电控柴油机应用于农业机械存在的问题及对策

白海+李仕存+孟利清+何超

摘要：为了满足日趋严格的非道路排放法规和经济性的要求，探究当前农用柴油机的发展趋势，对国内外农业机械配套动力现状进行了分析论证，应用对比分析法将我国和欧美等发达国家进行对照，找出了我国农业机械配套动力技术与国外的差距。结果显示，国内电控柴油机应用于农业机械存在一系列的问题，必须通过一定的措施，大力推进电控柴油机在农业机械中的应用。电控化将是农用柴油机发展的必然趋势。

关键词：电控柴油机;农业机械;排放标准;农机购置补贴;问题;对策

中图分类号： S232 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）04-0375-03

收稿日期：2014-05-08

基金项目：国家自然科学基金（编号：51266015）;云南省教育厅科学研究基金（编号：2013Z081）。

作者简介：白 海（1982—），男，河南郑州人，硕士，助教，主要从事载运工具运用及车身修复研究。E-mail：www512iyl@126.com。

通信作者：孟利清，博士，教授，硕士生导师，主要从事交通运输及物流管理与工程研究。E-mail：1341288094@qq.com。

近年来，我国加强了对非道路移动机械用柴油机尾气排放的监管和治理[1]，为了适应环境保护的要求，国家环境保护部和质量监督检验检疫总局已于2014年5月发布了国家污染物排放标准——《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》。该标准规定，自2014年10月1日起，凡进行排气污染物排放型式核准的非道路移动机械用柴油机都必须符合非道路国Ⅲ排放标准;自2015年10月1日起，我国所有制造和销售的非道路移动机械用柴油机的排放必须符合非道路国Ⅲ排放标准;自 2016 年4 月 1 日起，所有制造、进口和销售的非道路移动机械应装用符合非道路国Ⅲ排放标准的柴油机。

我国农业机械的动力能源约80%来自柴油机，作为非道路移动机械尾气排放治理的重点[2-3]，农业机械节能减排最直接、最关键的环节就是做好农用柴油机的节能减排工作[4]。农用柴油机从非道路国Ⅱ排放标准升级到国Ⅲ，燃油供给系统要发生本质的变化，需从传统的机械燃油供给系统转变为电控高压燃油供给系统，这将大幅提升柴油机燃油喷射的压力，对相关零部件的强度要求更高。

1 国内外农业机械配套动力的现状分析

1.1 国外农业机械配套动力的现状

当前国际著名的农机企业有约翰迪尔公司、凯斯纽荷兰公司、久保田公司、爱科公司等，现以这些企业为例，分析国外农业机械配套动力的现状。

约翰迪尔公司是全球第一大农机生产企业，该公司已推出代号为8R和8RT 的智能拖拉机，其配套动力均为PowerTech 9.0 L发动机，能够满足EPA Tier 4排放标准。这些采用EGR （废气再循环）技术和排气过滤器的线性的双涡轮增压六缸发动机，在正常操作的同时，能够完成尾气净化功能。数据通讯和远程监控系统使新的8R系列拖拉机变得更加智能化，当拖拉机在使用中出现问题时，经销商处的技术人员可以远程发现问题，并确定它的位置，进而积极地寻求应对故障的策略。

在美国 “2010年农业进步展”上，致力于清洁能源动力的凯斯纽荷兰公司，首次展出了其NH2（tm）型氢能源拖拉机。该拖拉机摒弃了传统的内燃机，采用氢燃料电池来发电，最高动力能够达到106马力。氢能源拖拉机在工作时只排放热量和水蒸汽，而不会像柴油机那样产生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、颗粒物及碳氢化合物等有害成分，因而具有零排放的特点。它在工作时几乎是无声的，所以也不会产生噪声污染。在清洁能源领域，纽荷兰公司一直占据着领导地位，公司旗下约85%的产品对于生物柴油能够100%的兼容。

