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泰安泰山國(guó)泰拖拉機(jī)制造有限公司 閆 帥

一、拖拉機(jī)國(guó)四排放階段主要后處理技術(shù)路線

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物主要有CO、微粒排放物質(zhì)（PM）、碳?xì)浠衔铮℉CX）、氮氧化物（NOX）、醛類和SOX，其中微粒排放物質(zhì)（PM）大部分是由碳粒、鉛化物和SOF（可溶性有機(jī)硫成份）組成。降低排氣污染物的含量，需要發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)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)。機(jī)外控制技術(shù)主要有DPF（顆粒物捕集）、DOC（氧化催化）、SCR（選擇性催化還原）、LNT（稀混合氣NOX捕集）技術(shù)。目前，普遍采用且性價(jià)比合理的技術(shù)主要有高壓共軌電子控制燃油噴射技術(shù)、EGR、DPF、DOC、SCR 等技術(shù)的單一運(yùn)用或者組合運(yùn)用?，F(xiàn)就幾種比較典型的排放處理技術(shù)介紹如下。

1.DPF（Diesel Particulate Filter）——顆粒物捕集。是一種安裝在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)中的陶瓷過(guò)濾器，它可以在微粒排放物質(zhì)進(jìn)入大氣之前將其捕捉。顆粒物捕捉器能夠減少柴油發(fā)動(dòng)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(guò)程中燃燒殆盡。它的工作基本原理是在柴油微粒過(guò)濾器噴涂上金屬鉑、銠、鈀，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排出的含有炭粒的黑煙，通過(guò)專門的管道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣微粒捕集器，經(jīng)過(guò)其內(nèi)部密集設(shè)置的袋式過(guò)濾器，將炭煙微粒吸附在金屬纖維氈制成的過(guò)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(dòng)點(diǎn)火燃燒，將吸附在上面的炭煙微粒燒掉，變成對(duì)人體無(wú)害的二氧化碳排出。

2.DOC（Diesel Oxidation Catalysts）——氧化催化技術(shù)。通過(guò)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+水，實(shí)現(xiàn)對(duì)于HC 和CO 的去除，同時(shí)可以將NOX（氮氧化物）氧化為NO2（二氧化氮）。上述反應(yīng)過(guò)程會(huì)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)硫成分（SOF）轉(zhuǎn)換成二氧化碳和水。

通過(guò)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(duì)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）——選擇性催化還原技術(shù)。是針對(duì)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)。

在SCR 中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

尿素水解：（NH2）2CO+H2O →2NH3+CO2；

NOX還原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O；

NH3氧化：4NH3+3O2→2N2+6H2O。

具體解釋為：在排氣混和管上安裝有尿素計(jì)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)技術(shù)。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(guò)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(shí)，效果尤為顯著。但采用EGR 后，在不同的工況點(diǎn)，煙度和燃油消耗率有所增加，高負(fù)荷時(shí)，增加尤為明顯。在大負(fù)荷下，為了保證顆粒排放不致于過(guò)大，采取較小的EGR 率；而在小負(fù)荷時(shí)，顆粒排放少，可采用較大的EGR 率。

通過(guò)這幾項(xiàng)典型的技術(shù)來(lái)看，通過(guò)單一技術(shù)比較難達(dá)到國(guó)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)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)排放的控制。

基于表1，目前國(guó)內(nèi)比較主流的技術(shù)路線如下：

（1）單缸機(jī)。目前發(fā)動(dòng)機(jī)廠家主要選擇自然吸氣+機(jī)械泵，部分廠家還選擇自然吸氣+電 控單體泵作為備選技術(shù)路線。

（2）50 馬力及以下多缸機(jī)。由國(guó)三階段的自然吸氣+VE 泵（電控分配泵）改為自然吸氣+電控單體泵。

（3）55～90 馬力發(fā)動(dòng)機(jī)。主要選擇為增壓中冷+高壓共軌+EGR+DOC+DPF。

（4）90～120 馬力發(fā)動(dòng)機(jī)。有兩種技術(shù)路線，即增壓中冷+高壓共軌+SCR+DOC+DPF 和增壓中冷+高壓共軌+EGR+DOC+DPF。

