農(nóng)用拖拉機(jī)排放綜述*

陳文武，李加強(qiáng)

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

0 引言

我國拖拉機(jī)市場是典型的存量市場，拖拉機(jī)保有量巨大，如圖1所示，近10年來，我國拖拉機(jī)擁有量基本在2 200萬臺(tái)以上。截至2019年末，我國農(nóng)用拖拉機(jī)擁有量達(dá)2 224萬臺(tái)，其中大中型拖拉機(jī)數(shù)量約為444萬臺(tái)，小型拖拉機(jī)數(shù)量約為1 780萬臺(tái)[1]。柴油驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械是大氣污染的重要來源之一[2-6]。拖拉機(jī)耗油量大，要進(jìn)行犁地、土壤耕作、施肥、割草、運(yùn)輸?shù)雀鞣N農(nóng)業(yè)作業(yè)，是污染最嚴(yán)重的農(nóng)用機(jī)械[7]。2019年，全國農(nóng)業(yè)機(jī)械排放量中，大中型拖拉機(jī)排放的污染物占農(nóng)業(yè)機(jī)械總排放量的33.8%，小型拖拉機(jī)排放的污染物占農(nóng)業(yè)機(jī)械總排放量的23.4%[8]。隨著非道路移動(dòng)機(jī)械保有量不斷增長，其排放污染物問題正受到越來越多的重視。開展合理有效的農(nóng)用拖拉機(jī)排放試驗(yàn)及控制方法對人類的健康和生存環(huán)境有重要意義。

圖1 2011—2020年中國農(nóng)用拖拉機(jī)擁有量情況

農(nóng)用拖拉機(jī)長期在低速、高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，且使用地區(qū)偏遠(yuǎn)，監(jiān)管困難，導(dǎo)致了農(nóng)用拖拉機(jī)NOX

（Nitrogen Oxides）和PM（Particulate Matter）等污染物排放情況惡劣[9-11]。雖然目前我國對農(nóng)用機(jī)械有相應(yīng)的排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，但其法規(guī)的建立和實(shí)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美國家，且研究方法單一，具體參數(shù)主要是在固定運(yùn)行模式的發(fā)動(dòng)機(jī)測試中獲得的。在實(shí)際工況下作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷參數(shù)時(shí)有變化，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷或速度的突然變化會(huì)影響拖拉機(jī)的性能參數(shù)，這就造成了農(nóng)用拖拉機(jī)排放研究存在許多問題。因此，本項(xiàng)目主要介紹了歐盟、美國和中國農(nóng)用機(jī)械的發(fā)展，概括了國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)用拖拉機(jī)排放的研究進(jìn)展，對農(nóng)用機(jī)械排放控制技術(shù)進(jìn)行闡述，提出我國農(nóng)用拖拉機(jī)存在的一些問題，為我國農(nóng)用拖拉機(jī)排放研究制定更加系統(tǒng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯糠椒ā?/p>

1 農(nóng)用機(jī)械排放法規(guī)

1.1 農(nóng)用機(jī)械法規(guī)發(fā)展

農(nóng)業(yè)機(jī)械的排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)目前主要分為歐盟和美國兩大體系，這兩種體系都是根據(jù)不同功率段對各種污染物進(jìn)行排放限制。2004年，歐盟頒布了非道路用柴油機(jī)第Ⅲ階段（A和B）和第Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)（2004/26/EC）[12]，并在2010年開始分功率段執(zhí)行實(shí)施ⅢB和Ⅳ階段，較歐盟實(shí)施的StageⅣ階段，StageⅤ（EU2016/1628）[13]階段增加了小于19 kW功率段和大于560 kW功率段的排放限值，并在19 kW～560 kW功率段增加了對PN數(shù)量的排放限值。美國則是在2014年正式實(shí)行非道路Tier4正式階段排放標(biāo)準(zhǔn)，與2008年實(shí)行的非道路Tier4過渡階段[14]相比，正式階段各功率PM均降低了90%以上，而CO、NOX、HC的排放限值則沒有什么變化。而我國對于農(nóng)用機(jī)械污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的研究起步比較晚，我國農(nóng)用機(jī)械排放限值標(biāo)準(zhǔn)主要分為四個(gè)階段，其排放法規(guī)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（中國第三、四階段）》[15]主要是參考了歐盟2004/26/EC指令,其中，對于37 kW～560 kW的非道路用柴油機(jī)污染物排放限值與歐盟的2004/26/EC指令相同，而對于560 kW以上的非道路用柴油機(jī)污染物排放限值則與美國的非道路Tier3階段相同。而就目前中國農(nóng)用拖拉機(jī)擁有狀況而言，其排放法規(guī)按照不同功率段進(jìn)行污染物排放限值的劃分，其中，小型拖拉機(jī)趨于飽和，典型功率段75 kW～130 kW的大中型拖拉機(jī)則呈現(xiàn)大幅度增長[16]。如圖2所示，隨著法規(guī)的愈加嚴(yán)苛，NOX和PM的排放限值將會(huì)越來越嚴(yán)苛。

