非道路移动机械“国四”排放标准实施带来的机遇与挑战

黄盛杰 郑巍 樊成赛 何瑞银

0 引言

随着城市化进程的加快和人们环保意识的不断增强，我国环保监管日趋严格，非道路移动机械尾气处理标准逐步提高，并从汽车领域延伸至船舶、发电、非道路机械等细分领域。2020年12月28日，生态环境部发布《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》（HJ 1014-2020），明确规定，“自2022年12月1日起，所有生产、进口和销售的560 kW以下（含560 kW）非道路移动机械及其装用的柴油机应符合本标准要求”。该标准适用于挖掘机、拖拉机、联合收割机等非道路机械。《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值与测量方法（中国第三、四阶段）》中的第四阶段标准（以下简称“国四”）将正式实施。

1 非道路移动机械排放标准发展历程

非道路移动机械用柴油机排气污染物排放标准经历了四个发展阶段［1］。2007年4月3日，原国家环境保护总局、原国家质量监督检验检疫总局发布《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)》（GB 20891-2007）。“国 一”标 准于 同年10月1日正式实施，“国二”标准于2009年10月1日正式实施。2014年5月16日，原环境保护部、原国家质量监督检验检疫总局发布《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值与测量方法（中国第三、四阶段）》（GB 20891-2014）。“国三”标准于2015年10月1日正式实施（其中农用机械于2016年12月1日 实 施），“国 四”标 准 于2022年12月1日正式实施。在非道路移动机械排放标准的发展过程中，从排放污染物种类、排放污染物限值到排放污染物监测检测方法等都在改变[2]。本文主要从污染物的限值对比和检测方法对比两个方面分析我国非道路移动机械排放标准发展历程。

由于“国四”标准新添加了NH3和PN指标，而在“国一”“国二”“国三”标准中并没有此指标，所以不做对比。另外，“国一”和“国二”标准中碳氢化合物和氮氧化合物分别设定限值，而“国三”标准中则用两者总量进行限值。“国四”标准比较负载：在P≥46 kW时，分别设定限值；在P＜46 kW时，仅仅设定总和限值。指标设定不同的原因主要是为了与检测方法相适应。表1为第一阶段到第四阶段排放限值汇总表。在功率分段中，第一阶段和第二阶段标准中对P＜37的功率段又细分为0＜Pmax＜8、8≤Pmax＜18、18≤P＜37三个 区 间段，而第三阶段和第四阶段标准中直接把P＜37设为一个分段。在数据统计时，把第三阶段和第四阶段同步到0＜Pmax＜8、8≤Pmax＜18、18≤P＜37三个区间段，有效保留第一阶段和第二阶段数据特征。

表1 第一阶段到第四阶段（Ⅰ～Ⅳ）排放限值汇总表

2 不同发展阶段排放限值比较

2.1 CO排放限值比较

对表1数据进行可视化处理，将CO排放限值提取出来，用Excel绘制折线统计图（见图1）。由图1可以看出，随着标准的提升，功率越小，CO排放限值下降幅度越大。其中，P＜8 kW的发动机，第一阶段到第三第四阶段CO排放限值从12.3 g/（kW·h）下 降 到5.5 g/（kW·h），总 降 幅 为55.28%。反之，功率越大，CO排放限值降幅越小。在第三阶段和第四阶段中，CO的排放限值没有变化，说明CO排放限值已基本达到极限。

图1 不同功率下CO排放限值变化

2.2 HC+NOX排放限值对比

根据表1数据绘制HC+NOX排放限值的折线统计图（见图2）。从图2可以看出，随着标准的提升，HC+NOX的排放限值在各功率段均明显下降。其中：在最小功率梯度（P＜8 kW）中，第一阶段较第四阶段HC+NOX排放限值下降10.9 g/（kW·h），下降幅度达59.24%。在8≤P＜18 kW梯度中，第一阶段到第四阶段排放限值下降5.4 g/（kW·h），下降幅度为41.86%；在其他功率梯度，HC+NOX排放限值均随着国家排放标准的发展在逐步下降。同时，可以看出，发动机功率越大对HC+NOX排放限值要求越高。但是，在第三阶段和第四阶段，P≥560 kW的发动机排放限值均大于75 kW≤P＜560 kW排放限值。

