农业机械污染排放控制技术的现状与展望

谭丕强，王德源，楼狄明，胡志远



农业机械污染排放控制技术的现状与展望

谭丕强，王德源，楼狄明，胡志远

（同济大学汽车学院，上海 201804）

农业机械作为一种重要的非道路机械类型，其主要动力源为柴油机，而柴油机固有的燃烧方式会导致其颗粒物（PM）和氮氧化物（NOx）等污染物排放严重，开展农业机械污染排放控制技术的研究对人体健康和环境保护均具有重要意义。该文从农业机械排放法规、降低农业机械污染排放的单项技术路线、满足更高排放限值要求的组合技术路线3个方面进行阐述。农业机械排放法规分析了欧盟、美国和中国法规对排放限值和测试循环的要求以及各国法规的差异。中国目前正在实施的农业机械国III排放标准，与欧盟的Stage IV和美国Tier IV标准相比，排放限值相对宽松；欧盟农业机械排放法规的NRSC测试循环主要包括8工况循环和5工况循环，而中国和美国规定，19 kW以下的非恒定转速的农业机械柴油机也可使用6工况循环进行测试；欧盟和中国规定污染物测量的最终结果为冷启动循环结果的10%和热启动循环结果的90%的加权，而美国将冷启动循环结果的比例调低至5%。单项技术路线对油品技术、机内净化技术和机外排气后处理技术进行了介绍。其中，油品技术包括提升燃油和润滑油品质、采用替代燃料等；机内净化技术包括农业机械柴油机本体优化设计、增压及增压中冷、燃油喷射优化和废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）等；机外排气后处理技术包括柴油机氧化催化转化技术（diesel oxidation catalyst，DOC）、柴油机颗粒捕集技术（diesel particulate filter，DPF）和选择性催化还原技术(selective catalytic reduction，SCR)等。组合技术路线总结了满足国III和国IV阶段以及国外最新排放标准的技术路线。“优化燃烧+SCR”技术路线的柴油机比采用“EGR+DPF/CDPF”技术路线的柴油机节省5%～7%的油耗，若扣除尿素消耗，前者仍有一定节油优势；模块构建和单体式后处理系统等先进的农业机械污染排放控制技术是满足Stage IV/Tier IV和Stage V的重要技术路线。最后，针对农业机械污染排放控制技术研究，进行了总结和展望。为满足未来国IV排放标准，加装机外排气后处理催化器已经成为一种重要手段；开发低成本、高净化效率的集成式机外排气后处理催化器，是未来农业机械污染排放控制的重要研究方向。

农业机械；柴油机；排放控制；颗粒物；氮氧化物

0 引 言

农业机械作为非道路机械的重要类型，主要包括农用动力机械、种植业机械、农业运输机械、农田基本建设机械等。据统计，从2005年到2016年，农业机械总动力总体呈持续增高态势，截至2016年底，农业机械总动力已达9.725×108kW[1]，这表明中国农业生产方式的机械化作业程度不断提高[2]；另一方面，农业机械保有量也呈持续增高态势，从2005年至2016年，农业机械中的大中小型拖拉机和农用灌溉柴油机的总量已达3 257.73万台[1]，大约每40人就有一台，其中，大中型拖拉机拥有量增长明显，截至2016年底，其拥有量已达645.35万台，相对2005年提升362.29%。可以看出，随着中国农业机械化步伐的加快，农业机械得到迅猛发展。

柴油机因动力性强、经济性好和热效率高等原因，被广泛应用于各种农业机械，并占到农业机械动力源的95%以上。但由于柴油机的扩散燃烧等固有属性[3]，相对汽油机，其颗粒物（PM）和氮氧化物（NOx）排放显著[4]，而PM和NOx会对人体健康和生态环境造成巨大危害[5]。2015年，非道路移动源PM排放4.72´105t，NOx排放5.64´106t，其中农业机械排放PM和NOx分别高达2.10´105t，210.5万2.11´106t[6]，农业机械污染排放占比巨大。

农业机械应用特点与道路移动源存在较大差异，污染排放问题更难解决。农业机械服役时长期处于低速、大负荷的实际运行工况，和高温、高尘、高振动的工作环境；其次，农业机械对污染排放控制的成本敏感性较高，柴油机排气后处理催化器的布置空间有限；另外，农业机械种类多，排放控制技术的开发周期较长；农业机械的使用区域偏远，监管困难，且无报废制度等。这些应用特点都加剧了农业机械排放情况的恶化，提升了排放治理的难度。2015年全国农业机械柴油机总动力中，处于国I和国I前排放水平的农业机械占比高达37.2%，可见，国内农业机械整体排放状况仍处于较低水平[6-7]。

