柴油機(jī)國四排放對拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的影響

吳寧 王金波 許凱

一、背景

2018 年8 月19 日生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《非道路移動機(jī)械污染防治技術(shù)政策》暨《非道路移動機(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）（GB 20891-2014）修改單（征求意見稿）》，要求自2020 年12 月1 日起，全國實(shí)施非道路移動機(jī)械第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)，即第四階段排放控制要求按照《非道路柴油移動機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》（HJ 1014）及《非道路移動機(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）》（GB20891-2014）執(zhí)行。

為盡快了解并掌握全省拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)對國四排放標(biāo)準(zhǔn)的貫徹落實(shí)情況，我們對濰柴雷沃重工股份有限公司等十二家有代表性生產(chǎn)企業(yè)完成了專題調(diào)研。調(diào)研統(tǒng)計之后發(fā)現(xiàn)，不同拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)所采取的技術(shù)路線基本一致，均為《非道路移動機(jī)械污染防治技術(shù)政策》鼓勵推廣應(yīng)用的排放控制技術(shù)，也是為了以最低投入達(dá)到國四排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

二、技術(shù)分類

柴油發(fā)動機(jī)的污染主要來自以下方面：CO、微粒排放物質(zhì)（PM）、碳?xì)浠希?HC)、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）。其中微粒排放物質(zhì)（PM）大部分是由碳或碳化物的微小顆粒（尺寸小于4～20μm）所組成的。降低排氣污染物的含量，需要發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)升級、凈化處理和機(jī)外控制（收集和后處理）技術(shù)雙管齊下。機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要有：燃燒室的優(yōu)化和改進(jìn)、高壓共軌電子控制燃油噴射技術(shù)、廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）、進(jìn)氣增壓中冷技術(shù)、多氣門技術(shù)等。機(jī)外控制技術(shù)主要有DPF、DOC、SCR、LNT 技術(shù)等。目前，比較普遍且性價比合理的技術(shù)主要有DPF、DOC、SCR、EGR、高壓共軌電子控制燃油噴射技術(shù)等技術(shù)的單一運(yùn)用或者組合運(yùn)用。

1.DPF（Diesel Particulate Filter）——顆粒捕捉器：是一種安裝在柴油發(fā)動機(jī)排放系統(tǒng)中的陶瓷過濾器，它可以在微粒排放物質(zhì)進(jìn)入大氣之前將其捕捉。顆粒捕捉器能夠減少柴油發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的煙灰達(dá)90%以上。捕捉到的微粒排放物質(zhì)隨后在車輛運(yùn)轉(zhuǎn)過程中燃燒殆盡。它的工作基本原理是在柴油微粒過濾器噴涂上金屬鉑、銠、鈀，柴油發(fā)動機(jī)排出的含有炭粒的黑煙，通過專門的管道進(jìn)入發(fā)動機(jī)尾氣微粒捕集器，經(jīng)過其內(nèi)部密集設(shè)置的袋式過濾器，將炭煙微粒吸附在金屬纖維氈制成的過濾器上；當(dāng)微粒的吸附量達(dá)到一定程度后，尾端的燃燒器自動點(diǎn)火燃燒，將吸附在上面的炭煙微粒燒掉，變成對人體無害的二氧化碳排出。

DPF 在工作中，捕捉器里的顆粒物逐漸增加會引起發(fā)動機(jī)排氣背壓升高，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)性能下降，所以要定期除去沉積的顆粒物，恢復(fù)DPF 的過濾性能。DPF 的再生有主動再生和被動再生兩種方法。主動再生指的是利用外界能量來提高捕捉器內(nèi)的溫度，使微粒著火燃燒。當(dāng)捕捉器中的溫度達(dá)到550℃時，沉積的顆粒物就會氧化燃燒，如果溫度達(dá)不到550℃，過多的沉積物就會堵塞捕捉器，這時就需要利用外加能源（例如電加熱器、燃燒器或發(fā)動機(jī)操作條件的改變）來提高DPF 內(nèi)的溫度，使顆粒物氧化燃燒。被動再生指的是利用燃油添加劑或者催化劑來降低微粒燃燒溫度，使微粒能在正常的柴油機(jī)排氣溫度下著火燃燒。添加劑要以一定的比例加到燃油中，添加劑過多會影響DOC 的壽命，但是如果過少，就會導(dǎo)致再生延遲或再生溫度升高。

