黃盛杰 鄭巍 樊成賽 何瑞銀

0 引言

隨著城市化進程的加快和人們環(huán)保意識的不斷增強，我國環(huán)保監(jiān)管日趨嚴格，非道路移動機械尾氣處理標準逐步提高，并從汽車領域延伸至船舶、發(fā)電、非道路機械等細分領域。2020年12月28日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》（HJ 1014-2020），明確規(guī)定，“自2022年12月1日起，所有生產(chǎn)、進口和銷售的560 kW以下（含560 kW）非道路移動機械及其裝用的柴油機應符合本標準要求”。該標準適用于挖掘機、拖拉機、聯(lián)合收割機等非道路機械。《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值與測量方法（中國第三、四階段）》中的第四階段標準（以下簡稱“國四”）將正式實施。

1 非道路移動機械排放標準發(fā)展歷程

非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放標準經(jīng)歷了四個發(fā)展階段［1］。2007年4月3日，原國家環(huán)境保護總局、原國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布《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Ⅰ、Ⅱ階段)》（GB 20891-2007）?！皣?一”標 準于 同年10月1日正式實施，“國二”標準于2009年10月1日正式實施。2014年5月16日，原環(huán)境保護部、原國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值與測量方法（中國第三、四階段）》（GB 20891-2014）?！皣睒藴视?015年10月1日正式實施（其中農(nóng)用機械于2016年12月1日 實 施），“國 四”標 準 于2022年12月1日正式實施。在非道路移動機械排放標準的發(fā)展過程中，從排放污染物種類、排放污染物限值到排放污染物監(jiān)測檢測方法等都在改變[2]。本文主要從污染物的限值對比和檢測方法對比兩個方面分析我國非道路移動機械排放標準發(fā)展歷程。

由于“國四”標準新添加了NH3和PN指標，而在“國一”“國二”“國三”標準中并沒有此指標，所以不做對比。另外，“國一”和“國二”標準中碳氫化合物和氮氧化合物分別設定限值，而“國三”標準中則用兩者總量進行限值?！皣摹睒藴时容^負載：在P≥46 kW時，分別設定限值；在P＜46 kW時，僅僅設定總和限值。指標設定不同的原因主要是為了與檢測方法相適應。表1為第一階段到第四階段排放限值匯總表。在功率分段中，第一階段和第二階段標準中對P＜37的功率段又細分為0＜Pmax＜8、8≤Pmax＜18、18≤P＜37三個 區(qū) 間段，而第三階段和第四階段標準中直接把P＜37設為一個分段。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計時，把第三階段和第四階段同步到0＜Pmax＜8、8≤Pmax＜18、18≤P＜37三個區(qū)間段，有效保留第一階段和第二階段數(shù)據(jù)特征。

表1 第一階段到第四階段（Ⅰ～Ⅳ）排放限值匯總表

2 不同發(fā)展階段排放限值比較

2.1 CO排放限值比較

對表1數(shù)據(jù)進行可視化處理，將CO排放限值提取出來，用Excel繪制折線統(tǒng)計圖（見圖1）。由圖1可以看出，隨著標準的提升，功率越小，CO排放限值下降幅度越大。其中，P＜8 kW的發(fā)動機，第一階段到第三第四階段CO排放限值從12.3 g/（kW·h）下 降 到5.5 g/（kW·h），總 降 幅 為55.28%。反之，功率越大，CO排放限值降幅越小。在第三階段和第四階段中，CO的排放限值沒有變化，說明CO排放限值已基本達到極限。

圖1 不同功率下CO排放限值變化

2.2 HC+NOX排放限值對比

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制HC+NOX排放限值的折線統(tǒng)計圖（見圖2）。從圖2可以看出，隨著標準的提升，HC+NOX的排放限值在各功率段均明顯下降。其中：在最小功率梯度（P＜8 kW）中，第一階段較第四階段HC+NOX排放限值下降10.9 g/（kW·h），下降幅度達59.24%。在8≤P＜18 kW梯度中，第一階段到第四階段排放限值下降5.4 g/（kW·h），下降幅度為41.86%；在其他功率梯度，HC+NOX排放限值均隨著國家排放標準的發(fā)展在逐步下降。同時，可以看出，發(fā)動機功率越大對HC+NOX排放限值要求越高。但是，在第三階段和第四階段，P≥560 kW的發(fā)動機排放限值均大于75 kW≤P＜560 kW排放限值。

圖2 不同功率下HC＋NOX排放限值變化

2.3 PM限值對比

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制PM排放限值的折線統(tǒng)計圖（見圖3）。由圖3可以看出，不同功率下PM排放限值均隨著標準的發(fā)展而逐漸降低。其中：在P＜37 kW的梯度中，PM排放限值在第一階段到第四 階 段 均 降 低0.4 g/（kW·h），降 低 幅 度 均 為40%；在37≤P＜75梯度中，第一階段到第四階段的排放限值均降低0.825 g/（kW·h），降低幅度均為97.05%，降低的總量和幅度均為最大；在75≤P＜130梯度中，第一階段到第四階段的排放限值均降低0.675 g/（kW·h），降低幅度均為96.43%；在130≤P＜560梯度中，第一階段到第四階段的排放限值均降低0.515 g/（kW·h），降低幅度均為95.37%；在P≥560梯度中，第一階段到第四階段的排放限值均降低0.44 g/（kW·h），降低幅度均為81.48%。但是從第四階段各功率梯度PM排放限值對比來看，P≥560段的PM排放限值大于75≤P＜560段的PM排放限值，這和國家標準第一階段到第三階段的排放限值要求相比存在差異。