综合以上分析，国内农业机械发展迅速，PM和NOx排放问题日益凸显，并且农业机械的应用特点会加剧排放恶化，国内农业机械整体排放水平仍旧较低。因此，开展农业机械污染排放控制技术的研究，具有重要意义。本文首先分析了欧盟、美国和中国的农业机械排放法规；接着，对农业机械污染排放控制的单项技术路线和组合技术路线进行了阐述；最后是总结和展望。

1 农业机械排放法规

目前，世界上农业机械排放法规主要有两大体系，分别是欧盟体系和美国体系，2种体系都是根据不同的功率段划分排放限值，给出相应的一氧化碳（CO）、未燃碳氢（HC）、NOx和PM限值，有时给出NOx和HC排放之和的限值。此外，中国、日本、印度及俄罗斯等国家都有各自的排放法规体系。本章主要针对欧盟、美国和中国的农业机械排放法规的污染物限值及相应的测试循环进行阐述。

1.1 欧盟农业机械排放法规限值

欧盟体系采用Stage I/II，Stage IIIA，Stage IIIB，Stage IV和最新的Stage V来划分不同的排放阶段。

欧盟委员会于1997年12月16日和2004年4月21日发布了97/68/EC[8]和 2004/26/EC[9]排放法规，这些法规相继规定了Stage I/II（97/68/EC）、Stage III和Stage IV （2004/26/EC）欧盟农业机械柴油机的排放限值和实施时间，具体内容如表1所示。目前，欧盟农业机械排放控制的实施阶段是Stage IV。Stage V（EU2016/1628）规定，从2019年和2020年起，分别对额定净功率（简称“功率”）在56 kW以下、130 kW以上和56～130 kW区间的农业机械柴油机开始生效。75～130 kW是目前农业机械的典型功率分布区间，图1为欧盟排放法规中，该功率区间内的PM和NOx排放限值变化情况，限值加严趋势明显。

表1 欧盟农业机械排放法规各阶段的限值及实施历程(NOx/HC/CO/PM和(NOx+HC)/CO/PM)

注：I表示Stage I限值，II表示Stage II限值，IIIA表示Stage IIIA限值，IIIB表示Stage IIIB限值，IV表示Stage IV限值。

Note：I indicates Stage I limits, II indicates Stage II limits, IIIA indicates Stage IIIA limits, IIIB indicates Stage IIIB limits, IV indicates Stage IV limits.

图1 欧盟排放法规中农业机械PM和NOx排放限值变化（75≤P<130 kW）

实际上，农机机械柴油机不需要采用排气后处理装置即可满足Stage I/II标准；在该阶段，规定使用硫含量为1 000～2 000´10-6m/m的柴油进行测试。欧盟Stage III又被分为2个子阶段：IIIA和IIIB。从 Stage IIIA开始，燃油硫含量降到300×10-6，从 Stage IIIB开始，硫含量降到10×10-6。相对Stage IIIA标准，Stage IIIB未对19≤P< 37 kW的农业机械柴油机排放作要求，但将其他功率段的农业机械柴油机的PM质量排放限值降低至0.025 g/kWh。Stage IV标准，对功率小于56 kW的农业机械柴油机排放未作要求，但是将NOx排放限值加严至0.4 g/kWh。Stage III/IV还增加了氨气（NH3）污染限值，氨泄漏量在测试周期内的平均值不得超过25×10-6。Stage V新增功率小于19 kW和大于560 kW的农业机械柴油机的排放限值，将PM限值加严至0.015～0.025 g/kWh，并且在19～560 kW功率区间内新增加了对PM数量（PN）的限制，PN限值为1×1012#/kWh，接近于欧盟第VI阶段道路重型柴油机在WHSC测试工况下的PN限值（8.0×1011#/kWh）。

1.2 美国农业机械排放法规限值

在农业机械尾气排放治理方面，美国是世界上最早的国家，采用Tier I-Tier III、Inter Tier IV和Tier IV来划分不同的排放阶段。

美国环境保护署（EPA）分别于1994年6月17日和2004年6月29日发布了40CFR PART89[10]和40CFR PART1039[11]排放法规，这些法规相继规定了Tier I-Tier III和Tier IV的美国农业机械柴油机的排放限值和实施时间，具体内容如表2所示。目前，美国农业机械排放控制的实施阶段是Tier IV。图2为美国排放法规中75～130 kW的典型功率区间内的PM和NOx排放限值变化情况。

