柴油機國四排放對拖拉機生產企業的影響

吳寧 王金波 許凱

一、背景

2018 年8 月19 日生態環境部發布了《非道路移動機械污染防治技術政策》暨《非道路移動機械用柴油機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，全國實施非道路移動機械第四階段排放標準，即第四階段排放控制要求按照《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》（HJ 1014）及《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》（GB20891-2014）執行。

為盡快了解并掌握全省拖拉機生產企業對國四排放標準的貫徹落實情況，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企業完成了專題調研。調研統計之后發現，不同拖拉機生產企業所采取的技術路線基本一致，均為《非道路移動機械污染防治技術政策》鼓勵推廣應用的排放控制技術，也是為了以最低投入達到國四排放標準要求。

二、技術分類

柴油發動機的污染主要來自以下方面：CO、微粒排放物質（PM）、碳氫化合（(HC)、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）。其中微粒排放物質（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，需要發動機機內升級、凈化處理和機外控制（收集和后處理）技術雙管齊下。機內凈化技術主要有：燃燒室的優化和改進、高壓共軌電子控制燃油噴射技術、廢氣再循環技術（EGR）、進氣增壓中冷技術、多氣門技術等。機外控制技術主要有DPF、DOC、SCR、LNT 技術等。目前，比較普遍且性價比合理的技術主要有DPF、DOC、SCR、EGR、高壓共軌電子控制燃油噴射技術等技術的單一運用或者組合運用。

1.DPF（Diesel Particulate Filter）——顆粒捕捉器：是一種安裝在柴油發動機排放系統中的陶瓷過濾器，它可以在微粒排放物質進入大氣之前將其捕捉。顆粒捕捉器能夠減少柴油發動機所產生的煙灰達90%以上。捕捉到的微粒排放物質隨后在車輛運轉過程中燃燒殆盡。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，柴油發動機排出的含有炭粒的黑煙，通過專門的管道進入發動機尾氣微粒捕集器，經過其內部密集設置的袋式過濾器，將炭煙微粒吸附在金屬纖維氈制成的過濾器上；當微粒的吸附量達到一定程度后，尾端的燃燒器自動點火燃燒，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動機排氣背壓升高，導致發動機性能下降，所以要定期除去沉積的顆粒物，恢復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的溫度，使微粒著火燃燒。當捕捉器中的溫度達到550℃時，沉積的顆粒物就會氧化燃燒，如果溫度達不到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、燃燒器或發動機操作條件的改變）來提高DPF 內的溫度，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，就會導致再生延遲或再生溫度升高。

2.DOC（Diesel Oxidation Catalysts）——氧化催化轉化：通過催化劑的作用，將尾氣中的HC（碳氫化合物）和CO（一氧化碳）氧化為二氧化碳和水，實現對于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成分（SOF）轉換成二氧化碳和水。

通過DOC 的作用，可使柴油機排氣污染物中的CO 排放降低30%左右，HC 排放降低50%左右。此外，DOC 還可凈化多環芳烴（PAH）50%以上，凈化醛類達到50%～100%，并能夠減輕柴油機的排氣臭味。雖然DOC 對顆粒物的凈化效果遠不如DPF（顆粒捕集器），但由于碳氫化合物的起燃溫度較低（在170℃以下就可以再生），所以DOC 不需要較為昂貴的再生系統，成本較低。

3.SCR（Selective Catalytic Reduction）——選擇性催化還原裝置：是針對柴油機尾氣排放中NOx的一項處理工藝，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。該項技術是歐洲主流技術路線，大功率柴油機幾乎全部采用這一技術，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，尿素在高溫下發生水解和熱解反應后生成NH3，在SCR 系統催化劑表面利用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：柴油機排氣系統將產生的一部分廢氣送回氣缸，由于再循環廢氣具有惰性，不參加化學反應，進入缸內的混合氣體被稀釋，氧氣濃度降低，從而可燃混合氣的發熱量降低，另外由于廢氣中的CO2及水蒸氣的熱容量較大，降低了氣缸內高峰溫度，這兩者都使柴油機燃燒過程的著火延遲期增加，燃燒速率變慢，缸內最高燃燒溫度下降，從而破壞了NOX生成所需高溫富氧的條件，使柴油機的NOX排放降低。特別是在大負荷時，效果尤為顯著。但采用EGR 后，在不同的工作點，煙度和燃油消耗率有所增加，高負荷時，增加尤為明顯。在大負荷下，為了保證顆粒排放不至于過大，采取較小的EGR 率；而在小負荷時，顆粒排放少，可采用較大的EGR 率。

三、技術路線

通過這幾項典型的技術來看，通過單一技術比較難達到國四排放的標準，特別是中大馬力的柴油機，需要兩種或者更多的組合技術來得以實現對排放的控制。目前，國內比較主流的技術路線如下：

