限值，旨在強(qiáng)制使用DPF/CDPF。而事實(shí)上，相當(dāng)大比例的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)僅通過機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)就達(dá)到該限值，無需 加裝排氣后處理裝置；Stage IV標(biāo)準(zhǔn)引入了非常嚴(yán)格的0.4 g/kWh的NOx排放限值，推進(jìn)了尿素SCR技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)上的廣泛使用；Stage V引入的PN限值需要確保農(nóng)業(yè)機(jī)械加裝DPF/CDPF；為滿足Stage V標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)大多數(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械都將配置DOC、DPF/CDPF和SCR催化器。對于美國EPA排放法規(guī)，通過油品技術(shù)和機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，不用或僅僅使用DOC，即可滿足Tier I-III標(biāo)準(zhǔn)。Tier IV標(biāo)準(zhǔn)要求PM和NOx排放量進(jìn)一步減少約90%，因此要滿足Tier IV標(biāo)準(zhǔn)，排氣后處理裝置將發(fā)揮重要作用，但與Stage V不同的是，美國Tier IV標(biāo)準(zhǔn)并不強(qiáng)制農(nóng)業(yè)機(jī)械加裝DPF/CDPF。

目前，國外著名的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)有美國的康明斯（Cummins）公司、英國的珀金斯（Perkins）公司等，主要的農(nóng)業(yè)機(jī)械企業(yè)有美國的約翰迪爾（John Deere）公司、凱斯紐荷蘭（CNH）公司和阿格科（AGCO）公司，德國的道依茨（Deutz）公司、日本的久保田（Kubota）公司等[55]。國外針對農(nóng)業(yè)排放控制的組合技術(shù)路線已進(jìn)行了大量的研究。

Cummins的Liu等[56]以渦輪增壓器和冷卻EGR的8.9 L QSL高壓共軌柴油機(jī)為研究對象，驗(yàn)證了“DOC+SCR”的技術(shù)路線可使該機(jī)型滿足歐盟Stage IV和美國Tier IV標(biāo)準(zhǔn)，在NRTC和NRSC循環(huán)下，該技術(shù)路線可使NOx的排放量分別降低36%和69%，降幅較明顯；另外，Liu等[57]也對“釩基SCR+氨氧化催化器”和“DOC+銅基分子篩SCR”2條技術(shù)路線對于排放的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)前者雖然沒有達(dá)到后者相同的CO減排水平，但排放量比美國Tier IV和歐盟Stage IV的法規(guī)限值低一個(gè)數(shù)量級以上；Kubota的Onishi等[58]開發(fā)了適用于機(jī)械噴射方式的小型柴油機(jī)、緊湊型、低成本的燃料燃燒器，用于DPF再生，可使農(nóng)業(yè)機(jī)械滿足Tier IV標(biāo)準(zhǔn)，并在Kubota 05系列柴油機(jī)上得到驗(yàn)證；John Deere的Dou[59]介紹了John Deere公司在Interim Tier IV階段的技術(shù)路線，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣熱管理問題是DPF再生成功的關(guān)鍵，總結(jié)了DOC-DPF系統(tǒng)在正常和再生條件下的排放特性，并對DPF內(nèi)部灰分累積和壓降特性進(jìn)行了分析；de Rudder[60]介紹了不使用DPF和EGR條件下，使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到Tier IV排放水平的先進(jìn)SCR技術(shù)應(yīng)用；另外，AVL的Daum等[61]推測，對于19～37 kW功率區(qū)間內(nèi)的非道路移動(dòng)機(jī)械，為滿足未來更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，配置共軌噴射系統(tǒng)、冷卻EGR和DOC的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種極具潛力的技術(shù)路線。下面主要對Cummins、John Deere和Deutz 3家企業(yè)應(yīng)對嚴(yán)格排放法規(guī)的組合技術(shù)路線進(jìn)行闡述。