除Tier III标准外，Tier I、Tier II和 Tier IV均对功率在8 kW以下的农业机械柴油机排放限值作了规定。并且，Tier III未加严PM限值。Tier IV标准对功率大于56 kW农业机械柴油机的NOx排放限值和功率大于19 kW的PM限值进行大幅削减，HC排放限制也更为严格，CO排放限值与Tier II和Tier III标准基本一致。Tier IV标准还对配置尿素选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）装置的农业机械柴油机的尿素加注间隔作了规定。虽然NH3排放不受管制，但EPA建议在适用的测试周期内，氨泄漏的平均值低于10´10-6。Tier IV标准要求农业机械柴油机必须在整个使用寿命内都能满足排放限值。需要注意的是，EPA要求排放法规所涵盖的农业机械柴油机都要采用能够反映排放量变化的劣化系数，并要求在报废前的任何一次排放检测中劣化系数都必须达标。

表2 美国农业机械排放法规的各阶段限值及实施历程（NOx/HC/CO/PM和（NOx+HC）/CO/PM）

注：I表示Tier I限值，II表示Tier II限值，III表示Tier III限值，iIV表示interim Tier IV限值，IV表示Tier IV限值，a表示“如果制造商产品从2012年起达到0.03 g·kWh-1的PM标准，则此处限值为0.4 g·kWh-1”。

Note：I indicates Tier I limits, II indicates Tier II limits, III indicates Tier III limits, iIV indicates interim Tier IV limits, IV indicates Tier IV limits, a means if the manufacturer's product meets a PM standard of 0.03 g·kWh-1from 2012, the limit here is 0.4 g·kWh-1.

图2 美国排放法规中农业机械PM和NOx排放限值变化（75≤P<130 kW）

在Tier I-Tier II阶段，农业机械柴油燃料的硫含量不受法规限制，一般不超过2 000´10-6m/m的柴油被用于Tier I~Tier III排放标准认证测试，但实际使用过程中硫含量基本在3 000×10-6。在Tier III~Tier IV阶段，EPA要求减少农用机械柴油燃料的硫含量，以克服排气后处理装置对硫的敏感性问题，500×10-6和15×10-6（超低硫含量）的硫含量限值分别在2007年6月和2010年6月起生效实施。从2011年起，所有农用机械必须使用硫含量为(7～15)×10-6的燃油进行Tier IV标准的认证测试。

1.3 中国农业机械排放法规限值

中国农业机械排放标准分为第I、II、III和IV 4个阶段，相关排放法规主要有GB 20891-2007《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I、II阶段）》[12]和GB 20891-2014《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III、IV阶段）》[13]。

各阶段的农业机械柴油机排放限值和规定的实施时间如表3所示。环境保护部发布的《关于实施国家第III阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放标准的公告》规定：自2016年12月1日起，所有制造、进口和销售的农业机械不得装用不符合第III阶段要求的柴油机。自此，中国农业机械工业全面进入“国III”时代。第IV阶段标准的实施日期尚未确定，国家主管部门鼓励有条件的地区提前实施。图3为中国排放法规中75～ 130 kW的典型功率区间内的PM和NOx排放限值变化情况，其中，第IV阶段PM限值相对第III阶段下降91.67%，与欧盟Stage IV标准一致，NOx限值也低至3.3 g/kWh，与欧盟Stage IIIB标准一致。

第I阶段和第II阶段排放标准是在参考欧盟Stage I/II标准的基础上，增加了小型动力机械柴油机排放标准，其中，最小功率柴油机的排放限值是参考美国Tier I和Tier II标准制定的。第III/IV阶段标准主要参考了欧盟指令97/68/EC及其修订指令2004/26/EC IIIA、IIIB阶段的技术内容，该阶段标准与第I/II阶段标准相比：增加了560 kW以上柴油机的控制要求；优化了一致性检查的判定方法；增加了排放控制耐久性要求；增加了催化转化器载体体积和贵金属含量的试验要求。与第II阶段限值相比，第III阶段的CO限值基本没有发生变化，PM也只是在功率小于37 kW的区间里降低至0.6 g/kWh，但各功率段内的NOx+HC限值变化较大，降低了28%～43%。第IV阶段重点降低NOx和PM限值，在130≤<560 kW功率区间分别降至2.0和0.025 g/kWh。中国第I~IV阶段法规均对柴油燃料的硫含量进行了限制，根据GB252- 2011《普通柴油》标准规定，从2013年7月1日开始，中国全面供应硫含量低于350´10-6的柴油，保证了第III阶段标准的实施具有燃油可行性，但实际检测结果发现，非道路柴油机用油的硫含量经常超标至2 000´10-6以上。

表3 中国农业机械排放法规的各阶段限值及实施历程（NOx/HC/CO/PM和（NOx+HC）/CO/PM）

注：I表示第I阶段限值，II表第II阶段限值，III表示第III阶段限值，IV表示第IV阶段限值。

Note：I indicates Stage I limits, II indicates Stage II limits, III indicates Stage III limits, IV indicates Stage IV limits.