圖3 不同功率下PM排放限值變化

2.4 PN和NH3指標限值

在“國四”標準中新增PN和NH3指標作為評判標準。加入PN限值主要是為了解決非道路移動機械冒黑煙問題。通用的檢測手段是通過DPF技術對顆粒物進行捕捉。在第四階段國家標準中并未對控制技術進行固化，鼓勵企業(yè)研發(fā)和使用更高效的污染物排放控制技術。加入NH3指標能更好地檢測是否存在尿素冗余施加的問題。PN和NH3指標的加入使非道路移動機械排放標準更加完善合理。

SCR技術是用來降低氮氧化物（NOX）排放量的柴油機尾氣后處理技術。在SCR技術中，一般以尿素溶液作為尾氣處理液。在實際應用中，尾氣處理液通過泵噴向溫度為300～500℃的柴油機尾氣，尿素溶液汽化后分解產(chǎn)生NH3，與尾氣中的NOX在SCR催化反應器中反應，轉化為N2和H2O。在230～500℃范圍內，NOX的轉化效率在40%～85%之間。以重型柴油機為例：如果SCR系統(tǒng)失效，NOX排放量可達正常排放量的6～7倍[3]。在不同發(fā)展階段柴油機械的技術路線如表2所示。

表2 不同發(fā)展階段的柴油機械技術路線

3 “國四”實施下的挑戰(zhàn)與機遇

3.1 “國四”管控新內容及要求

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，中國非道路移動機械排放標準要求基本上已與歐美國家同步，逐漸擺脫了在非道路排放標準制定領域的滯后性與依附性[4]。

“國四”排放標準從基礎、保障、技術、管理等各方面進行系統(tǒng)性策劃設計，充分發(fā)揮標準化的整體作用。與“國一”“國二”“國三”相比，“國四”排放檢測技術主要有兩點變化：一是更加關注整體性能，對37 kW以上機械實際使用過程中污染排放采用便攜式排放檢測系統(tǒng)（PEMS）進行測量；二是增加柴油機非標準循環(huán)工況測量方法及其限值要求。非標準循環(huán)包括穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)和瞬態(tài)試驗循環(huán)。穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)又分為小于19 kW柴油機非恒定轉速、非恒定轉速和恒定轉速三類，分別適用于不同試驗循環(huán)。瞬態(tài)試驗循環(huán)（NRTC）包含1 238個逐秒變化的試驗循環(huán)。NRTC試驗循環(huán)包含冷啟動循環(huán)和熱啟動循環(huán)。冷啟動循環(huán)開始時，發(fā)動機的冷卻液、機油、發(fā)動機的處理系統(tǒng)和輔助設備都應該在20～30℃之間。冷態(tài)試驗結束后，立即進行20 min熱浸，熱浸期結束后應立即進行熱啟動循環(huán)試驗，污染物檢測結果應在冷態(tài)和熱態(tài)兩種循環(huán)下得出[5-6]。

“國四”排放檢測采用物聯(lián)網(wǎng)技術采集37 kW≤P＜560 kW機械的定位信息以及排放情況，通過大數(shù)據(jù)的監(jiān)控處理，高效篩查非道路運行機械，將很大程度上防止人為因素對尾氣后處理系統(tǒng)的破壞。

3.2 挑戰(zhàn)與機遇

“國四”排放標準實施帶來的最主要的挑戰(zhàn)就是減排，包括基本減排和后處理減排。基本減排技術主要用于改善發(fā)動機性能，包括優(yōu)化進氣門和排氣門的相位差、密封性，優(yōu)化化油器性能，優(yōu)化ECU執(zhí)行性能等。后處理減排技術主要是對發(fā)動機排出的尾氣進行處理，通過化學反應對有害化學成分進行分解?！皣摹卑l(fā)動機應用新科技將增加配套成本。例如：加裝后處理系統(tǒng)及相應的配套部件，中小馬力機械需增加成本8 000～15 000元/臺，大馬力機械需增加成本18 000～30 000元/臺。另外，隨著零部件數(shù)量的增加，維護和維修成本也會增加。

“國四”排放標準的實施，雖然給農(nóng)機行業(yè)帶來重大挑戰(zhàn)，但也為企業(yè)轉型升級、高質量發(fā)展帶來了機遇。非道路移動機械生產(chǎn)企業(yè)既是實現(xiàn)排放標準目標的主力軍，也是技術創(chuàng)新的主要力量?！半p碳”目標的核心是減排，高質量發(fā)展與“雙碳”目標是一體兩面，其精神內核基本一致?！皣摹迸欧艠藴适呛饬扛哔|量發(fā)展的一把重要標尺，可通過標準指引倒逼技術轉型，提升企業(yè)創(chuàng)新能力，推動農(nóng)機產(chǎn)業(yè)轉型升級。因此，對于注重環(huán)保和創(chuàng)新的企業(yè)來說，“國四”標準的實施將帶來利好和發(fā)展機遇。