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

1.2 農(nóng)用機(jī)械測試方法

對于農(nóng)用機(jī)械，我國目前正采取的是中國非道路第三階段排放限值，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)作業(yè)工況的不同，又主要分為臺(tái)架試驗(yàn)和車載試驗(yàn)[17]。臺(tái)架試驗(yàn)又主要包括穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（Non-Road Steady-state Cycle，NRSC）和瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（Non-Road Transient Cycle，NRTC），對于非恒定轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用的是六工況法和八工況法，對于恒定轉(zhuǎn)速下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用的是五工況法，法規(guī)同時(shí)還給定了每個(gè)測試工況的加權(quán)系數(shù)，以此來確保污染物的采樣時(shí)間。對于即將實(shí)施的農(nóng)用機(jī)械第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)，增加了瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)，如圖3所示。由圖3可知，該循環(huán)主要包括1 238 s逐秒變化的瞬態(tài)工況，每個(gè)工況通過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速與最小瞬態(tài)性能轉(zhuǎn)速以及對應(yīng)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷百分比計(jì)算出的實(shí)際轉(zhuǎn)速和扭矩來確定。該試驗(yàn)循環(huán)適用于第四階段小于560 kW非恒定轉(zhuǎn)速柴油機(jī)排氣污染物的測量。目前，國內(nèi)對于農(nóng)用拖拉機(jī)車載排放測試沒有規(guī)定具體試驗(yàn)規(guī)程，因此，國內(nèi)大多學(xué)者[18]對農(nóng)用拖拉機(jī)實(shí)際工況下的排放測試，主要分為怠速、行走、作業(yè)三種工況，以此來探究每個(gè)工況下農(nóng)用拖拉機(jī)的不同排放特性。

圖3 非道路瞬態(tài)循環(huán)中基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化情況

2 農(nóng)用拖拉機(jī)排放控制技術(shù)研究

降低農(nóng)用拖拉機(jī)污染物排放是一個(gè)系統(tǒng)的問題，主要涉及柴油機(jī)燃料和潤滑油的設(shè)計(jì)控制技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)、缸內(nèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)以及先進(jìn)的排氣后處理技術(shù)[19-20]等。因此，隨著排放法規(guī)越來越嚴(yán)苛，必須從系統(tǒng)的角度考慮適合我國國情的排放控制技術(shù)路線。

2.1 替代燃料對排放的影響

生物柴油具有較高的十六烷值，有助于減少柴油機(jī)廢氣的排放[21-22]。但是由于生物柴油所使用的生物質(zhì)材料以及混合物的百分比不同，導(dǎo)致其具有不同黏度、密度、水含量以及熱值。研究發(fā)現(xiàn)，生物柴油和生物柴油混合燃料可以減少CO、HC、PM的排放，但是往往會(huì)增加CO2和NOX的排放[23-24]。目前國內(nèi)還沒有報(bào)道過生物柴油應(yīng)用在農(nóng)用拖拉機(jī)整車上的試驗(yàn)研究，但在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究具有一定的基礎(chǔ)。國內(nèi)韓紅濤等[25]采用礦物柴油和生物柴油混合燃料對農(nóng)用拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行排放特性分析，發(fā)現(xiàn)與石化柴油相比，混合燃料中生物柴油的增加導(dǎo)致CO2和CO排放量減少。在較高負(fù)荷下，燃料燃燒更完全，導(dǎo)致CO2排放量的減少小于CO排放量的減少。隨著生物柴油在混合燃料中所占比例的增加，所有運(yùn)行工況下的排氣溫度降低。在較低的排氣溫度下，NOX排放量仍隨生物柴油用量的增加而增加。國外Simkic等[26]發(fā)現(xiàn)使用生物柴油或其混合燃料都減少了CO的排放，但是增加了CO2和NOX的排放。但是Milan D T等[27]測試了生物柴油、化石柴油和摻入15%、25%、50%和75%生物柴油和化石柴油混合燃料對中功率（37 kW～66 kW）農(nóng)用拖拉機(jī)性能和排放性能的影響，當(dāng)加入含15%生物柴油的混合燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率有所提高。根據(jù)生物柴油在混合燃料中所占份額的不同，所有混合燃料都顯示出比化石柴油更高的比油耗。JE等[28]發(fā)現(xiàn)使用油菜籽油和石化柴油的拖拉機(jī)NOX、CO、HC、PM排放量低于法定非道路瞬態(tài)循環(huán)（NRTC）時(shí)的排放量。并且以菜籽油為燃料替代柴油，具有減少溫室氣體排放的巨大潛力。與此同時(shí)，醚類燃料也被作為一種超潔凈排放替代燃料，其十六烷值比柴油高，自燃溫度比柴油低，滯燃期短，有利于減少NOX排放和降低燃燒噪聲[29-31]。但目前二甲醚的研究還處于起步階段，大規(guī)模的推廣還存在加壓配送體系的建立、發(fā)動(dòng)機(jī)改造、二甲醚非道路用燃料的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的確立等問題需要解決。