图3 中国排放法规中农业机械PM和NOx排放限值变化（75≤P<130 kW）

2018年2月22日，环保部发布《非道路移动机械及其装用的柴油机污染物排放控制技术要求（征求意见稿）》（以下简称“征求意见稿”）[14]，以对第IV阶段标准内容进行补充和完善，其主要技术内容包含：

1）参考欧盟2012/46/EU指令，增加了瞬态测试循环的具体要求；

2）装用37 kW到560 kW柴油机的农业机械需加装DPF/CDPF，并首次要求PN应小于5´1012#/kWh；

3）增加PEMS (portable emission measurement system)测试要求，要求测量的90%有效功基窗口的NOx比排放量小于限值的2.5倍，同时要求进行PEMS测试时，不能有可见烟；

4）鼓励性提出与欧盟Stage V限值相当的目标性 要求；

5）装用37 kW到560 kW柴油机的农业机械需满足精准定位要求；

6）修改采用了欧盟EU2016/1628法规关于控制区部分的要求。综上分析，欧盟Stage V标准是目前最为严格的农业机械排放法规，以功率区间75～130 kW为代表，其NOx限值与美国Tier IV标准一致，但PM限值比美国Tier IV标准低25%，介于欧盟第V和第VI阶段道路重型柴油机排放限值之间；美国Tier IV标准的NOx、CO和HC排放限值与欧盟Stage V标准相仿，PM限值介于Stage IV和Stage V之间，但并未引入PN限值；而中国农业机械排放法规主要参照欧盟标准制定，第三阶段等同于欧盟的Stage IIIA，第IV阶段与欧盟Stage IIIB相仿，但功率大于560 kW 的农业机械排放标准制定参照了美国interim Tier IV标准。

1.4 农业机械排放测试循环

世界上农业机械柴油机排放测试循环，主要分为非道路稳态试验循环（non-road steady-state cycle，NRSC）和非道路瞬态试验循环（non-road transient cycle，NRTC）2类。

ISO 8187是一种应用于非道路发动机排放测量的国际标准，规定了一系列发动机稳态测试循环的要求。欧盟、美国和中国的农业机械排放法规中的NRSC循环，是选取了ISO 8187中的C1（8工况，即额定转速下4个不同负荷工况、3个中间转速工况和1个怠速工况）、G2（6工况，即额定转速下5个不同负荷工况和1个怠速工况）和用于恒定转速柴油机的D2（5工况，即额定转速下5个不同负荷工况）3种典型循环，用于农业机械恒定转速、非恒定转速柴油机的污染排放测试。图4描述了以上3个典型稳态测试循环所包含的工况点和各工况排放污染物的加权系数情况。

NRTC循环是由美国EPA和欧盟委员会联合制定的非道路移动源瞬态测试循环，适用于非恒定转速的农业机械柴油机的污染排放测试。NRTC循环具体测试工况如图5所示，持续时间为1 238 s，使用交流电测功机，1 s换1个工况。每个工况由通过标准转速百分数、标准负荷百分数计算的基准转速（ref）和基准转矩（ref）确定，对加载、倒拖和怠速等工况进行模拟。测试时，先进行冷起动循环试验，再进行20 min的热浸期，最后进行热起动循环试验。相对于欧盟第VI阶段的重型机排放法规中的WHTC（world harmonized transient cycle）循环，NRTC循环包含的工况点的转速和负荷更高，可使后处理催化器更快达到其工作温度。欧盟和中国规定，污染物测量的最终结果为冷启动循环结果的10%和热启动循环结果的90%的加权，而美国将冷启动循环结果的比例调低至5%。