3.1.1 滿足歐盟Stage IV/美國Tier IV排放標(biāo)準(zhǔn)的組合技術(shù)路線

可實(shí)現(xiàn)99%被動(dòng)再生的康明斯緊湊型轉(zhuǎn)化器（Cummins compact catalyst，CCC）與SCR相結(jié)合（CCC-SCR）的超潔凈后處理系統(tǒng)是Cummins應(yīng)對歐盟Stage IV/美國Tier IV標(biāo)準(zhǔn)的重要組合技術(shù)路線。早在2012年巴黎工程機(jī)械展上展示的滿足美國Tier IV和歐盟Stage IV標(biāo)準(zhǔn)的QSB系列6.7 L和QSX系列15 L柴油機(jī)上，該技術(shù)就應(yīng)用其中。該系統(tǒng)結(jié)合加強(qiáng)型可變截面渦輪增壓器和高壓共軌技術(shù)使用，可使PM和NOx排放均下降90%以上。CCC-SCR后處理系統(tǒng)適用于56～298 kW 的4缸和6缸柴油機(jī)的控制，有多種規(guī)格，包括Z式、臥式和立式，并且它采用直流空氣濾清器，可有效節(jié)省安裝空間，更換周期更長。另外，Cummins在Tier IV階段的SCR技術(shù)采用Cu基分子篩催化劑，可將高達(dá)95%的NOx去除，低溫轉(zhuǎn)化效率更高，并采用更加先進(jìn)的傳感器進(jìn)行全閉環(huán)控制，DEF的混合霧化水平更高。

JDPS（John Deere power system）的模塊構(gòu)建是John Deere采用的滿足Tier IV /Stage IV標(biāo)準(zhǔn)的重要技術(shù)路線，在部分功率等級的產(chǎn)品上采用整體集成式排放控制系統(tǒng)，即將優(yōu)化的后處理技術(shù)與采用冷卻EGR的原Interim Tier IV /Stage IIIB柴油機(jī)平臺相結(jié)合的系統(tǒng)。其典型的整體集成式排放控制系統(tǒng)由專為非道路移動(dòng)源開發(fā)的DOC、DPF和SCR系統(tǒng)組成。該整體集成式排放控制系統(tǒng)由一個(gè)排氣捕集濾清器和經(jīng)過優(yōu)化并完全集成在一起的SCR后處理部件組成。該系統(tǒng)由John Deere公司專有的增強(qiáng)版柴油機(jī)電控單元統(tǒng)一進(jìn)行監(jiān)控，具有出色的DEF使用效率，其所消耗的DEF比Interim Tier IV /Stage IIIB 階段的SCR技術(shù)路線要少，這也使得尿素箱尺寸可以更小。另外，John Deere Tier IV/Stage IV標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)的燃料可以是傳統(tǒng)的超低硫柴油燃料，也可以是混合比為5%～20%、滿足相應(yīng)美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)的生物柴油。

Deutz也推出了各型號農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)在歐盟Stage IV階段技術(shù)路線。其中，TCD3.6系列采用“DOC+顆粒氧化催化技術(shù)(POC)+SCR”的技術(shù)路線，TCD4.1/TCD6.1，TCD7.8，TCD12.0/TCD16.0系列均采用“DOC+DPF+ SCR”的技術(shù)路線。