2.2 國內(nèi)外排放控制技術(shù)研究進(jìn)展

目前，國內(nèi)農(nóng)用拖拉機(jī)通過機(jī)內(nèi)處理技術(shù)和油品技術(shù)即可達(dá)到國三的排放限值要求。張賓[32]對一臺(tái)國二的東方紅704農(nóng)用拖拉機(jī)進(jìn)行研究，通過對內(nèi)部EGR率的選擇以及噴油正時(shí)的優(yōu)化試驗(yàn)研究，最終使其排放達(dá)到了國三的排放標(biāo)準(zhǔn)。謝緯安等[33]對小型農(nóng)用單缸柴油機(jī)在不同EGR率下燃用生物柴油的NOX和PM排放特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采用EGR技術(shù)能夠明顯改善柴油機(jī)的NOX排放量，但同時(shí)會(huì)引起碳煙排放的增加。通過在柴油中添加生物柴油能夠在一定程度上減少碳煙排放。其中，高負(fù)荷、大EGR率條件下的改善最為明顯?？傮w上，柴油中添加生物柴油與EGR技術(shù)共同作用能夠有效減少柴油機(jī)高負(fù)荷工況時(shí)的顆粒排放總數(shù)量。然而，對于即將實(shí)施的國四階段的排放階段標(biāo)準(zhǔn)，則需要采用先進(jìn)的機(jī)外后處理技術(shù)。目前，國內(nèi)對于農(nóng)用拖拉機(jī)采取后處理排放控制技術(shù)的研究較少，與歐盟和美國的排放限值標(biāo)準(zhǔn)還存在較大的的差距，而國外對此已經(jīng)展開了一定的研究。Jerzy Merkisz等[34]對一臺(tái)配備了廢氣再循環(huán)技術(shù)和氧化催化劑的農(nóng)用拖拉機(jī)A和一臺(tái)裝有直噴式柴油機(jī)組的農(nóng)用拖拉機(jī)B進(jìn)行實(shí)際工況下的排放測試，發(fā)現(xiàn)拖拉機(jī)A具有更好的生態(tài)特性。拖拉機(jī)A耕作時(shí)，由于氧化催化劑的效果，CO和HC的濃度降低，且拖拉機(jī)A油耗比拖拉機(jī)B油耗更低。國外Jacopo Bacenetti等[35]對兩臺(tái)相似的農(nóng)用拖拉機(jī)分別采用了EGR和SCR兩種減少污染物排放控制技術(shù)進(jìn)行了農(nóng)業(yè)耕作的比較，發(fā)現(xiàn)裝備了SCR的農(nóng)用拖拉機(jī)減少了NOX和顆粒物對環(huán)境的污染。