图4 非道路稳态试验循环(NRSC)各工况点及排放污染物的加权系数

图5 非道路瞬态试验循环(NRTC)中基准转速和转矩随时间变化情况

欧盟实施Stage IIIA标准及以前，采用NRSC循环（电涡流或水力测功机），多采用8工况循环和5工况循环。Stage IIIB-Stage V标准，在NRSC循环的基础上，新增加NRTC循环。针对[130-560) kW、[56-130) kW和小于56 kW功率段的农业机械柴油机，NRTC循环要求分别从2011年、2012年和2013年起生效，但未对大于560 kW的机型作出要求。美国从Tier IV阶段开始增加NRTC循环，还要求农业机械柴油机必须符合NTE标准，这个标准适用于型式认证和整个使用寿命期间。NRSC循环适用于中国农业机械各阶段排放测试，NRTC循环适用于中国第IV阶段小于560 kW 的农业机械柴油机污染排放测试，当然，企业也可以选用该循环进行第III阶段测试。与欧盟不同的是，中国和美国规定，19 kW以下的非恒定转速农业机械柴油机也可使用6工况循环进行测试。

2 农业机械污染排放控制的单项技术路线

降低农业机械污染排放的单项技术路线主要分为3类，分别是：油品技术、机内净化技术和机外排气后处理技术。

2.1 油品技术

油品技术主要通过提升燃油、润滑油品质，采用替代燃料等，来提升农业机械柴油机的燃烧性能，进而降低排放水平。

2.1.1 燃油和润滑油品质

提升柴油和润滑油品质，即要求确保柴油具有合适的十六烷值，降低柴油硫含量和多环芳烃含量等，降低润滑油中磷和灰分等杂质含量等。试验证明，当柴油中硫质量分数从0.12%减少到0.05%时，PM排放量将减少8%～10%[15]。另外，燃油添加剂（fuel borne catalyst，FBC）对减少农业机械排放也有一定的促进作用[16]，主要包括铈（Ce）、铁（Fe）、Ce-Fe、铂（Pt）、Pt-Ce、锰（Mn）和铜（Cu）等​​，其中，Pt-Ce双金属FBC是用于控制柴油机排放物的一种非常有前景的策略，Pt-Ce添加剂（0.5×10-6Pt和5×10-6Ce）可使得PM氧化温度显著降低至275～300 ℃[17]。

2.1.2 替代燃料

生物柴油具有含芳烃较少、十六烷值高、含氧丰富等特点[18-19]，在相同的燃烧环境下，滞燃期缩短，缸内温度及缺氧程度大大降低，高分子燃料裂解生成PM的倾向减少[20]。因此，采用生物柴油或者生物柴油-柴油混合燃料，可有效地控制柴油机PM排放[21-22]。其次，天然气制油[23]、醇类燃料[24]、氢燃料、煤浆燃料和植物油等其他替代燃料的引入，也提供了实现农业机械减少排放的手段。但也有研究表明，使用生物柴油和天然气制油等替代燃料，会增加柴油机的PN和NOx排放。

2.2 机内净化技术

2.2.1 本体优化设计

本体设计优化主要指与燃烧过程相关的系统及零部件的优化设计[25]，主要包括配气系统优化、燃烧室结构形状优化以及其他改进与布置等。

配气系统优化主要包括进排气门和进气道的改进、配气机构的尺寸和凸轮型线优化等。例如，为了控制NOx排放，通常需要减小压缩比，需对气道形状进行优化设计，提高进排气道流通能力，适当降低进气道涡流强度。柴油机的排放特性与燃烧室的结构形状关系密切。直喷式燃烧室柴油机的NO、CO、HC及烟度都比涡流室柴油机的高，特别是高负荷时的NO、CO、烟度及低负荷时CO及HC，差别非常明显，但涡流室式柴油机的燃油消耗率比直喷式柴油机的高。通过设计紧凑的燃烧室形状，避开燃烧的死角，提高柴油机的空气利用率，同时通过合理的气道涡流比匹配，加速柴油机混合气形成速率，避免局部过浓或过稀，以降低PM和HC的生成。

2.2.2 增压和增压中冷

采用增压的方式提高进气密度，保证燃烧充分以抑制PM的生成[26]。但是增压会导致压缩后期气缸温度的提升，缸内最高燃烧温度上升，造成NOx生成量增加[27]。通常，采用增压加中冷的方法来降低进气温度，以降低NOx排放。增压中冷就是把新鲜空气通过增压器中段冷却，再冲入气缸，这样会使气缸压缩行程后期的温度降低，减少NOx生成量[28]。

