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泰安泰山國泰拖拉機制造有限公司 閆 帥

一、拖拉機國四排放階段主要后處理技術(shù)路線

柴油發(fā)動機排氣污染物主要有CO、微粒排放物質(zhì)（PM）、碳氫化合物（HCX）、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（可溶性有機硫成份）組成。降低排氣污染物的含量，需要發(fā)動機機內(nèi)凈化處理和機外控制（收集和后處理）技術(shù)雙管齊下。機內(nèi)凈化技術(shù)主要有燃燒室的優(yōu)化和改進、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）、進氣增壓中冷技術(shù)、多氣門技術(shù)。機外控制技術(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)的單一運用或者組合運用?，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)動機排放系統(tǒng)中的陶瓷過濾器，它可以在微粒排放物質(zhì)進入大氣之前將其捕捉。顆粒物捕捉器能夠減少柴油發(fā)動機所產(chǎn)生的煙灰達90%以上，捕捉到的微粒排放物質(zhì)隨后在車輛運轉(zhuǎn)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(fā)動機排出的含有炭粒的黑煙，通過專門的管道進入發(fā)動機尾氣微粒捕集器，經(jīng)過其內(nèi)部密集設(shè)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。

2.DOC（Diesel Oxidation Catalysts）——氧化催化技術(shù)。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+水，實現(xiàn)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硫成分（SOF）轉(zhuǎn)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(huán)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(tǒng)，成本較低。

3.SCR（Selective Catalytic Reduction）——選擇性催化還原技術(shù)。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(shù)是歐洲主流技術(shù)路線，大功率柴油機幾乎全部采用這一技術(shù)。

在SCR 中發(fā)生的化學反應如下：

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，不參加化學反應，進入缸內(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，這兩者都使柴油機燃燒過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，在不同的工況點，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致于過大，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。

通過這幾項典型的技術(shù)來看，通過單一技術(shù)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(shù)，才能實現(xiàn)對排放的控制。

基于表1，目前國內(nèi)比較主流的技術(shù)路線如下：

（1）單缸機。目前發(fā)動機廠家主要選擇自然吸氣+機械泵，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。由國三階段的自然吸氣+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)動機。主要選擇為增壓中冷+高壓共軌+EGR+DOC+DPF。

（4）90～120 馬力發(fā)動機。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)動機。主要為增壓中冷+高壓共軌+SCR+DOC+DPF 。

表1 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值對照表

二、國四排放對拖拉機行業(yè)造成的影響和企業(yè)應對現(xiàn)狀

1.國四排放加大整機設(shè)計難度。國四排放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(chǎn)品外形的影響不大，但是大馬力段拖拉機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，要求機罩下發(fā)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(chǎn)品設(shè)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：（15～20）左右，尿素盛裝設(shè)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(jié)晶，需要布置熱導管進行提前加熱，這些都對現(xiàn)有傳統(tǒng)的整機布局提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

2.增加生產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)需要對配件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工裝工藝等進行升級調(diào)整。此外，每臺拖拉機還需加裝衛(wèi)星導航精準定位系統(tǒng)，在機械全壽命內(nèi)作業(yè)時，應能通過系統(tǒng)實現(xiàn)對其準確定位，并進行定位信息的數(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生產(chǎn)企業(yè)帶來極大困難。

3.增大銷售難度和售后成本。柴油機升級國四，一是拖拉機成本會增加，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(zhì)的低硫柴油，后處理需要再生等；三是服務成本增加，現(xiàn)有服務水平無法滿足國四需要，需要對售后服務人員、經(jīng)銷商、用戶重新培訓。

4.PEMS 技術(shù)挑戰(zhàn)。PEMS（Portable Emission Measurement System）是一種能安裝在車輛上，同時進行污染物濃度和流量以及溫度、壓力和柴油機轉(zhuǎn)速、扭矩、負荷程度以及經(jīng)緯度、海拔等相關(guān)參數(shù)實時采集的整套便攜式排放測試系統(tǒng)。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(chǎn)企業(yè)要保證出廠的每一臺拖拉機都達到了國四排放；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(chǎn)設(shè)備也在幾十萬左右，且可靠性不是很好。一般大的企業(yè)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(chǎn)品，價格都在150 萬元（人民幣）以上。

5.目前國四排放柴油機與整機的匹配問題。柴油機廠家普遍完成了實驗室內(nèi)測定，配套拖拉機上正在大面積進行“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(shù)據(jù)采集和標定。很多柴油機廠家采用小排量發(fā)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(shè)計和對接。發(fā)動機數(shù)據(jù)優(yōu)化是個漫長復雜的過程，需要發(fā)動機廠家、燃油供給系統(tǒng)廠家、拖拉機生產(chǎn)廠家三方一起完成，難度可想而知。

6.國四排放實施后，拖拉機整機增加多項檢查要求。根據(jù)國四排放控制技術(shù)標準，需要確保在整機使用過程中保證排放的合規(guī)性，主要為排放的達標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。

排放達標檢查中，企業(yè)自查對象為整機和發(fā)動機，內(nèi)容包括企業(yè)制定自查計劃，結(jié)果公開；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標；出廠后，前500h 可以作為新機自查。達標監(jiān)督抽查由主管部門進行，內(nèi)容包含配置核查、下線計劃和自查過程審查、控制策略功能性檢查、達標測試、合格判定。特別注意：無柴油機故障診斷接口（OBD 接口）或無法訪問判定為排放不合格。

在用符合性檢查中，企業(yè)自查包括按系族開展自查、選擇檢查的機械應盡可能使用達到500 h 以上、銷售一年半內(nèi)開展自查計劃、自查結(jié)果應公開等。監(jiān)督抽查由主管部門進行，包括車載終端的功能性檢查、診斷系統(tǒng)功能性檢查、達標測試、合格判定、整改措施，其中整改措施要求生產(chǎn)企業(yè)應按要求提交整改措施計劃并按計劃實施。