2.DOC（Diesel Oxidation Catalysts）——氧化催化轉(zhuǎn)化：通過催化劑的作用，將尾氣中的HC（碳?xì)浠衔铮┖虲O（一氧化碳）氧化為二氧化碳和水，實(shí)現(xiàn)對于HC 和CO 的去除，同時可以將NOx（氮氧化物）氧化為NO2（二氧化氮），上述反應(yīng)過程會釋放熱量，有助于提高排氣溫度，可以作為SCR 方案的輔助裝置。此外，DOC 還能將排氣中顆粒物中的可溶性有機(jī)成分（SOF）轉(zhuǎn)換成二氧化碳和水。

通過DOC 的作用，可使柴油機(jī)排氣污染物中的CO 排放降低30%左右，HC 排放降低50%左右。此外，DOC 還可凈化多環(huán)芳烴（PAH）50%以上，凈化醛類達(dá)到50%～100%，并能夠減輕柴油機(jī)的排氣臭味。雖然DOC 對顆粒物的凈化效果遠(yuǎn)不如DPF（顆粒捕集器），但由于碳?xì)浠衔锏钠鹑紲囟容^低（在170℃以下就可以再生），所以DOC 不需要較為昂貴的再生系統(tǒng)，成本較低。

3.SCR（Selective Catalytic Reduction）——選擇性催化還原裝置：是針對柴油機(jī)尾氣排放中NOx的一項(xiàng)處理工藝，即在催化劑的作用下，噴入還原劑氨或尿素，把尾氣中的NOx 還原成N2和H2O，催化劑有貴金屬和非貴金屬兩類。該項(xiàng)技術(shù)是歐洲主流技術(shù)路線，大功率柴油機(jī)幾乎全部采用這一技術(shù)，具體解釋為：在排氣混合管上安裝有尿素計量噴射裝置，噴入尿素水溶液，尿素在高溫下發(fā)生水解和熱解反應(yīng)后生成NH3，在SCR 系統(tǒng)催化劑表面利用NH3還原NOX，排出N2，多余的NH3也被氧化為N2，防止泄漏。

4.EGR（Exhaust Gas Return）——廢氣再循環(huán)：柴油機(jī)排氣系統(tǒng)將產(chǎn)生的一部分廢氣送回氣缸，由于再循環(huán)廢氣具有惰性，不參加化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)入缸內(nèi)的混合氣體被稀釋，氧氣濃度降低，從而可燃混合氣的發(fā)熱量降低，另外由于廢氣中的CO2及水蒸氣的熱容量較大，降低了氣缸內(nèi)高峰溫度，這兩者都使柴油機(jī)燃燒過程的著火延遲期增加，燃燒速率變慢，缸內(nèi)最高燃燒溫度下降，從而破壞了NOX生成所需高溫富氧的條件，使柴油機(jī)的NOX排放降低。特別是在大負(fù)荷時，效果尤為顯著。但采用EGR 后，在不同的工作點(diǎn)，煙度和燃油消耗率有所增加，高負(fù)荷時，增加尤為明顯。在大負(fù)荷下，為了保證顆粒排放不至于過大，采取較小的EGR 率；而在小負(fù)荷時，顆粒排放少，可采用較大的EGR 率。

三、技術(shù)路線

通過這幾項(xiàng)典型的技術(shù)來看，通過單一技術(shù)比較難達(dá)到國四排放的標(biāo)準(zhǔn)，特別是中大馬力的柴油機(jī)，需要兩種或者更多的組合技術(shù)來得以實(shí)現(xiàn)對排放的控制。目前，國內(nèi)比較主流的技術(shù)路線如下：

1.單缸直聯(lián)或皮帶傳動拖拉機(jī)廠家主要選擇自然吸氣+高壓共軌，部分廠家還選擇自然吸氣+單體泵作為備選技術(shù)路線。

2.50 馬力及以下拖拉機(jī)廠家技術(shù)路線由國三的自然吸氣+VE 泵（電控分配泵）改為自然吸氣+高壓共軌。

3.55～90 馬力主要選擇為增壓中冷+高壓共軌+EGR（廢氣再循環(huán)裝置）+DOC（柴油氧化型催化轉(zhuǎn)化器）+DPF（壁流式顆粒捕集器）。