图2 不同功率下HC＋NOX排放限值变化

2.3 PM限值对比

根据表1数据绘制PM排放限值的折线统计图（见图3）。由图3可以看出，不同功率下PM排放限值均随着标准的发展而逐渐降低。其中：在P＜37 kW的梯度中，PM排放限值在第一阶段到第四 阶 段 均 降 低0.4 g/（kW·h），降 低 幅 度 均 为40%；在37≤P＜75梯度中，第一阶段到第四阶段的排放限值均降低0.825 g/（kW·h），降低幅度均为97.05%，降低的总量和幅度均为最大；在75≤P＜130梯度中，第一阶段到第四阶段的排放限值均降低0.675 g/（kW·h），降低幅度均为96.43%；在130≤P＜560梯度中，第一阶段到第四阶段的排放限值均降低0.515 g/（kW·h），降低幅度均为95.37%；在P≥560梯度中，第一阶段到第四阶段的排放限值均降低0.44 g/（kW·h），降低幅度均为81.48%。但是从第四阶段各功率梯度PM排放限值对比来看，P≥560段的PM排放限值大于75≤P＜560段的PM排放限值，这和国家标准第一阶段到第三阶段的排放限值要求相比存在差异。

图3 不同功率下PM排放限值变化

2.4 PN和NH3指标限值

在“国四”标准中新增PN和NH3指标作为评判标准。加入PN限值主要是为了解决非道路移动机械冒黑烟问题。通用的检测手段是通过DPF技术对颗粒物进行捕捉。在第四阶段国家标准中并未对控制技术进行固化，鼓励企业研发和使用更高效的污染物排放控制技术。加入NH3指标能更好地检测是否存在尿素冗余施加的问题。PN和NH3指标的加入使非道路移动机械排放标准更加完善合理。

SCR技术是用来降低氮氧化物（NOX）排放量的柴油机尾气后处理技术。在SCR技术中，一般以尿素溶液作为尾气处理液。在实际应用中，尾气处理液通过泵喷向温度为300～500℃的柴油机尾气，尿素溶液汽化后分解产生NH3，与尾气中的NOX在SCR催化反应器中反应，转化为N2和H2O。在230～500℃范围内，NOX的转化效率在40%～85%之间。以重型柴油机为例：如果SCR系统失效，NOX排放量可达正常排放量的6～7倍[3]。在不同发展阶段柴油机械的技术路线如表2所示。

表2 不同发展阶段的柴油机械技术路线

3 “国四”实施下的挑战与机遇

3.1 “国四”管控新内容及要求

经过十几年的发展，中国非道路移动机械排放标准要求基本上已与欧美国家同步，逐渐摆脱了在非道路排放标准制定领域的滞后性与依附性[4]。

“国四”排放标准从基础、保障、技术、管理等各方面进行系统性策划设计，充分发挥标准化的整体作用。与“国一”“国二”“国三”相比，“国四”排放检测技术主要有两点变化：一是更加关注整体性能，对37 kW以上机械实际使用过程中污染排放采用便携式排放检测系统（PEMS）进行测量；二是增加柴油机非标准循环工况测量方法及其限值要求。非标准循环包括稳态试验循环和瞬态试验循环。稳态试验循环又分为小于19 kW柴油机非恒定转速、非恒定转速和恒定转速三类，分别适用于不同试验循环。瞬态试验循环（NRTC）包含1 238个逐秒变化的试验循环。NRTC试验循环包含冷启动循环和热启动循环。冷启动循环开始时，发动机的冷却液、机油、发动机的处理系统和辅助设备都应该在20～30℃之间。冷态试验结束后，立即进行20 min热浸，热浸期结束后应立即进行热启动循环试验，污染物检测结果应在冷态和热态两种循环下得出[5-6]。

“国四”排放检测采用物联网技术采集37 kW≤P＜560 kW机械的定位信息以及排放情况，通过大数据的监控处理，高效筛查非道路运行机械，将很大程度上防止人为因素对尾气后处理系统的破坏。

3.2 挑战与机遇

“国四”排放标准实施带来的最主要的挑战就是减排，包括基本减排和后处理减排。基本减排技术主要用于改善发动机性能，包括优化进气门和排气门的相位差、密封性，优化化油器性能，优化ECU执行性能等。后处理减排技术主要是对发动机排出的尾气进行处理，通过化学反应对有害化学成分进行分解。“国四”发动机应用新科技将增加配套成本。例如：加装后处理系统及相应的配套部件，中小马力机械需增加成本8 000～15 000元/台，大马力机械需增加成本18 000～30 000元/台。另外，随着零部件数量的增加，维护和维修成本也会增加。

“国四”排放标准的实施，虽然给农机行业带来重大挑战，但也为企业转型升级、高质量发展带来了机遇。非道路移动机械生产企业既是实现排放标准目标的主力军，也是技术创新的主要力量。“双碳”目标的核心是减排，高质量发展与“双碳”目标是一体两面，其精神内核基本一致。“国四”排放标准是衡量高质量发展的一把重要标尺，可通过标准指引倒逼技术转型，提升企业创新能力，推动农机产业转型升级。因此，对于注重环保和创新的企业来说，“国四”标准的实施将带来利好和发展机遇。