日本久保田拖拉机公司在2010年宣布，同意其在美国市场上销售的部分产品使用“B20”生物柴油燃料。“B20”生物柴油燃料能够降低对环境的损害，其生物油含量最多占到20%，普通石化柴油含量最低占80%。这种灵活的燃料选择，使得柴油发动机可以发挥其最高的效率和性能。燃用可再生生物质燃料和多种燃料是当前内燃机研发的热点之一，因此，久保田公司推出了可用柴油和压缩天然气的双燃料发动机，该发动机在工作时，可以根据工况的需求，选择不同的燃料供给系统[5]。

爱科公司提出了基于能源（energy）、生态（ecology）与经济（economy） 的“E3”概念。它是世界上首家把SCR（选择性催化还原）技术应用于拖拉机上的厂家。SCR技术可以让工程师将精力集中在汽缸优化可燃烧微粒的数量和效率方面，而不必担心尾气的排放，因为排出的尾气会由特制的净化装置进行处理。柴油机采用SCR技术后，其性能更好，运行更安静，不会出现过热，工作持续时间更长。它还摈弃了复杂的柴油颗粒物过滤器的需求。经测试，新发动机能够节省10%以上的燃油消耗。此外，针对甘蔗农场客户，爱科公司正在研发双燃料发动机，这种发动机所使用的燃料是柴油和乙醇的混合物。这种双燃料发动机技术为未来可能应用于农业机械的新能源的使用开拓了思路。

综上分析，发达国家由于较早地执行了非道路排放法规，目前北美国家执行EPA Tier 4标准，欧盟国家执行Stage Ⅳ标准，因而这些国家大型农业机械配套的柴油机大多采用四气门、VGT （可变截面涡轮增压器）和电控燃油喷射系统（如高压共轨）等技术，在尾气处理方面主要是采用SCR（选择性催化还原）和EGR（废气再循环）+DPF（颗粒捕集器）这样2种比较成熟的技术方案[6-7]。另一方面，为了适应当前石油短缺的局而，许多农机企业开始关注石油替代能源动力系统的研发。

1.2 国内农业机械配套动力的现状

中国国际农业机械展览会是亚洲第一大农机展，2013年在青岛举办的该展览会上，参展的东方红-LF2204型拖拉机、约翰迪尔7M-2204型拖拉机、奇瑞谷王4LZ-8F（8000A）型联合收获机、雷诺曼-2104型拖拉机等19个农机产品荣获优秀新产品奖，这些农机产品充分体现了我国农机行业的技术进步。endprint

五征集团生产的雷诺曼-2104型拖拉机配套道依茨WP6T200E22发动机，达到非道路国Ⅱ排放标准，它性能先进，动力强劲，扭矩储备大，经济效益高，采用德国博世力乐电液控制提升系统，带倒车影像、CAN BUS总线和带底盘故障诊断系统，并可选装GPS定位系统。

由约翰迪尔（中国）投资有限公司生产的7M-2204型拖拉机采用约翰迪尔6.8升高压共轨中冷6缸涡轮增压发动机，它马力强劲，扭矩储备高达40%，工作耐久可靠，采用 390 L 超大油箱，可保证连续工作16 h。

为了满足国内大型农场及高端客户的需求，一拖集团开发了具有完全自主知识产权的220马力的大功率轮拖产品——东方红-LF2204轮式拖拉机。该产品搭载了满足非道路欧Ⅲ排放标准的电控柴油机、一拖法国公司生产的带电控负载换档及负载换向传动系、电控PTO（额外动力输出）、TCU（传动系控制器） 、闭心负荷传感电控液压提升系统、液晶显示数字仪表、基于CAN2.0B的总线技术、带悬浮的空调驾驶室等国际先进轮拖技术，在国内农机产品中采用的高新技术最多。其动力总成为东风康明斯QSB6.7全电控高压共轨增压中冷柴油机，扭矩储备25%以上，油耗低，排放满足非道路车辆欧Ⅲ要求，并可升级到欧Ⅳ标准。