4.90～120 馬力有兩種技術(shù)路線增壓中冷+高壓共軌+SCR（選擇性催化還原裝置）+DOC+DPF和增壓中冷+高壓共軌+EGR+DOC+DPF。

5.120 馬力以上主要為增壓中冷+ 高壓共軌+SCR+DOC+DPF。

以上技術(shù)路線基本代表了全省拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計方向，有些企業(yè)已推出國四排放的整機(jī)，并在2021 中國國際農(nóng)業(yè)機(jī)械展覽會（青島展會）上展出。

四、對企業(yè)的影響

本次柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)由國三升級到國四，對企業(yè)產(chǎn)生的影響是多方面的：

1.加大產(chǎn)品設(shè)計難度。國四柴油機(jī)需要增加尾氣處理裝置，對中小型拖拉機(jī)只需要加氧化催化器和柴油顆粒捕集器，占用空間不是很大，對產(chǎn)品外形的影響不大，但是大馬力段拖拉機(jī)還需要在消聲器位置加裝選擇性催化還原系統(tǒng)，占用空間大、結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，這種結(jié)構(gòu)要求機(jī)罩下發(fā)動機(jī)平面上有400mm以上的空間，這就要求機(jī)罩需要抬高，會影響駕駛員視野，對產(chǎn)品設(shè)計提出了更高的要求。此外，由于SCR所需的尿素消耗量與柴油消耗量的比值在1∶18 左右，尿素盛裝設(shè)備與燃油箱的容積匹配需要計算正確，且尿素在低溫時容易結(jié)晶，需要布置熱導(dǎo)管進(jìn)行提前加熱，這些都對在現(xiàn)有傳統(tǒng)的已經(jīng)很緊湊的整機(jī)布局，提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2.增加生產(chǎn)制造成本。原有的拖拉機(jī)底盤部裝線及整機(jī)總裝線已無法滿足國四排放的要求，整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)需要對配件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工裝工藝等進(jìn)行升級調(diào)整。此外，每臺拖拉機(jī)還需加裝衛(wèi)星導(dǎo)航精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，在機(jī)械全壽命內(nèi)作業(yè)時，應(yīng)能通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對其準(zhǔn)確定位，并進(jìn)行定位信息的數(shù)據(jù)發(fā)送。這些設(shè)備的投入以及后續(xù)的流量傳輸都給拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)帶來極大困難。

3.增大銷售難度和售后成本。柴油機(jī)排放升級國四，一是拖拉機(jī)制造成本會增加，價格也會相應(yīng)提高；二是用戶使用成本增加，難度加大，需要增加尿素，使用更高品質(zhì)的低硫柴油，后處理需要再生等；三是服務(wù)成本增加，現(xiàn)有服務(wù)水平無法滿足國四需要，需要對售后服務(wù)人員、經(jīng)銷商、用戶重新培訓(xùn)。

4.PEMS 技術(shù)挑戰(zhàn)。PEMS（Portable Emission Measurement System) 是一種能安裝在車輛上，同時進(jìn)行污染物濃度和流量以及溫度、壓力等相關(guān)參數(shù)實(shí)時采集的整套便攜式排放測試系統(tǒng)。

國四階段，排放監(jiān)管將由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)向整車，通過監(jiān)督整車的作業(yè)狀況和實(shí)時排放，來判定是否排放達(dá)標(biāo)。這對拖拉機(jī)制造廠在整機(jī)一致性控制和在用車輛符合性能上提出了更高的要求。一方面，拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)要保證出廠的每一臺拖拉機(jī)都達(dá)到了國四排放，出廠抽檢三臺如果出現(xiàn)一臺不合格，就可以判定該機(jī)型沒有達(dá)到國四排放；另一方面，在用拖拉機(jī)的符合性抽查中，如果抽查三臺有一臺不合格，也判定該機(jī)型沒有達(dá)到國四排放。PEMS 成本很高，核心零部件如顆粒檢測、氣體分析等都是需要進(jìn)口，國產(chǎn)設(shè)備也在幾十萬元左右，且可靠性不高。一般大的企業(yè)都是采購諸如奧地利AVL 公司、美國Sensors 公司等國際知名公司原裝進(jìn)口產(chǎn)品，價格都在150 萬元以上。