3.1.2 滿足歐盟Stage V排放標(biāo)準(zhǔn)的組合技術(shù)路線

單體式后處理系統(tǒng)是Cummins滿足歐盟Stage V標(biāo)準(zhǔn)的重要技術(shù)路線。采用Cummins單體式后處理系統(tǒng)，通過先進(jìn)的單筒封裝技術(shù)，巧妙地將DPF、SCR和尿素噴射系統(tǒng)集成在一起，無需安裝EGR后處理裝置，與上一階段的裝置相比，安裝尺寸可節(jié)省50%，質(zhì)量可減輕30%。該系統(tǒng)使用了由Cummins與Faurecia排放控制技術(shù)公司聯(lián)合開發(fā)的螺旋狀尿素分解室，在提升尿素噴霧水平的同時(shí)，將尿素沉積的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。Stage V 單體式后處理系統(tǒng)的長度有多種選擇，對應(yīng)非道路市場的復(fù)雜性和多樣性，可滿足不同柴油機(jī)的安裝需求。并且，能夠耐受5 000′10-6的燃油硫含量，油品適應(yīng)性更強(qiáng)。其“極致潔凈”系列非道路用柴油機(jī)功率范圍為55～300 kW，包括4缸的QSF3.8、QSB4.5系列和6缸的QSL9系列柴油機(jī)等。另外John Deere在Stage V階段仍舊延續(xù)JDPS的后處理技術(shù)路線，減排效果顯著。在Deutz的產(chǎn)品中，滿足Stage V階段的四缸機(jī)系列TCD2.9、TCD3.6、TCD4.1及六缸機(jī)系列TCD6.1和TCD7.8備受市場青睞。

3.2 國內(nèi)組合技術(shù)路線

目前，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械排放控制仍處于第III階段。農(nóng)業(yè)機(jī)械的排放限值與實(shí)際排放狀況與歐盟現(xiàn)階段的Stage IV和美國現(xiàn)階段的Tier IV相比仍存在較大差距。僅通過油品技術(shù)和機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)即可滿足第I~III階段的限值要求，而為滿足第IV階段的限值要求，需運(yùn)用機(jī)外排氣后處理技術(shù)。目前，國內(nèi)針對這些組合技術(shù)路線已進(jìn)行了大量研究。

中國一拖的張怡軍等[62]運(yùn)用CAD/UG等三維技術(shù)和CAE分析技術(shù)對重要部件全面優(yōu)化，通過采用新結(jié)構(gòu)活塞、高壓軌、高壓泵、電控噴油器等零件，使得4V5R型柴油機(jī)順利滿足國III排放標(biāo)準(zhǔn)；中國一拖的楊衛(wèi)平等[63]也設(shè)計(jì)了一個(gè)小型控制器，從PM信號集成泵采集轉(zhuǎn) 速、負(fù)荷等信號實(shí)現(xiàn)對電控EGR閥的精確控制，可使LR4A3EP柴油機(jī)達(dá)到歐盟Stage IIIA排放標(biāo)準(zhǔn)；武漢理工大學(xué)的羅馬吉等[64]和熊鋒[65]以395E非道路用柴油機(jī)為研究樣機(jī)，選取增壓中冷作為技術(shù)路線，并對噴油嘴孔徑、啟噴壓力等供油系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對縮口啞鈴型的燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使395E柴油機(jī)可滿足美國Tier IV排放標(biāo)準(zhǔn)。吉林大學(xué)的張賓[66]以東方紅704型拖拉機(jī)為研究對象，通過內(nèi)部EGR率的選擇以及噴油正時(shí)的優(yōu)化試驗(yàn)，使柴油機(jī)的排放達(dá)到國III排放限值的要求；江蘇大學(xué)的夏驊[67]以某型增壓四缸柴油機(jī)為研究對象，通過對噴油器、噴油泵、噴油提前角和EGR閥開度的優(yōu)化，經(jīng)8工況循環(huán)試驗(yàn)研究后，測得各排放物最終的試驗(yàn)結(jié)果為NOx：3.577 g/kWh，PM：0.175 g/kWh，CO：1.625 g/kWh，HC：0.175 g/kWh，滿足國III標(biāo)準(zhǔn)；劉志華等[68]以115 mm缸徑單缸柴油機(jī)為研究對象，通過減小噴油器安裝傾角、優(yōu)化設(shè)計(jì)緊湊燃燒室等措施，并將燃油壓力提高至60 MPa以上，也使樣機(jī)達(dá)到國III排放水平。