2.3 國內(nèi)外組合技術(shù)路線

隨著排放法規(guī)越來越嚴(yán)苛，越來越多的單項(xiàng)技術(shù)的組合被運(yùn)用到農(nóng)用機(jī)械污染物的排放控制[36-37]。歐洲傾向于優(yōu)化燃燒+SCR，美國和日本傾向于EGR+DPF。而依據(jù)我國國情及基本工業(yè)的關(guān)系，我國對于國四階段非道路移動(dòng)用柴油機(jī)排放控制基本技術(shù)路線主流將會(huì)是優(yōu)化燃燒+SCR和EGR+DPF。雖然優(yōu)化燃燒+SCR對柴油的品質(zhì)要求不高，對柴油機(jī)的技術(shù)改進(jìn)比較少，系統(tǒng)不受發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的影響，但是需要建立配套的尿素供給設(shè)備用來解決尿素供給的問題以及在寒冷地區(qū)尿素由于低溫結(jié)晶失效的問題。而EGR+DPF技術(shù)則需要對柴油機(jī)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)及設(shè)備的重新標(biāo)定，極其依賴超低硫含量的燃油及高品質(zhì)的潤滑油，增加了開發(fā)成本。

3 實(shí)際工況對農(nóng)用拖拉機(jī)排放的影響

農(nóng)用拖拉機(jī)作業(yè)條件惡劣，工況變化劇烈，流動(dòng)性大，導(dǎo)致在實(shí)際工況下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的可變性及排放并不總是在限值范圍內(nèi)[38]。農(nóng)用拖拉機(jī)污染物的排放受到環(huán)境特定因素（土壤質(zhì)地、含水量、坡度等）和操作條件（耕地深度、耕作地形等）以及技術(shù)（機(jī)器類型和使用年限，是否有減少排放的系統(tǒng)）等方面的影響[39-42]，農(nóng)用機(jī)械僅在發(fā)動(dòng)機(jī)測功機(jī)上進(jìn)行排放測試，不能完全反映出農(nóng)用機(jī)械的真實(shí)排放情況。因此，該如何定義農(nóng)用拖拉機(jī)測試工況使其能真實(shí)反映其排放情況，還需進(jìn)一步研究。

國內(nèi)張麗等[42]將農(nóng)用拖拉機(jī)分為如表1所示怠速、行走、作業(yè)三種工況進(jìn)行排放測試，發(fā)現(xiàn)拖拉機(jī)在作業(yè)工況下的NO/NOX的比值最高，且對比不同排放標(biāo)準(zhǔn)下油耗的排放因子，發(fā)現(xiàn)農(nóng)用機(jī)械在不同工況下的排放因子都呈現(xiàn)下降趨勢。龐凱麗等[43]選取用于田間運(yùn)輸、旋耕、施肥及秸稈粉碎還田的拖拉機(jī)進(jìn)行實(shí)際條件下的排放測試，發(fā)現(xiàn)拖拉機(jī)的尾氣排放在行走和作業(yè)時(shí)其污染物排放速率高于怠速。拖拉機(jī)用途不同，其尾氣排放也有所差異，旋耕機(jī)污染物排放速率明顯比田間運(yùn)輸機(jī)、施肥機(jī)和秸稈粉碎機(jī)高。此外，拖拉機(jī)氣體污染物的平均排放速率均隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力的增加而提高。

表1 測試工況說明

國外Natalia Szymlet等[44]對乘用車輛和農(nóng)用拖拉機(jī)進(jìn)行實(shí)際工況下的污染物排放對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)農(nóng)用拖拉機(jī)達(dá)到固體顆粒質(zhì)量排放的最大瞬時(shí)值是乘用車行駛過程中記錄到的最大瞬時(shí)值的900倍。與乘用車相比，農(nóng)用拖拉機(jī)的排放值要高出幾倍。Rashid Gholami等[45]將MF285和U650兩種農(nóng)用拖拉機(jī)進(jìn)行了不同工況下排氣污染物的測量，發(fā)現(xiàn)各工況下測得的排氣和發(fā)動(dòng)機(jī)油溫均高于穩(wěn)態(tài)工況，除CO外，所有排放的氣體都與拖拉機(jī)的類型有顯著的關(guān)系。NO排放量會(huì)隨著機(jī)油溫度的升高而增加。在運(yùn)行條件下，使用U650比使用MF285在減輕污染方面要好。T.A Gemtos[46]對同一輛農(nóng)用拖拉機(jī)進(jìn)行小麥和玉米的田間作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的總排放量進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)其作業(yè)時(shí)產(chǎn)生相當(dāng)大的排放量，CO排放量遠(yuǎn)高于HC和NOX排放量，嚴(yán)重地造成了環(huán)境污染。Koniuszy A等[47]采用間接法對農(nóng)用拖拉機(jī)耕作過程中排放的CO2、NOX、HC、CO、PM進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)農(nóng)用拖拉機(jī)直接耕作過程和掉頭過程中排放的污染物與拖拉機(jī)瞬時(shí)排放速率（g/s）和拖拉機(jī)的比功率（g/kWh）有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，在土壤耕作過程中用g/s表示的CO2、NOX和HC排放量通常比掉頭過程高出13~15倍，這與土壤直接耕作中燃料的使用顯著增加有關(guān)。以g/kWh表示的CO2、NOX和HC排放的情況下，在土壤耕作過程中，每種廢氣成分只有一個(gè)特征，最常見的排放水平位于中小值范圍內(nèi)。Neil McLaughlin等[48]對如表2所示兩種不同土壤性質(zhì)的耕作地進(jìn)行實(shí)際工況下的排放測試，發(fā)現(xiàn)在沙性土壤中，農(nóng)用拖拉機(jī)耕作的深度增加，導(dǎo)致其油耗和污染物排放更高。通過適量地抬起耕作農(nóng)機(jī)具，可以減少燃料的消耗和污染物的排放。

