農用拖拉機發(fā)動機技術及其排放特性研究

0 引言

近年來，我國的農業(yè)機械生產制造能力得到了快速提升，農機產品的性能得到了有效改善，在農業(yè)生產全程機械化的大背景下，農業(yè)機械的使用量得到了顯著增加。拖拉機作為農業(yè)生產中的主要動力機械，在農業(yè)生產中承擔著牽引、懸掛多種農機具作業(yè)的任務，并擔任著農業(yè)運輸重任，工作環(huán)境復雜、工作任務呈現(xiàn)多樣性特征。為確保拖拉機的動力性能，發(fā)動機技術在拖拉機中發(fā)揮著重要作用，發(fā)動機不僅要保證拖拉機具有足夠的動力性能，還需要具有良好的可靠性、節(jié)能環(huán)保、經濟性等，拖拉機發(fā)動機技術的提升對于拖拉機整體質量的提升意義重大。

1 農用拖拉機的系統(tǒng)組成

拖拉機是應用于農業(yè)生產使用的重要動力機械，主要功能是配套不同機具或設備進行農業(yè)生產的田間作業(yè)和運輸作業(yè)，并輔助完成其他的動力供給作業(yè)。通常情況下，拖拉機的農田作業(yè)任務包括耕整地、播種、植保、收割、農田建設、作物運輸?shù)?。拖拉機經過多年的技術改進與發(fā)展，現(xiàn)機械技術體系已經相對成熟，無論哪種形式的拖拉機，其主體均由發(fā)動機、底盤、電氣設備三大部分組成，只是在功能與細節(jié)設計上存在一定的差異。拖拉機的作業(yè)優(yōu)勢是通過性好、地形適應能力強、離地間隙較高、功能擴展性強、接地壓力較低、通用性好。除普通的常規(guī)機型外，拖拉機根據(jù)使用環(huán)境的不同還有一些特殊機型種類，如水田拖拉機、中耕拖拉機、果園拖拉機等。

從上文分析可以看到，現(xiàn)在適用權利用盡理論的主要經濟體，除了美國已經否定了該規(guī)則的區(qū)別適用理論之外，德國、日本及我國都還多多少少保留著區(qū)別適用的情況。

農業(yè)生產中常見的拖拉機結構如圖1所示，主要包括前輪、電氣系統(tǒng)、底盤、輔助系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、駕駛操作裝置、駕駛室、后輪等。整機以發(fā)動機為中心產生動力，并傳遞到各個功能系統(tǒng)用于為傳動、行駛、電控、液壓提供動力和能源?，F(xiàn)階段，根據(jù)拖拉機配套發(fā)動機動力的不同，可將拖拉機分為小型拖拉機、中型拖拉機和大型拖拉機三類，其中小型拖拉機配套發(fā)動機動力在23 kW以下，中型拖拉機配套發(fā)動機動力在23～74 kW之間，大型拖拉機發(fā)動機動力在74 kW以上。

2 拖拉機上應用的發(fā)動機技術

現(xiàn)階段，農業(yè)生產上應用的拖拉機發(fā)動機技術方案包括柴油機驅動和混合動力驅動兩大類。

2.1 柴油機技術

柴油機在拖拉機上的應用具有以下特征：1)可靠性高。柴油機現(xiàn)階段的技術十分成熟，經過多年的故障優(yōu)化與性能提升，其在農業(yè)生產過程中使用故障率低、壽命長，有利于提高生產效率。2)能源利用率高。與汽油發(fā)動機相比，先進的農用柴油機熱效率可達46%以上，增壓柴油機的體積功率可達330～350 kW·m

。3)使用維護方便。柴油機零部件通用性好，使用維護相較于汽油機更為簡單。4)柴油機對柴油品質要求較為嚴格，劣質柴油易造成柴油機早期故障。5)拖拉機配套柴油機在使用過程存在一定的振動、噪音影響使用體驗，并在燃燒過程中產生有害氣體、顆粒物等污染。

大多數(shù)的漂流木都未經人類之手觸碰，但它們在大海上的漂流故事也同樣令人驚訝。大多數(shù)漂流木的最終命運是沉入海底，并永遠待在了那里。像克萊默這樣的研究人員的努力極大增進了我們對漂流木對海洋生態(tài)巨大影響的理解，但對它們在海洋食物鏈中所扮演角色的認識我們仍然知之甚少。20世紀70年代至90年代，露絲·迪克森·特納（Ruth Dixon Turner）曾對漂流木進行了開創(chuàng)性的研究，之后美國林務局的著名科學家、美國國家魚類和野生動物基金會魚類保護機構主任詹姆斯·塞德爾（James Sedell）將特納的研究成果匯編成冊。從小就在俄勒岡海岸的海灘上玩耍的塞德爾，對海上已經漸漸消失的漂流木一直十分感興趣。