3.2.1 滿足國III排放標(biāo)準(zhǔn)的組合技術(shù)路線

從國II升級到國III，主要有以下3種技術(shù)路線：機(jī)械泵+電控EGR、電控單體泵+電控EGR、高壓共軌。其中，運(yùn)用高壓共軌和電控單體泵技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)，屬于“電噴”柴油機(jī)。

1）“機(jī)械泵+電控EGR”路線

該技術(shù)路線，最早由德國曼恩公司創(chuàng)造，是在國II階段的機(jī)械泵的基礎(chǔ)上加裝EGR，以減少污染物排放，具有結(jié)構(gòu)變動(dòng)小、達(dá)標(biāo)成本增加少等優(yōu)點(diǎn)。受機(jī)械泵的結(jié)構(gòu)限制，該技術(shù)路線提升噴射壓力、改善燃燒的空間很小，難以保證排放一致性，尤其在農(nóng)業(yè)機(jī)械使用環(huán)境比較惡劣的情況下。即使農(nóng)業(yè)機(jī)械利用該路線可以滿足第III階段排放標(biāo)準(zhǔn)，也不具備升級國IV以及未來國V階段排放標(biāo)準(zhǔn)的潛力。另外，在2015年3月2日的國家環(huán)保部召開的非道路國III申報(bào)工作會議上，對“機(jī)械泵+ 電控EGR+渦輪增壓”路線暫不接受認(rèn)證，因此該技術(shù)路線還存在國家政策風(fēng)險(xiǎn)，需要謹(jǐn)慎對待。

2）“電控單體泵+電控EGR”路線

該技術(shù)路線對柴油機(jī)改動(dòng)小，制造工藝簡單，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度低，制造成本較低，對燃油的品質(zhì)要求并不高，容易達(dá)到國III排放標(biāo)準(zhǔn)。但也存在不能實(shí)現(xiàn)多次噴射、各缸噴射的壓力不均勻、國內(nèi)生產(chǎn)可靠性性差、升級潛力小等問題。市場上常見的洛拖LR6R3LU和LR6M3LU、常柴4L88、玉柴YC4A-T3和YC6J-T3等均采用了電控單體泵技術(shù)。

3）“高壓共軌”路線

該技術(shù)路線中，ECU 通過接收各傳感器的信號，借助于噴油器上的電磁閥讓柴油機(jī)以正確的噴油壓力在正確的噴油點(diǎn)噴射出正確的噴油量。高壓共軌系統(tǒng)具有供油壓力高、供油穩(wěn)定、控制靈活、能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射等優(yōu)點(diǎn)，但也存在柴油機(jī)變動(dòng)大、匹配時(shí)間及供貨易受供應(yīng)商制約、燃油品質(zhì)要求嚴(yán)格、成本較高等缺點(diǎn)。市場上常見的洛拖YM6K7LR和YM6S4LR、常柴4G33TC和3M78、濰柴WP4G154E330、玉柴YCD4N23T8-100B和全柴4D2-110U32 等均采用了高壓共軌技術(shù)。表5總結(jié)了玉柴和洛拖2家企業(yè)應(yīng)對國III標(biāo)準(zhǔn)采取的一般技術(shù)路線。

表5 玉柴和洛拖滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械國III排放標(biāo)準(zhǔn)的組合技術(shù)路線[69-70]

3.2.2 滿足國IV排放標(biāo)準(zhǔn)的組合技術(shù)路線

在“征求意見稿”發(fā)布之前，要實(shí)現(xiàn)國IV對NOx和PM都較低的限值，大致上有以下2條組合技術(shù)路線：“優(yōu)化燃燒+SCR”，即先通過優(yōu)化燃燒降低PM，再使用SCR技術(shù)來降低NOx排放，此技術(shù)路線適用于較大功率機(jī)型；“EGR+DPF/CDPF”，即使用EGR使NOx降低，再加裝DPF/CDPF凈化PM，此技術(shù)路線適用于較小功率機(jī)型。2條組合技術(shù)路線的對比如表6所示。