表2 測試工況說明

4 中國農(nóng)用拖拉機(jī)排放存在的問題

1）高原環(huán)境對農(nóng)用拖拉機(jī)排放影響研究的缺失。我國高原地區(qū)面積約占國土面積的37%[49]，研究發(fā)現(xiàn)較平原地區(qū)，高原環(huán)境下空氣密度下降，進(jìn)而會(huì)引起柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化，污染物排放量增加，將直接導(dǎo)致柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性顯著下降[50-51]。然而，對于農(nóng)用拖拉機(jī)在高原環(huán)境下的排放研究目前還未見報(bào)道，農(nóng)用拖拉機(jī)在高原地區(qū)的作業(yè)工況與平原地區(qū)有很大區(qū)別，而且發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境也有很大差別。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，農(nóng)用機(jī)械排放控制策略復(fù)雜，而且多針對平原地區(qū)進(jìn)行標(biāo)定，關(guān)于高原環(huán)境非道路移動(dòng)源的排放限值及測量方法也沒有出臺(tái)。因此，高原山區(qū)農(nóng)用拖拉機(jī)能否正常發(fā)揮效能還有待考證。

2）農(nóng)用拖拉機(jī)排放控制技術(shù)比較落后，污染嚴(yán)重，缺乏對農(nóng)用機(jī)械排放的有效監(jiān)督管理。我國農(nóng)機(jī)普遍技術(shù)水平低，使用年限長，維護(hù)保養(yǎng)差，燃油消耗高，燃油質(zhì)量差。并且隨著農(nóng)用機(jī)械的使用頻率越來越高，其排放污染也變得逐漸嚴(yán)重。

3）柴油機(jī)替代燃料問題。石油是一種不可再生能源。因此，生物柴油作為以生物質(zhì)為原料加工而成的有機(jī)燃料，是一種優(yōu)質(zhì)的石化柴油的替代品。但是，當(dāng)前生物燃料的生產(chǎn)成本普遍高于普通燃油，生物柴油中含碳量較高，抗氧化安定性差，會(huì)造成積碳和結(jié)膠磨損嚴(yán)重以及排煙增大等情況。

5 結(jié)論

1）本項(xiàng)目組主要闡述了國內(nèi)外農(nóng)用拖拉機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)外對于農(nóng)用拖拉機(jī)實(shí)際工況下的研究和柴油機(jī)采用替代燃料對排放影響的研究，以及國內(nèi)外農(nóng)用拖拉機(jī)排放控制技術(shù)的研究，總結(jié)出我國對于農(nóng)用拖拉機(jī)排放存在的一些問題。

2）農(nóng)用拖拉機(jī)進(jìn)行實(shí)際工況下的排放測試，可以有效避免因臺(tái)架試驗(yàn)而造成農(nóng)用拖拉機(jī)排放過高或者過低估計(jì)；可以了解田間工作階段哪些地方能夠改進(jìn)，使農(nóng)民認(rèn)識(shí)到他們對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境可持續(xù)性的作用。

3）中國需借鑒國外的排放標(biāo)準(zhǔn)來加強(qiáng)和完善農(nóng)用機(jī)械的排放標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有的排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)下逐步完善和改進(jìn)排放控制技術(shù)，同時(shí)，提高新生產(chǎn)農(nóng)用機(jī)械的技術(shù)水平。