2.2.3 燃油喷射优化

喷射系统优化主要包括喷油嘴的布置和改进设计、燃油喷射系统优化设计等[29]。对于柱塞式喷油泵，供油提前角是通过调整喷油泵的预行程来进行的，预行程影响到柱塞上行过程中的工作段从而影响喷油泵的供油速率。一般来讲，减小供油提前角导致预行程增大，会提高油泵的供油速率，并降低最高燃烧温度、减小燃烧的高温区域、缩短燃气在高温下滞留的时间，降低NOx排放。而最新的电控共轨燃油喷射系统可以独立地控制喷油系统，配合高喷射压力（120～200 MPa）使燃油喷雾液滴进一步细化，增大与空气的接触面积，促进燃油与空气的混合，有利于改善燃烧过程减少PM的生成[30-31]。

2.2.4 废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）

EGR技术是将柴油机少量废气送回进气系统，一方面是稀释新鲜混合气以降低混合气氧浓度[32]，一方面是提高惰性气体量以降低缸内混合气燃烧速度，另一方面是通过提高缸内混合气比热容来降低燃烧温度。通过以上几个方面抑制NOx生成[33-34]。由于柴油机缸内PM和NOx的trade-off关系，EGR在降低NOx生成量的同时，PM生成量会增加[35]。

2.3 机外排气后处理技术

2.3.1 柴油机氧化催化转化技术（diesel oxidation catalyst，DOC）

DOC是农业机械最常用的排气后处理催化器之一[36]，可以将农业机械柴油机排气成分中的CO、HC和NO氧化，释放热量，提高排气温度，并且通过氧化PM中的可溶性有机物（soluble organic fraction，SOF）去除部分PM[37-38]。DOC一般由载体、催化剂、减振层、绝热层和壳体等部分构成，其中，载体和催化剂是DOC的核心组成部分。DOC载体一般为陶瓷载体，主要类型是堇青石和碳化硅（SiC），通常为平行的蜂窝式通孔结构。催化剂的主要成分为Pt、铑（Rh）和钯（Pd）等贵金属通过不同配比构成，通过降低可燃物的起燃温度，去除排气中的CO和HC等[39]。柴油中较高的硫含量会将排气中的SO2氧化为SO3，生成硫酸雾或固态硫酸盐颗粒，额外增加PM排放量。因此，DOC一般适用硫含量较低的柴油燃料，并要保证柴油机运行工况、催化剂及载体、DOC形状以及入口温度等保持正常，使净化效果达到最佳[15]。目前，DOC已被广泛配置于满足最新排放法规的农业 机械。

2.3.2 柴油机颗粒捕集技术（diesel particulate filter，DPF）

DPF是净化柴油机PM的最关键的排气后处理装置，并已得到广泛研究[40-42]，其一般结构如图6所示。当排气通过DPF时，先由DPF的滤芯捕集PM。DPF的过滤材料主要有陶瓷基、金属基和复合基三大类。其中，陶瓷基过滤材料应用范围最广，主要包括堇青石、SiC、硅结合碳化硅、钛酸铝和莫来石等。基于不同的材料特性，过滤器类型有壁流式蜂窝陶瓷过滤体、泡沫式过滤体、金属丝网过滤体、陶瓷纤维过滤体和直流式过滤体等，其中，壁流式蜂窝陶瓷过滤体应用范围最广，它通过扩散、拦截、惯性碰撞和重力沉降4种机理对PM进行捕集，其典型结构和捕集机理如图7所示。

图6 DPF结构示意图

图7 DPF典型结构和PM捕集机理示意图

DPF对PM的非稳态捕集过程主要包括深床捕集和滤饼捕集2个阶段。据研究，DPF对PM综合捕集效率在90%以上[43]，且当DPF处于滤饼层捕集阶段时，其捕集效率能达到97%左右[44]。随着PM在DPF的沉积量不断增加，排气背圧增加，柴油机经济性和动力性恶化，因此必须及时地将捕集的PM氧化燃烧掉，实现DPF再生。要实现DPF再生，必须提高排气温度（主动再生）或者降低PM起燃温度（被动再生）。喷油助燃再生是国内外研究和应用比较多的一种主动再生方法，按照实现方法的不同，基本上可以分为以下3种：燃烧器喷油助燃再生、DOC上游排气管内二次燃油喷射再生和缸内燃油后喷再生[45-46]。另外，催化型柴油机颗粒捕集器（catalytic diesel particulate filter，CDPF）是在滤芯材料表面涂覆或浸渍高催化活性的催化剂, 以降低PM的反应活化能[47]，其催化剂可以分为3类：简单金属氧化物催化剂、贵金属催化剂、复合氧化物催化剂。其中，Pt-Pd氧化涂层较为常见，Pt和Pd分别对NO和HC有很好的氧化作用，其中Pd的比例一般在20%～30%之间。这些催化剂可以将PM的起燃温度降低至200～300℃, 但该类技术要求柴油硫含量在50×10-6以下，以避免硫含量过高导致的催化剂中毒问题。