近年来，一拖集团通过与国际著名的一流研发机构——英国利卡多等公司的合作，保持了核心技术与国际同步，研发的电控柴油机，如东方红-YM6K5UFH柴油机和东方红-YM6K7UFH柴油机，均采用先进的电控单体泵技术，排放达到非道路欧ⅢA标准，整机达到了国内同类产品领先水平。

综上分析，随着我国非道路国Ⅱ排放标准的实施，农用柴油机实现了产品的技术升级，农业机械排放的污染物有所降低，部分企业已开始研发满足未来非道路排放标准的农用电控柴油机，但与欧美相比还有很大的差距，农用柴油机节能减排的形势依然严峻[8]。因此，必须大力推进电控柴油机在农业机械中的应用。

2 电控柴油机应用于农业机械存在的问题

2.1 国产燃油喷射技术的研发滞后

国外十分重视先进燃油供给系统的研发，且往往领先于内燃机、汽车和农机的开发。然而，我国由于燃油供给系统的技术基础比较差、市场过分强调低价格、技术进步的推动力不足等原因，研发工作的重视程度不够，投入不高，因此国产燃油喷射技术的研发总是滞后于内燃机的发展，不能很好地满足内燃机的配套要求，这在一定程度上制约了我国内燃机、汽车和农机工业的发展。虽然，通过引进国外先进技术的方法，可以迅速提高我国柴油机的技术质量，但是国外柴油机价格较高，即使利用国内廉价的劳动力，也难以降到目前我国农民可以承受的价格范围。

2.2 农民收入有限，国家财政补贴不足

我国农民的经济收入较低，根据国家统计局数据，2013年我国农村居民人均纯收入为8 896元，因此农民没有足够的资金用来购置新型农业机械化装备。自2004年农机购置补贴政策实施以来，中央财政连年大幅度增加补贴资金。如图1所示，国家财政投入、农机购置补贴、农民个人投入金额都在逐年增长，其中，财政投入年平均增长率为35.6%，农机购置补贴年平均增长率为216.3%，农民个人投入年平均增长率为11.2%。然而，目前农业机械化发展对财政投入的依存度仅为10.4%，绝大部分投入仍靠农民个人的筹措[9]，这在很大程度上对农业机械化的发展起到了制约作用，需要继续加大农机方面的财政投入力度。

另一方面，农用柴油机机排放标准由国Ⅱ升级到国Ⅲ，由于配置水平有所提高，材料的价格成本在一定程度上有所提升。经统计，各系列柴油机成本的增加为10%～25%[10]，如果将这些增加的成本全都转嫁给消费者，将会使广大农机用户承受经济方面的沉重负担。

2.3 燃油品质阻碍排放标准的顺利实施

目前，我国机动车和非道路移动机械排放标准难以升级的一个重要原因是燃油品质的影响。从实施国Ⅱ排放标准以来，油品质量均不能保证排放标准的顺利执行[11]。只有改善油品质量，才能有效地降低农业机械污染物的排放。由于国内燃油含硫量较高，国外现有的后处理过滤技术无法应用于国内电控柴油机，我国的石油行业已经严重阻碍了电控柴油机在机动车和非道路移动装置上的应用。不可否认，我国石油行业获得的利润多数是垄断性质的，国家必须加大对它的改革。

2.4 农业从业人员素质和技能水平普遍较低

和发达国家相比，我国农业从业人员的文化素质偏低，农民对尾气治理的认知度有限，节能观念意识淡薄。由于农机操作人员对新型农机技术的了解有限，在实际的使用中，操作不规范，技巧不娴熟，影响机械的有效运转，造成不必要的磨损和能源浪费，缩短了农业机械的使用寿命，进而提高了机械化作业的成本。此外，在我国当前的农机技术培训中存在的突出问题有教学基础设施薄弱、师资队伍技能素质偏低、培训内容相对滞后、培训方法不够灵活和服务功能弱等。

