柴油机国四排放对拖拉机生产企业的影响

吴宁 王金波 许凯

一、背景

2018 年8 月19 日生态环境部发布了《非道路移动机械污染防治技术政策》暨《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）（GB 20891-2014）修改单（征求意见稿）》，要求自2020 年12 月1 日起，全国实施非道路移动机械第四阶段排放标准，即第四阶段排放控制要求按照《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》（HJ 1014）及《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）》（GB20891-2014）执行。

为尽快了解并掌握全省拖拉机生产企业对国四排放标准的贯彻落实情况，我们对潍柴雷沃重工股份有限公司等十二家有代表性生产企业完成了专题调研。调研统计之后发现，不同拖拉机生产企业所采取的技术路线基本一致，均为《非道路移动机械污染防治技术政策》鼓励推广应用的排放控制技术，也是为了以最低投入达到国四排放标准要求。

二、技术分类

柴油发动机的污染主要来自以下方面：CO、微粒排放物质（PM）、碳氢化合（(HC)、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）。其中微粒排放物质（PM）大部分是由碳或碳化物的微小颗粒（尺寸小于4～20μm）所组成的。降低排气污染物的含量，需要发动机机内升级、净化处理和机外控制（收集和后处理）技术双管齐下。机内净化技术主要有：燃烧室的优化和改进、高压共轨电子控制燃油喷射技术、废气再循环技术（EGR）、进气增压中冷技术、多气门技术等。机外控制技术主要有DPF、DOC、SCR、LNT 技术等。目前，比较普遍且性价比合理的技术主要有DPF、DOC、SCR、EGR、高压共轨电子控制燃油喷射技术等技术的单一运用或者组合运用。

1.DPF（Diesel Particulate Filter）——颗粒捕捉器：是一种安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，它可以在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。颗粒捕捉器能够减少柴油发动机所产生的烟灰达90%以上。捕捉到的微粒排放物质随后在车辆运转过程中燃烧殆尽。它的工作基本原理是在柴油微粒过滤器喷涂上金属铂、铑、钯，柴油发动机排出的含有炭粒的黑烟，通过专门的管道进入发动机尾气微粒捕集器，经过其内部密集设置的袋式过滤器，将炭烟微粒吸附在金属纤维毡制成的过滤器上；当微粒的吸附量达到一定程度后，尾端的燃烧器自动点火燃烧，将吸附在上面的炭烟微粒烧掉，变成对人体无害的二氧化碳排出。

DPF 在工作中，捕捉器里的颗粒物逐渐增加会引起发动机排气背压升高，导致发动机性能下降，所以要定期除去沉积的颗粒物，恢复DPF 的过滤性能。DPF 的再生有主动再生和被动再生两种方法。主动再生指的是利用外界能量来提高捕捉器内的温度，使微粒着火燃烧。当捕捉器中的温度达到550℃时，沉积的颗粒物就会氧化燃烧，如果温度达不到550℃，过多的沉积物就会堵塞捕捉器，这时就需要利用外加能源（例如电加热器、燃烧器或发动机操作条件的改变）来提高DPF 内的温度，使颗粒物氧化燃烧。被动再生指的是利用燃油添加剂或者催化剂来降低微粒燃烧温度，使微粒能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧。添加剂要以一定的比例加到燃油中，添加剂过多会影响DOC 的寿命，但是如果过少，就会导致再生延迟或再生温度升高。

2.DOC（Diesel Oxidation Catalysts）——氧化催化转化：通过催化剂的作用，将尾气中的HC（碳氢化合物）和CO（一氧化碳）氧化为二氧化碳和水，实现对于HC 和CO 的去除，同时可以将NOx（氮氧化物）氧化为NO2（二氧化氮），上述反应过程会释放热量，有助于提高排气温度，可以作为SCR 方案的辅助装置。此外，DOC 还能将排气中颗粒物中的可溶性有机成分（SOF）转换成二氧化碳和水。