2.3.3 选择性催化还原技术（selective catalytic reduction,SCR）

SCR是指利用柴油机尾气中有机物为还原剂或添加还原剂，在氧浓度高出NOx浓度2个数量级以上条件下，高选择性地优先把NOx还原为氮气（N2）。通常采用NH3、HC以及H2等作为还原剂，其中，NH3-SCR应用范围最广[48-50]。NH3本身虽然无毒，但它是一种具有强烈刺激性气味的气体，不便于直接应用于SCR催化器, 且不便于储存运输，故采用向排气管中喷射尿素水溶液的方式提供反应所需的NH3[51]。NH3-SCR还原剂使用的是质量分数为32.5%的尿素水溶液（diesel exhaust fluid，DEF）。之所以选用32.5%的浓度，是因为该浓度下的DEF具有最低的冰点（-11 ℃）。SCR系统的一般结构形式如图8所示。

图8 SCR系统一般结构

SCR系统的物理、化学过程主要分为两部分：NH3的释放和NH3的氧化还原反应。其中，NH3的释放可分为：尿素颗粒的析出、热解，以及后者发生在SCR催化剂表面的异氰酸（HCNO）的水解，分别对应反应（1）-（3）：

(NH2)CO(aq)→(NH2)2CO(s)＋H2O(g) （1）

(NH2)CO(s)→NH3(g)＋HNCO(g) （2）

HNCO(g)→NH3(g)＋CO2(g) （3）

NH3的氧化还原反应包括标准SCR反应、快速SCR反应和慢速SCR反应，分别对应反应（4）-（6）：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O （4）

2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O （5）

8NH3+6NO2→7N2+12H2O （6）

在柴油机排放的尾气中，85%～95%的NOx是以NO的形式存在。因此，SCR催化器中的反应基本以标准SCR反应为主，而快速SCR反应的反应速率是标准SCR反应的17倍，具有优先反应权。所以，提高NO2/NOx比，使其接近于50%，有助于提高反应速率。

SCR催化剂主要包括钒基和沸石基两类。钒基催化剂中，V2O5/WO3-TiO2基金属氧化物型催化剂最为常见，沸石基SCR催化剂主要分为Cu基分子筛和Fe基分子筛，3种SCR催化剂的优缺点如表4所示。

表4 不同类型SCR催化剂对比

美国、日本等国家通常使用沸石基催化剂。为满足最严格的农业机械排放法规，可能要求农业机械同时配置DPF和SCR催化器，SCR催化器通常安装在DPF下游，但DPF主动再生时排气温度通常会达到700～800 ℃，瞬时温度甚至达到1 000 ℃以上，而钒基催化剂的载体TiO2在温度高于550～600 ℃时会发生晶型转变，导致催化剂快速老化，NOx 转化效率大幅降低[52]。Cu-Fe复合SCR催化剂因为活性窗口宽等优点[53]，现在已成为了研究热点。Metkar等[54]通过小样试验和台架试验，比较研究了Cu基、Fe基和Cu-Fe复合SCR催化剂的反应特征，并建立了总的反应模型，试验结果如图9所示，SCR催化剂反应特性与表4描述一致。

图9 Cu基、Fe基和Cu-Fe复合基的SCR催化剂反应特征

3 农业机械污染排放控制的组合技术路线

为满足日益严格的农业机械排放法规，各种单项技术路线的组合对农业机械的污染排放控制起到越来越重要的作用，国内外采取的技术路线也在不断演变，且区别较大。

3.1 国外组合技术路线

欧盟Stage IIIB标准引入的0.025 g/kWh的PM限值，旨在强制使用DPF/CDPF。而事实上，相当大比例的农业机械柴油机仅通过机内净化技术就达到该限值，无需 加装排气后处理装置；Stage IV标准引入了非常严格的0.4 g/kWh的NOx排放限值，推进了尿素SCR技术在农业机械柴油机上的广泛使用；Stage V引入的PN限值需要确保农业机械加装DPF/CDPF；为满足Stage V标准，预计大多数农业机械都将配置DOC、DPF/CDPF和SCR催化器。对于美国EPA排放法规，通过油品技术和机内净化技术，不用或仅仅使用DOC，即可满足Tier I-III标准。Tier IV标准要求PM和NOx排放量进一步减少约90%，因此要满足Tier IV标准，排气后处理装置将发挥重要作用，但与Stage V不同的是，美国Tier IV标准并不强制农业机械加装DPF/CDPF。