表6 滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械國IV排放標(biāo)準(zhǔn)的兩條組合技術(shù)路線對比

采用“優(yōu)化燃燒+SCR”技術(shù)路線的柴油機(jī)比采用“EGR+DPF/CDPF”技術(shù)路線的柴油機(jī)節(jié)省5%～7%的油耗，若扣除因尿素消耗而增加的費(fèi)用，還有節(jié)油2%～3%的優(yōu)勢，目前歐盟較多采用這條路線，而美國多使用“EGR+DPF”技術(shù)路線?？紤]到中國國情，燃油品質(zhì)還有一定差距，但尿素生產(chǎn)比較普遍，因此中國實(shí)施農(nóng)業(yè)機(jī)械國IV排放更傾向于SCR技術(shù)路線?！罢髑笠庖姼濉卑l(fā)布之后，按照最新的《非道路移動(dòng)機(jī)械及其裝用的柴油機(jī)污染物排放控制技術(shù)要求》，“優(yōu)化燃燒+SCR”技術(shù)路線中將增加DPF/CDPF，以滿足PN排放要求。當(dāng)然，針對農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)型，進(jìn)行滿足國IV排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線選擇時(shí)，需要考慮農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)的功率、排量和具體使用環(huán)境等各方面要求。

4 總結(jié)與展望

目前，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展迅速，PM和NOx排放問題日益嚴(yán)重，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械整體排放水平仍就較低。因此，開展農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制技術(shù)的研究，具有重要意義。

1）中國目前實(shí)施的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放標(biāo)準(zhǔn)處于第III階段，與歐盟實(shí)施的Stage IV和美國實(shí)施的Tier IV排放標(biāo)準(zhǔn)相比，排放限值相對寬松。歐盟、美國和中國的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)分別從Stage IIIB、Tier IV和國IV階段增加NRTC測試循環(huán)。并且，與歐盟不同的是，中國和美國規(guī)定，19 kW以下的非恒定轉(zhuǎn)速的農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)也可使用6工況循環(huán)進(jìn)行測試；歐盟和中國規(guī)定污染物測量的最終結(jié)果為冷啟動(dòng)循環(huán)結(jié)果的10%和熱啟動(dòng)循環(huán)結(jié)果的90%的加權(quán)，而美國將冷啟動(dòng)循環(huán)結(jié)果的比例調(diào)低至5%。

2）農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制的單項(xiàng)技術(shù)路線主要包括油品技術(shù)、機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外排氣后處理技術(shù)。其中，油品技術(shù)包括提升燃油和潤滑油品質(zhì)、采用替代燃料等；機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)包括農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)、增壓及增壓中冷、燃油噴射優(yōu)化和EGR等；機(jī)外排氣后處理技術(shù)包括DOC技術(shù)、DPF技術(shù)和SCR技術(shù)等。油品技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制的前提條件，機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)是基礎(chǔ)，而先進(jìn)的機(jī)外排氣后處理技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械達(dá)到嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。

為滿足未來農(nóng)業(yè)機(jī)械排放標(biāo)準(zhǔn)，不能僅依靠油品技術(shù)和機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，加裝機(jī)外排氣后處理催化器將會是一種重要手段；分別針對中大功率和小功率農(nóng)業(yè)機(jī)械的“DOC+DPF/CDPF+SCR”和“EGR+DPF/CDPF”技術(shù)路線或?qū)⒊蔀闈M足國IV排放標(biāo)準(zhǔn)的主流技術(shù)路線；“DOC+ DPF/CDPF+SCR”的組合技術(shù)路線也已成為滿足歐盟Stage V甚至更嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的首選路線；開發(fā)低成本、高凈化效率和緊湊型的機(jī)外排氣后處理催化器，已成為農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制的重要研究方向。

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Progress of control technologies on exhaust emissions for agricultural machinery

Tan Piqiang, Wang Deyuan, Lou Diming, Hu Zhiyuan

(201804,)