5.目前國四排放柴油機(jī)與整機(jī)的匹配問題。柴油機(jī)廠家目前只完成了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定，配套拖拉機(jī)上還沒大面積開始進(jìn)行“低溫”“三高”等匹配試驗(yàn)和各種不同工況（如配套機(jī)具進(jìn)行旋耕、深松等）的數(shù)據(jù)采集和標(biāo)定。很多柴油機(jī)廠家采用小排量發(fā)動機(jī)和縮短排氣管路來提升排氣溫度，需要與拖拉機(jī)的排氣管路重新進(jìn)行設(shè)計和對接。發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)優(yōu)化是個漫長復(fù)雜的過程，需要發(fā)動機(jī)廠家、燃油供給系統(tǒng)廠家、拖拉機(jī)生產(chǎn)廠家三方一起完成，難度可想而知。目前，山東省較大規(guī)模的拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)與濰柴、玉柴、上柴等幾個大品牌柴油機(jī)廠家進(jìn)行了整車試裝和數(shù)據(jù)標(biāo)定工作，中小企業(yè)都處在觀望或等待狀態(tài)，且發(fā)動機(jī)廠家目前數(shù)據(jù)也比較有限，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不多，產(chǎn)品一致性也難以保證。

五、幾點(diǎn)建設(shè)

為做好2022 年度全省中大馬力拖拉機(jī)推廣鑒定工作，保證柴油機(jī)排放由國三到國四的順利升級，提出以下建議：

1.雖然生態(tài)環(huán)境部國四排放標(biāo)準(zhǔn)由原來的2020年1 月1 日放寬到2022 年12 月1 日，但國四排放設(shè)計、制造程序復(fù)雜，而大部分企業(yè)都還處在準(zhǔn)備階段，加之發(fā)動機(jī)廠所制造的國四排放柴油機(jī)在可靠性方面未得到驗(yàn)證，到時能否順利過渡還是未知。建議延長半年到一年的時間，給整機(jī)制造企業(yè)更多的準(zhǔn)備時間。

2.柴油機(jī)排放執(zhí)行國四標(biāo)準(zhǔn)后各方面成本均有增加，為保障良好的市場秩序，建議優(yōu)先考慮執(zhí)行國四排放的拖拉機(jī)等大型機(jī)械的補(bǔ)貼，提高補(bǔ)貼額度。

3.建議相關(guān)部門盡快制定或修訂關(guān)于排放方面的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)企業(yè)對現(xiàn)有產(chǎn)品更新?lián)Q代或者新產(chǎn)品的研發(fā)試制。

4.建議將排放檢驗(yàn)列為整機(jī)出廠檢驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。由于國四階段，排放責(zé)任主體是拖拉機(jī)生產(chǎn)廠家，而不是柴油機(jī)生產(chǎn)廠，所以作為拖拉機(jī)廠家，要轉(zhuǎn)變思想、明確責(zé)任，積極與柴油機(jī)廠家進(jìn)行對接和調(diào)試，將此次升級排放作為檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的一次重要契機(jī)，大浪淘沙、優(yōu)勝劣汰，積極主動作為而不是被動接受。

本次調(diào)研活動，絕大部分企業(yè)表示對升級國四排放的理解和支持，而且均已提前謀劃和實(shí)施，并表示有信心將自己的產(chǎn)品完成國三到國四的順利升級。柴油機(jī)排放國三升級國四勢在必行，如何在保證不影響大部分拖拉機(jī)企業(yè)正常生產(chǎn)經(jīng)營的情況下完成順利過渡，是我們共同努力的目標(biāo)。在農(nóng)機(jī)主管部門的合理政策及正確引導(dǎo)下，在各拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的共同配合下，此次排放標(biāo)準(zhǔn)的適時升級也會順利完成。