（5）120 馬力以上發(fā)動(dòng)機(jī)。主要為增壓中冷+高壓共軌+SCR+DOC+DPF 。

表1 非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值對(duì)照表

二、國(guó)四排放對(duì)拖拉機(jī)行業(yè)造成的影響和企業(yè)應(yīng)對(duì)現(xiàn)狀

1.國(guó)四排放加大整機(jī)設(shè)計(jì)難度。國(guó)四排放柴油機(jī)需要增加尾氣處理裝置，對(duì)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(duì)產(chǎn)品外形的影響不大，但是大馬力段拖拉機(jī)還需要在原消音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，要求機(jī)罩下發(fā)動(dòng)機(jī)平面上有400mm 以上的空間，這就要求機(jī)罩需要抬高，會(huì)影響駕駛員視野，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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：（15～20）左右，尿素盛裝設(shè)備與燃油箱的容積匹配需要計(jì)算正確，且尿素在低溫時(shí)容易結(jié)晶，需要布置熱導(dǎo)管進(jìn)行提前加熱，這些都對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)的整機(jī)布局提出了嚴(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(wú)法滿足國(guó)四排放的要求，整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)需要對(duì)配件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工裝工藝等進(jìn)行升級(jí)調(diào)整。此外，每臺(tái)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(shí)，應(yīng)能通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)極大困難。

3.增大銷售難度和售后成本。柴油機(jī)升級(jí)國(guó)四，一是拖拉機(jī)成本會(huì)增加，價(jià)格也會(huì)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(wú)法滿足國(guó)四需要，需要對(duì)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(shí)進(jìn)行污染物濃度和流量以及溫度、壓力和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、負(fù)荷程度以及經(jīng)緯度、海拔等相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)采集的整套便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)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(tái)拖拉機(jī)都達(dá)到了國(guó)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(tái)有一臺(tái)不合格，也判定該機(jī)型沒(méi)有達(dá)到國(guó)四排放。PEMS 成本很高，核心零部件如顆粒檢測(cè)、氣體分析等都是需要進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)設(shè)備也在幾十萬(wàn)左右，且可靠性不是很好。一般大的企業(yè)都是采購(gòu)諸如奧地利AVL 公司、美國(guó)Sensors 公司等國(guó)際知名公司原裝進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格都在150 萬(wàn)元（人民幣）以上。

5.目前國(guó)四排放柴油機(jī)與整機(jī)的匹配問(wèn)題。柴油機(jī)廠家普遍完成了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定，配套拖拉機(jī)上正在大面積進(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(dòng)機(jī)和縮短排氣管路來(lái)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(jì)和對(duì)接。發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)優(yōu)化是個(gè)漫長(zhǎng)復(fù)雜的過(guò)程，需要發(fā)動(dòng)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。

6.國(guó)四排放實(shí)施后，拖拉機(jī)整機(jī)增加多項(xiàng)檢查要求。根據(jù)國(guó)四排放控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要確保在整機(jī)使用過(guò)程中保證排放的合規(guī)性，主要為排放的達(dá)標(biāo)檢查和在用符合性檢查，其中都包含有企業(yè)自查與監(jiān)督抽查。

排放達(dá)標(biāo)檢查中，企業(yè)自查對(duì)象為整機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，內(nèi)容包括企業(yè)制定自查計(jì)劃，結(jié)果公開(kāi)；自查記錄表保存五年，備查；代表性系族自查，不自查系族要聲明達(dá)標(biāo)；出廠后，前500h 可以作為新機(jī)自查。達(dá)標(biāo)監(jiān)督抽查由主管部門進(jìn)行，內(nèi)容包含配置核查、下線計(jì)劃和自查過(guò)程審查、控制策略功能性檢查、達(dá)標(biāo)測(cè)試、合格判定。特別注意：無(wú)柴油機(jī)故障診斷接口（OBD 接口）或無(wú)法訪問(wèn)判定為排放不合格。

在用符合性檢查中，企業(yè)自查包括按系族開(kāi)展自查、選擇檢查的機(jī)械應(yīng)盡可能使用達(dá)到500 h 以上、銷售一年半內(nèi)開(kāi)展自查計(jì)劃、自查結(jié)果應(yīng)公開(kāi)等。監(jiān)督抽查由主管部門進(jìn)行，包括車載終端的功能性檢查、診斷系統(tǒng)功能性檢查、達(dá)標(biāo)測(cè)試、合格判定、整改措施，其中整改措施要求生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)按要求提交整改措施計(jì)劃并按計(jì)劃實(shí)施。