通过DOC 的作用，可使柴油机排气污染物中的CO 排放降低30%左右，HC 排放降低50%左右。此外，DOC 还可净化多环芳烃（PAH）50%以上，净化醛类达到50%～100%，并能够减轻柴油机的排气臭味。虽然DOC 对颗粒物的净化效果远不如DPF（颗粒捕集器），但由于碳氢化合物的起燃温度较低（在170℃以下就可以再生），所以DOC 不需要较为昂贵的再生系统，成本较低。

3.SCR（Selective Catalytic Reduction）——选择性催化还原装置：是针对柴油机尾气排放中NOx的一项处理工艺，即在催化剂的作用下，喷入还原剂氨或尿素，把尾气中的NOx 还原成N2和H2O，催化剂有贵金属和非贵金属两类。该项技术是欧洲主流技术路线，大功率柴油机几乎全部采用这一技术，具体解释为：在排气混合管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR 系统催化剂表面利用NH3还原NOX，排出N2，多余的NH3也被氧化为N2，防止泄漏。

4.EGR（Exhaust Gas Return）——废气再循环：柴油机排气系统将产生的一部分废气送回气缸，由于再循环废气具有惰性，不参加化学反应，进入缸内的混合气体被稀释，氧气浓度降低，从而可燃混合气的发热量降低，另外由于废气中的CO2及水蒸气的热容量较大，降低了气缸内高峰温度，这两者都使柴油机燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，从而破坏了NOX生成所需高温富氧的条件，使柴油机的NOX排放降低。特别是在大负荷时，效果尤为显著。但采用EGR 后，在不同的工作点，烟度和燃油消耗率有所增加，高负荷时，增加尤为明显。在大负荷下，为了保证颗粒排放不至于过大，采取较小的EGR 率；而在小负荷时，颗粒排放少，可采用较大的EGR 率。

三、技术路线

通过这几项典型的技术来看，通过单一技术比较难达到国四排放的标准，特别是中大马力的柴油机，需要两种或者更多的组合技术来得以实现对排放的控制。目前，国内比较主流的技术路线如下：

1.单缸直联或皮带传动拖拉机厂家主要选择自然吸气+高压共轨，部分厂家还选择自然吸气+单体泵作为备选技术路线。

2.50 马力及以下拖拉机厂家技术路线由国三的自然吸气+VE 泵（电控分配泵）改为自然吸气+高压共轨。

3.55～90 马力主要选择为增压中冷+高压共轨+EGR（废气再循环装置）+DOC（柴油氧化型催化转化器）+DPF（壁流式颗粒捕集器）。

4.90～120 马力有两种技术路线增压中冷+高压共轨+SCR（选择性催化还原装置）+DOC+DPF和增压中冷+高压共轨+EGR+DOC+DPF。

5.120 马力以上主要为增压中冷+ 高压共轨+SCR+DOC+DPF。

以上技术路线基本代表了全省拖拉机生产企业的设计方向，有些企业已推出国四排放的整机，并在2021 中国国际农业机械展览会（青岛展会）上展出。

四、对企业的影响

本次柴油机排放标准由国三升级到国四，对企业产生的影响是多方面的：

1.加大产品设计难度。国四柴油机需要增加尾气处理装置，对中小型拖拉机只需要加氧化催化器和柴油颗粒捕集器，占用空间不是很大，对产品外形的影响不大，但是大马力段拖拉机还需要在消声器位置加装选择性催化还原系统，占用空间大、结构质量大，这种结构要求机罩下发动机平面上有400mm以上的空间，这就要求机罩需要抬高，会影响驾驶员视野，对产品设计提出了更高的要求。此外，由于SCR所需的尿素消耗量与柴油消耗量的比值在1∶18 左右，尿素盛装设备与燃油箱的容积匹配需要计算正确，且尿素在低温时容易结晶，需要布置热导管进行提前加热，这些都对在现有传统的已经很紧凑的整机布局，提出了更严峻的挑战。

2.增加生产制造成本。原有的拖拉机底盘部装线及整机总装线已无法满足国四排放的要求，整机生产企业需要对配件、产品结构、工装工艺等进行升级调整。此外，每台拖拉机还需加装卫星导航精准定位系统，在机械全寿命内作业时，应能通过系统实现对其准确定位，并进行定位信息的数据发送。这些设备的投入以及后续的流量传输都给拖拉机生产企业带来极大困难。