柴油機是拖拉機應用最多的動力機械，其通過柴油燃燒將化學能轉換為動能，驅動拖拉機完成行駛、動力輸出等功能。拖拉機配套柴油機的組成結構如圖2所示。其主要包括以下幾大部分：1)機體。包括柴油機的安裝主體，以及汽缸體、曲軸箱、油底殼等結構。2)曲柄連桿機構。主要包括活塞、連桿、曲軸等部分，活塞在汽缸內往復運動實現(xiàn)動能供給。3)燃油供給系統(tǒng)。包括油箱、供油管路、燃油濾清器、噴油機構等。4)配氣系統(tǒng)。主要為柴油機燃燒提供空氣，并將燃燒廢氣排出，包括進氣門、排氣門、傳動裝置、空氣濾清器等。5)潤滑系統(tǒng)。主要通過機油對發(fā)動機的各個運動部件進行潤滑，關鍵部件包括機油泵、輸油管路等。6)冷卻系統(tǒng)。包括冷卻液箱、泵體、風扇、散熱器、節(jié)溫器等，用以保持柴油機工作處于合理溫度范圍。7)電控系統(tǒng)。包括控制發(fā)動機的啟停、儀表顯示、照明、電液控制等。

從表5可以看出，2012—2016年青島市GDP總量及三次產業(yè)產值都在增加，其中第一產業(yè)產值的增加速度最慢，第二產業(yè)產值的增加速度較快，第三產業(yè)產值的增加速度最快，這完全符合經濟發(fā)展的趨勢。另外，從第一產業(yè)、第二產業(yè)和第三產業(yè)的GDP占比來看，2012—2016年第一產業(yè)和第二產業(yè)的產值雖然在數(shù)量上有所增長，但是其在青島市GDP的占比卻有所下降，而第三產業(yè)GDP的占比穩(wěn)步增長。由此可以認為，青島市第三產業(yè)發(fā)展速度非?？?，是帶動GDP增長的主要產業(yè)。通過三次產業(yè)結構可以看出，2012—2013年青島市的工業(yè)化發(fā)展水平進入工業(yè)化中期，2014—2016年同樣屬于工業(yè)化中期。

2.2 混合動力驅動技術

對于控制變量，速動比率和資產負債率的相關系數(shù)均在1%的水平下顯著，作為一項嚴重依賴于企業(yè)內外部融資約束的經營決策，企業(yè)的綜合償債能力越好，相應會促進研發(fā)投入水平的提高；盈利能力與研發(fā)支出在1%的水平下顯著負相關，主要可能因為按照會計準則，當期研發(fā)投入沒有達到資本化條件的計入費用處理，一定程度上沖減了當期經營業(yè)績，這也是管理者不愿進行過高研發(fā)投入的原因之一。此外，公司的成長性、市場份額與營運能力和研發(fā)投入呈負相關，企業(yè)年齡與研發(fā)投入呈正相關，并均通過了顯著性檢驗。

拖拉機配套的柴油機主要為四沖程柴油機，其工作是進行進氣、壓縮、做功、排氣循環(huán)往復的過程。在進氣過程，汽缸內的活塞由上止點向下止點運動，汽缸內因密閉作用而被抽真空，產生負壓吸力，此時進氣門開啟，空氣被吸入汽缸內，當活塞到達下止點后，進氣門關閉，進氣工作完成。在壓縮過程，活塞被曲軸運轉驅動而由下止點向上止點運動，此時進氣門與排氣門均關閉，汽缸形成密閉空間，隨著壓縮的進行，汽缸內氣體溫度上升，當活塞運行到接近上止點位置時，壓縮工作結束。在做功過程，柴油被增壓霧化后噴入燃燒室，與空氣混合后被壓縮產生的高溫點燃，汽缸內溫度、壓力迅速提升，氣體體積急速膨脹，推動活塞由上止點向下止點運動，并帶動曲軸運轉，實現(xiàn)動力輸出，當活塞到達下止點后，做功過程結束。在排氣過程，排氣門開啟，活塞由下止點向上止點運動，汽缸內的燃燒廢氣被活塞運動產生的推力推動，由排氣門排出，當活塞運行到上止點后，排氣過程結束，柴油機運轉進入下一個循環(huán)過程