3 推进电控柴油机应用于农业机械的措施对策

3.1 加大自主研发力度，适当引进国外先进技术

农民是农用柴油机的主要使用对象，生产效率不高，经济实力低，农机以个人购买为主，这是我国农村当前的状况[12]，即使到20世纪中期，我国广大农村地区和目前工业发达国家农村的水平仍有很大的差距。为了满足国家规定的排放、噪音和烟度等环保标准，在对农用柴油机进行技术改进和提高时，首先要考虑的是当前阶段农村的实际情况和农民能够接受的程度[13]。因此在开发柴油机新机型及新技术时，要脚踏实地，从我国的实际情况出发，走自主研发之路，另一方面，为了保持核心技术与国际同步，可以适当引进国外先进机型，采取合资合作生产的方式。

在技术措施方面，能够通过我国非道路柴油机国Ⅲ排放法规的技术方法有6种，即电控分配泵、电控单体泵、电控泵喷嘴、电控直列泵+冷却EGR、机械直泵+冷却EGR以及电控高压共轨[14]。为了更好地促进农用柴油机的发展，内燃机工业“十二五”发展规划将发展经济性好、适应性强、可靠性高，为各种农业机械配套的环保和节能型柴油机作为重点发展领域，并且将电控组合式单体泵、电控高压共轨燃油喷射系统、能承受160 MPa以上高动态响应的喷油器总成等作为重点发展的产品。endprint

3.2 实施农机化财政倾斜政策

农业是一个需要重点扶持的行业，农业机械化的发展需要国家对其进行充足的资本投入。世界各国纷纷大力补贴农业投资，扶持农业发展[15]（表1）。此外，一些发达国家还对农机化发展实行减免税收、低息和贴息贷款等方式进行补充，有力地调动了农民使用先进农机的积极性。例如，美国政府对农用柴油实行免税政策;在德国，政府以市场价50%的价格供应柴油给农民使用，农户可通过分期付款和冬季购买价等优惠方式购买农机;在澳大利亚，收入不足1.6亿澳元的农场主可以享有减免所得税等优惠政策，政府对需要进口的农机设备在关税上予以优惠[16-17]。这些农机化财政倾斜政策都是值得我国借鉴的。

表1 各国农业扶持政策比较

国家 农业扶持政策

法国 20世纪50年代，农机购置补贴20%～30%

日本 20世纪60年代，农机购置政府补贴60%～80%

韩国 20世纪80年代，政府对农机购置提供60%的补贴

美国

历届政府对农业的扶持力度都超过制造业等传统行业，目前，政府通过各种补贴计划，向农民发放的补贴约占其收入的1/4左右

巴基斯坦

2010年，政府为农用机械设备进口提供50%的补贴，以尽早实现农业机械化生产，提高农业产量，增加农民收入

3.3 改善燃油品质，并发展替代燃料

为了保证机动车和非道路移动机械排放标准的顺利实施，石化工业必须努力提高燃油标准，尽快改善燃油品质，生产优质的低硫柴油[18]。对有利于提高燃油品质的装置改造及建设项目，政府要在政策上给予支持。此外，农机、环保、燃料生产部门应加强合作，制定规划，促进农机、燃料和环保相关领域的持续协调发展，并通过国家宏观调控和立法来推动我国燃油品质的健康发展。

据国土资源部在《中国矿产资源报告（2013）》中披露，2012年底，我国石油剩余技术可采储量仅有33.3亿t左右，按照当年2.05亿t的产量估算，只能开采16年左右，我国的石油储量明显不足，因此要大力发展替代燃料等相应的技术。我国农业和农村能源的开发领域十分广阔，如生物质能、太阳能和风能等，这些都是清洁的、可持续的能源，可以根据各地实际情况，适当地推广混合动力装备 （天然气动力）以及代用能源，如沼气、乙醇等，这对减少不可再生能源消耗，推动新能源开发以及优化能源结构具有极其重要的意义[19]。