As an important type of non-road machinery, agricultural machinery plays an important role in national economy. At present, the main power source of agricultural machinery is diesel engine. However, the inherent combustion mode of diesel engine leads to large amounts of pollutant emission such as particulate matter (PM) and nitrogen oxide (NOx), and PM and NOx can cause great damage to human health and ecological environment. Therefore, exhaust emission control technology research for agricultural machinery is of great significance. From 3 aspects, this paper elaborates agricultural machinery emission legislation, individual technical routes to reduce agricultural machinery emissions, and combined technical routes to meet more stringent emission limits. Agricultural machinery emissions legislation part analyzes regulations of the EU (European union), the United States and China on exhaust emission limits, test cycles requirements, and their differences. The current agricultural machinery emission legislation for agricultural machinery in China is Stage III. Compared with the standard of Stage IV implemented by the EU and the standard of Tier IV implemented by the United States, exhaust emission limits of China III are relatively relaxed. Legislation of the EU, the United States and China for agricultural machinery increases the non-road transient cycle (NRTC) from Stage IIIB, Tier IV and China IV, respectively. Unlike the EU, China and the United States stipulate that agricultural machinery diesel engines of non-constant speed below 19 kW can also be tested under the cycle of 6 working conditions. In EU and China, the final measuring results of exhaust emissions consist of 10% of the cold start and 90% of the hot start, while the United States reduced the proportion of cold start test cycle results to 5%. Individual technical routes of agricultural machinery emission control mainly include oil technologies, engine purification technologies, and exhaust after-treatment technologies. Among them, oil technologies include improving the quality of fuel and lubricating oil, use of alternative fuels, and so on. Engine purification technologies include diesel engine optimization design for agricultural machinery, supercharging and supercharged intercooler, fuel injection optimization, and EGR (exhaust gas recirculation). Exhaust after-treatment technologies include DOC (diesel oxidation catalyst) technology, DPF (diesel particulate filter) technology and SCR (selective catalytic reduction) technology. Oil technology is a prerequisite for agricultural machinery exhaust emission control, while engine purification technology is the foundation. Advanced exhaust after-treatment technology is the key to meet stringent emission limits for agricultural machinery. Combined technology routes summarize the methods to meet China III and IV emission limits and the latest foreign emission limits. Diesel engines using the “optimized combustion + SCR” route save 5%-7% fuel compared with diesel engines using the “EGR + DPF/CDPF (catalytic diesel particulate filter)” route. Deducting urea consumption, the former route still saves 2%-3% fuel. “Optimized combustion + SCR” route is used in the EU commonly, while “EGR + DPF/CDPF” is usually used in the United States. Considering actual situation in China, there is still much room for improvement in fuel quality, but urea production is very common, so the implementation of China IV legislation prefers SCR. Of course, to find proper routes for agricultural machinery exhaust emission control, it needs to consider the power of agricultural machinery diesel engine, displacement and specific use of the environment, and other requirements. Finally, this paper summarizes the prospects of agricultural machinery emission control technologies. To meet the future China IV limits, it is a significant measure to install an exhaust after-treatment catalytic converter for agricultural machinery. Developing an integrated exhaust after-treatment catalytic converter with low cost and high purification efficiency may become an important research direction for the future emission control of agricultural machinery.

agricultural machinery; diesel engines; emission control; PM; NOx

譚丕強(qiáng)，王德源，樓狄明，胡志遠(yuǎn). 農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(7)：1－14. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.001 http://www.tcsae.org

Tan Piqiang, Wang Deyuan, Lou Diming, Hu Zhiyuan. Progress of control technologies on exhaust emissions for agricultural machinery [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 1－14. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.001 http://www.tcsae.org

2018-01-16

2018-03-15

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2017YFC0211202）

譚丕強(qiáng)，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)污染排放控制技術(shù)等。Email：tpq2000@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.001

TK421+.5; S-1

A

1002-6819(2018)-07-0001-14