。

拖拉機作為農業(yè)生產中使用量最大的農業(yè)機械，其節(jié)能減排一直是技術研究的重點，從國際范圍看，世界一流的農機企業(yè)針對拖拉機的節(jié)能技術研究已經延續(xù)了幾十年，盡管成熟的技術產品還沒有大范圍在生產中應用，但是約翰迪爾、紐荷蘭、菲亞特、ZF等企業(yè)均已實現(xiàn)了混合動力拖拉機樣機的試驗與制造。對于我國而言，混合動力拖拉機的研究也得到了廣泛的重視，哈爾濱工業(yè)大學、南京農業(yè)大學、中國一拖等單位針對拖拉機的混動技術開展了大量的研究與試驗工作。從近年來的國際國內農機展會上看，混合動力拖拉機已經進入人們視野。如圖3所示為柳工HE2604型油電混合動力拖拉機，該機應用了電控雙擋無級變速技術，配套動力鋰電池和電機驅動前后橋技術，具有顯著的節(jié)能減排優(yōu)勢

。

現(xiàn)階段，拖拉機混動技術研究主要方向是柴油機動力與電機動力的串聯(lián)式混合，與傳統(tǒng)的柴油拖拉機相比，混動拖拉機還配套有電機、蓄電池等硬件，能夠實現(xiàn)根據(jù)作業(yè)過程動力需求選擇相應的動力輸出?；靹油侠瓩C與傳統(tǒng)拖拉機相比，在控制邏輯上更為復雜，通過整合農業(yè)生產的作業(yè)特征和拖拉機牽引力及動力輸出變化，分配電機與柴油機的介入時機，如電機主要用于行駛和負載較小的作業(yè)。例如，道路行駛、植保作業(yè)等；柴油機主要用于負載較大的作業(yè)，如耕整地、播種、收獲等，利用電機與柴油機的配合使用實現(xiàn)節(jié)能減排與動力輸出的優(yōu)化。

3 農用拖拉機排放特性

3.1 排放物質分析

現(xiàn)階段，農用拖拉機配套的柴油機在使用過程中對農業(yè)生產及周邊環(huán)境造成了明顯的不利影響，主要表現(xiàn)為排放物質對大氣產生污染。截至2020年底，我國拖拉機保有量達到2 204.88萬臺，其中58.84 kW(80馬力)以上拖拉機擁有量143.66萬臺，拖拉機作業(yè)產生的排放污染達到農業(yè)機械作業(yè)總排放量的24%～34%。拖拉機作業(yè)過程排放的污染物主要包括氮氧化物(NO

)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO

)、顆粒物(PM)、碳氫化合物(HC)等，且其在同樣使用時間內排放出的顆粒物及氮氧化物是柴油機動車的1.4～1.8倍。

3.2 排放的檢測

對于拖拉機的尾氣排放檢測，主要裝置如圖4所示，主要包括尾氣排放氣態(tài)污染物測試儀、尾氣質量流量測試儀、尾氣排放顆粒物測試儀等。

3.3 作業(yè)工況與排放的關系

拖拉機在農業(yè)生產中使用環(huán)境相對復雜，受到氣候、田間粉塵、地勢等因素影響，作業(yè)條件相對惡劣，與普通柴油機動車相比，使用過程除常規(guī)的行駛、怠速外，還包括重負載、牽引、偏載、顛簸等作業(yè)工況，使用過程中常伴隨工況無規(guī)律變化，導致出現(xiàn)排放污染物增加。張麗等

針對拖拉機在怠速、行駛、負載作業(yè)三種常見工況進行了排放特性測試，得出負載作業(yè)工況下污染物的排放最為嚴重。此外，當發(fā)動機轉速和進氣壓力增加時，排放中的污染物明顯增加。從拖拉機不同的作業(yè)任務對比來看，以耕整地作業(yè)過程中的排放污染物為最高，在進行犁耕、旋耕、聯(lián)合整地過程中排放的CO

、NO

、HC、CO、PM等污染物明顯提升，相對于拖拉機的正常行駛提高約13～15倍，在耕整地作業(yè)的過程中，合理選擇耕作深度與行駛速度有利于降低排放污染

?？傮w來看，無論是負載較大的耕整地作業(yè)，還是負載相對較小的植保、播種，都應合理選擇和設計作業(yè)方案，規(guī)范操作、勻速行駛是控制排放的有效手段。

4 結語

現(xiàn)階段，農用拖拉機仍然以柴油機作為主要動力源，混合動力等新能源拖拉機仍處于研究和試驗階段，隨著國家對柴油機排放政策的逐漸升級，拖拉機配套發(fā)動機技術實現(xiàn)了快速提升，柴油機的可靠性和工作能力顯著增強，排放的空氣污染問題得到了有效控制。但與此同時，拖拉機發(fā)動機使用過程的故障率、使用壽命、排放污染等也與駕駛員的操作習慣、保養(yǎng)方式等密切相關，因此，在提升發(fā)動機技術的同時，還應重視駕駛技術、技能的提升，以此保證拖拉機的合理、高效、低碳應用。

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