3.增大销售难度和售后成本。柴油机排放升级国四，一是拖拉机制造成本会增加，价格也会相应提高；二是用户使用成本增加，难度加大，需要增加尿素，使用更高品质的低硫柴油，后处理需要再生等；三是服务成本增加，现有服务水平无法满足国四需要，需要对售后服务人员、经销商、用户重新培训。

4.PEMS 技术挑战。PEMS（Portable Emission Measurement System) 是一种能安装在车辆上，同时进行污染物浓度和流量以及温度、压力等相关参数实时采集的整套便携式排放测试系统。

国四阶段，排放监管将由发动机转向整车，通过监督整车的作业状况和实时排放，来判定是否排放达标。这对拖拉机制造厂在整机一致性控制和在用车辆符合性能上提出了更高的要求。一方面，拖拉机生产企业要保证出厂的每一台拖拉机都达到了国四排放，出厂抽检三台如果出现一台不合格，就可以判定该机型没有达到国四排放；另一方面，在用拖拉机的符合性抽查中，如果抽查三台有一台不合格，也判定该机型没有达到国四排放。PEMS 成本很高，核心零部件如颗粒检测、气体分析等都是需要进口，国产设备也在几十万元左右，且可靠性不高。一般大的企业都是采购诸如奥地利AVL 公司、美国Sensors 公司等国际知名公司原装进口产品，价格都在150 万元以上。

5.目前国四排放柴油机与整机的匹配问题。柴油机厂家目前只完成了实验室内测定，配套拖拉机上还没大面积开始进行“低温”“三高”等匹配试验和各种不同工况（如配套机具进行旋耕、深松等）的数据采集和标定。很多柴油机厂家采用小排量发动机和缩短排气管路来提升排气温度，需要与拖拉机的排气管路重新进行设计和对接。发动机数据优化是个漫长复杂的过程，需要发动机厂家、燃油供给系统厂家、拖拉机生产厂家三方一起完成，难度可想而知。目前，山东省较大规模的拖拉机生产企业与潍柴、玉柴、上柴等几个大品牌柴油机厂家进行了整车试装和数据标定工作，中小企业都处在观望或等待状态，且发动机厂家目前数据也比较有限，基础数据不多，产品一致性也难以保证。

五、几点建设

为做好2022 年度全省中大马力拖拉机推广鉴定工作，保证柴油机排放由国三到国四的顺利升级，提出以下建议：

1.虽然生态环境部国四排放标准由原来的2020年1 月1 日放宽到2022 年12 月1 日，但国四排放设计、制造程序复杂，而大部分企业都还处在准备阶段，加之发动机厂所制造的国四排放柴油机在可靠性方面未得到验证，到时能否顺利过渡还是未知。建议延长半年到一年的时间，给整机制造企业更多的准备时间。

2.柴油机排放执行国四标准后各方面成本均有增加，为保障良好的市场秩序，建议优先考虑执行国四排放的拖拉机等大型机械的补贴，提高补贴额度。

3.建议相关部门尽快制定或修订关于排放方面的国家或行业标准，以指导企业对现有产品更新换代或者新产品的研发试制。

4.建议将排放检验列为整机出厂检验的一项重要内容。由于国四阶段，排放责任主体是拖拉机生产厂家，而不是柴油机生产厂，所以作为拖拉机厂家，要转变思想、明确责任，积极与柴油机厂家进行对接和调试，将此次升级排放作为检验产品质量的一次重要契机，大浪淘沙、优胜劣汰，积极主动作为而不是被动接受。

本次调研活动，绝大部分企业表示对升级国四排放的理解和支持，而且均已提前谋划和实施，并表示有信心将自己的产品完成国三到国四的顺利升级。柴油机排放国三升级国四势在必行，如何在保证不影响大部分拖拉机企业正常生产经营的情况下完成顺利过渡，是我们共同努力的目标。在农机主管部门的合理政策及正确引导下，在各拖拉机生产企业的共同配合下，此次排放标准的适时升级也会顺利完成。