3.4 加强农业从业人员教育培训体系的建设

要加强我国农机职业培训和技能鉴定工作，整合资源，多方投入，通过借助农机企业、职业院校和科研单位等技术力量，开展多方面的农机教育和培训。由于电控柴油机与传统的农用柴油机在使用和维修方面都有本质的不同，因此，需要开展些宣传、推广、教育等工作，使用户在观念上接受电控柴油机的这些特点。此外，为了保证电控柴油机的正确使用和保养，也要针对操作维护人员开展一系列专业的培训[20]。

4 结论

农用柴油机的主要使用对象是农民，我国农民的经济收入仍然较低，因此发动机和农机制造企业要根据我国农村的实际情况，发展适合我国国情的电控节能技术，促进农用柴油机技术的进步。

从长远来看，为了满足日趋严格的非道路排放法规和经济性的要求，采用电控柴油机将是农业机械配套动力发展的必然趋势。但是在短期内，从政府到农机制造产业还需要为农用柴油机的电控化创造更好的环境，农机制造企业需要开展广泛的宣传和教育工作，并在农用电控柴油的研发和制造方面适当引进国外先进技术。相信在不远的未来，我国生产的新型农业机械一定能够配套节能环保的现代电控柴油机。

参考文献：

[1]GB 20891—2007 非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅰ、Ⅱ阶段） [S]. 北京：中国环境科学出版社，2007.

[2]付明亮，丁 焰，尹 航，等. 实际作业工况下农用拖拉机的排放特性[J]. 农业工程学报，2013，29（6）：42-48.

[3]葛蕴珊，刘红坤，丁 焰，等. 联合收割机排放和油耗特性的试验研究[J]. 农业工程学报，2013，29（19）：41-47.

[4]范景龙. 我国农用柴油机产品现状与节能减排[J]. 农业机械，2011（27）：13-15.

[5]刘胜吉，刘金龙. 小功率段多缸柴油机的发展和对策[J]. 中国农机化学报，2013，34（5）：29-34.

[6]王东青. 从2009汉诺威国际农机展看国外拖拉机技术的发展（上）[J]. 拖拉机与农用运输车，2011，38（2）：8-12.

[7]吴清分. 国外拖拉机和主要农机产品技术发展新趋势（上）[J]. 拖拉机与农用运输车，2011，38（4）：1-3，7.

[8]孙俊华，陆桂良，刘胜吉. 江苏省农机污染排放状况的分析研究[J]. 中国农机化，2010（1）：25-27，31.

[9]祝华军，田志宏，韩鲁佳，等. 农业机械化发展对财政投入的依存度研究[J]. 农业工程学报，2007，23（3）：273-278.

[10]彭天权. 非道路用发动机国Ⅲ排放技术分析和应对策略[J]. 建设机械技术与管理，2013（5）：29-31.

[11]邓艳芳. 国四排放标准实施 乃国之大势所趋[J]. 工程机械文摘，2013（6）：42-43.

[12]袁 聪. 我国拖拉机、农用运输车及收获机械配套柴油机的现状和发展方向[J]. 农业机械，2001（8）：8-12.

[13]何光清. 降低小型单缸柴油机排放的试验研究[D]. 南宁：广西大学，2009：1-2.

[14]包俊江，邢居真，高俊华. 柴油机电控技术发展与国Ⅲ排放技术路线[J]. 汽车工程师，2009（2）：31-34，37.

[15]李延明，卢秉福. 农业机械化外部性分析与支持政策体系的构建[J]. 农机化研究，2011，23（1）：24-27.

[16]杨敏丽，涂志强，沈广树. 国外农业机械化法规及支持政策[J]. 中国农机化，2005（2）：3-6.

[17]邱洪臣. 中国农业机械化高级阶段发展策略研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2013：29-30.

[18]刁玉辉，韦安和. 农用柴油机排放控制技术的探讨[J]. 中国农机化，2004（3）：31-34.

[19]李 昱. 基于节约型农机化发展战略研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2007：49-50.

[20]杜建华，蒋公见，蒋海牙. 国内外柴油机电控喷油技术的发展现状及前景[J]. 自动化技术与应用，2010，29（8）：16-20.endprint