1.單缸直聯或皮帶傳動拖拉機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路線。

2.50 馬力及以下拖拉機廠家技術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（廢氣再循環裝置）+DOC（柴油氧化型催化轉化器）+DPF（壁流式顆粒捕集器）。

4.90～120 馬力有兩種技術路線增壓中冷+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。

以上技術路線基本代表了全省拖拉機生產企業的設計方向，有些企業已推出國四排放的整機，并在2021 中國國際農業機械展覽會（青島展會）上展出。

四、對企業的影響

本次柴油機排放標準由國三升級到國四，對企業產生的影響是多方面的：

1.加大產品設計難度。國四柴油機需要增加尾氣處理裝置，對中小型拖拉機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，對產品外形的影響不大，但是大馬力段拖拉機還需要在消聲器位置加裝選擇性催化還原系統，占用空間大、結構質量大，這種結構要求機罩下發動機平面上有400mm以上的空間，這就要求機罩需要抬高，會影響駕駛員視野，對產品設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晶，需要布置熱導管進行提前加熱，這些都對在現有傳統的已經很緊湊的整機布局，提出了更嚴峻的挑戰。

2.增加生產制造成本。原有的拖拉機底盤部裝線及整機總裝線已無法滿足國四排放的要求，整機生產企業需要對配件、產品結構、工裝工藝等進行升級調整。此外，每臺拖拉機還需加裝衛星導航精準定位系統，在機械全壽命內作業時，應能通過系統實現對其準確定位，并進行定位信息的數據發送。這些設備的投入以及后續的流量傳輸都給拖拉機生產企業帶來極大困難。

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

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

國四階段，排放監管將由發動機轉向整車，通過監督整車的作業狀況和實時排放，來判定是否排放達標。這對拖拉機制造廠在整機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，拖拉機生產企業要保證出廠的每一臺拖拉機都達到了國四排放，出廠抽檢三臺如果出現一臺不合格，就可以判定該機型沒有達到國四排放；另一方面，在用拖拉機的符合性抽查中，如果抽查三臺有一臺不合格，也判定該機型沒有達到國四排放。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口，國產設備也在幾十萬元左右，且可靠性不高。一般大的企業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口產品，價格都在150 萬元以上。

5.目前國四排放柴油機與整機的匹配問題。柴油機廠家目前只完成了實驗室內測定，配套拖拉機上還沒大面積開始進行“低溫”“三高”等匹配試驗和各種不同工況（如配套機具進行旋耕、深松等）的數據采集和標定。很多柴油機廠家采用小排量發動機和縮短排氣管路來提升排氣溫度，需要與拖拉機的排氣管路重新進行設計和對接。發動機數據優化是個漫長復雜的過程，需要發動機廠家、燃油供給系統廠家、拖拉機生產廠家三方一起完成，難度可想而知。目前，山東省較大規模的拖拉機生產企業與濰柴、玉柴、上柴等幾個大品牌柴油機廠家進行了整車試裝和數據標定工作，中小企業都處在觀望或等待狀態，且發動機廠家目前數據也比較有限，基礎數據不多，產品一致性也難以保證。

五、幾點建設

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

1.雖然生態環境部國四排放標準由原來的2020年1 月1 日放寬到2022 年12 月1 日，但國四排放設計、制造程序復雜，而大部分企業都還處在準備階段，加之發動機廠所制造的國四排放柴油機在可靠性方面未得到驗證，到時能否順利過渡還是未知。建議延長半年到一年的時間，給整機制造企業更多的準備時間。

2.柴油機排放執行國四標準后各方面成本均有增加，為保障良好的市場秩序，建議優先考慮執行國四排放的拖拉機等大型機械的補貼，提高補貼額度。

3.建議相關部門盡快制定或修訂關于排放方面的國家或行業標準，以指導企業對現有產品更新換代或者新產品的研發試制。

4.建議將排放檢驗列為整機出廠檢驗的一項重要內容。由于國四階段，排放責任主體是拖拉機生產廠家，而不是柴油機生產廠，所以作為拖拉機廠家，要轉變思想、明確責任，積極與柴油機廠家進行對接和調試，將此次升級排放作為檢驗產品質量的一次重要契機，大浪淘沙、優勝劣汰，積極主動作為而不是被動接受。

本次調研活動，絕大部分企業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施，并表示有信心將自己的產品完成國三到國四的順利升級。柴油機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企業正常生產經營的情況下完成順利過渡，是我們共同努力的目標。在農機主管部門的合理政策及正確引導下，在各拖拉機生產企業的共同配合下，此次排放標準的適時升級也會順利完成。