目前，国外著名的农业机械柴油机生产企业有美国的康明斯（Cummins）公司、英国的珀金斯（Perkins）公司等，主要的农业机械企业有美国的约翰迪尔（John Deere）公司、凯斯纽荷兰（CNH）公司和阿格科（AGCO）公司，德国的道依茨（Deutz）公司、日本的久保田（Kubota）公司等[55]。国外针对农业排放控制的组合技术路线已进行了大量的研究。

Cummins的Liu等[56]以涡轮增压器和冷却EGR的8.9 L QSL高压共轨柴油机为研究对象，验证了“DOC+SCR”的技术路线可使该机型满足欧盟Stage IV和美国Tier IV标准，在NRTC和NRSC循环下，该技术路线可使NOx的排放量分别降低36%和69%，降幅较明显；另外，Liu等[57]也对“钒基SCR+氨氧化催化器”和“DOC+铜基分子筛SCR”2条技术路线对于排放的影响进行了研究，发现前者虽然没有达到后者相同的CO减排水平，但排放量比美国Tier IV和欧盟Stage IV的法规限值低一个数量级以上；Kubota的Onishi等[58]开发了适用于机械喷射方式的小型柴油机、紧凑型、低成本的燃料燃烧器，用于DPF再生，可使农业机械满足Tier IV标准，并在Kubota 05系列柴油机上得到验证；John Deere的Dou[59]介绍了John Deere公司在Interim Tier IV阶段的技术路线，发现发动机的排气热管理问题是DPF再生成功的关键，总结了DOC-DPF系统在正常和再生条件下的排放特性，并对DPF内部灰分累积和压降特性进行了分析；de Rudder[60]介绍了不使用DPF和EGR条件下，使柴油发动机达到Tier IV排放水平的先进SCR技术应用；另外，AVL的Daum等[61]推测，对于19～37 kW功率区间内的非道路移动机械，为满足未来更加严格的排放法规，配置共轨喷射系统、冷却EGR和DOC的自然吸气发动机，是一种极具潜力的技术路线。下面主要对Cummins、John Deere和Deutz 3家企业应对严格排放法规的组合技术路线进行阐述。

3.1.1 满足欧盟Stage IV/美国Tier IV排放标准的组合技术路线

可实现99%被动再生的康明斯紧凑型转化器（Cummins compact catalyst，CCC）与SCR相结合（CCC-SCR）的超洁净后处理系统是Cummins应对欧盟Stage IV/美国Tier IV标准的重要组合技术路线。早在2012年巴黎工程机械展上展示的满足美国Tier IV和欧盟Stage IV标准的QSB系列6.7 L和QSX系列15 L柴油机上，该技术就应用其中。该系统结合加强型可变截面涡轮增压器和高压共轨技术使用，可使PM和NOx排放均下降90%以上。CCC-SCR后处理系统适用于56～298 kW 的4缸和6缸柴油机的控制，有多种规格，包括Z式、卧式和立式，并且它采用直流空气滤清器，可有效节省安装空间，更换周期更长。另外，Cummins在Tier IV阶段的SCR技术采用Cu基分子筛催化剂，可将高达95%的NOx去除，低温转化效率更高，并采用更加先进的传感器进行全闭环控制，DEF的混合雾化水平更高。

JDPS（John Deere power system）的模块构建是John Deere采用的满足Tier IV /Stage IV标准的重要技术路线，在部分功率等级的产品上采用整体集成式排放控制系统，即将优化的后处理技术与采用冷却EGR的原Interim Tier IV /Stage IIIB柴油机平台相结合的系统。其典型的整体集成式排放控制系统由专为非道路移动源开发的DOC、DPF和SCR系统组成。该整体集成式排放控制系统由一个排气捕集滤清器和经过优化并完全集成在一起的SCR后处理部件组成。该系统由John Deere公司专有的增强版柴油机电控单元统一进行监控，具有出色的DEF使用效率，其所消耗的DEF比Interim Tier IV /Stage IIIB 阶段的SCR技术路线要少，这也使得尿素箱尺寸可以更小。另外，John Deere Tier IV/Stage IV标准柴油机的燃料可以是传统的超低硫柴油燃料，也可以是混合比为5%～20%、满足相应美国材料实验协会(ASTM)标准的生物柴油。

Deutz也推出了各型号农业机械柴油机在欧盟Stage IV阶段技术路线。其中，TCD3.6系列采用“DOC+颗粒氧化催化技术(POC)+SCR”的技术路线，TCD4.1/TCD6.1，TCD7.8，TCD12.0/TCD16.0系列均采用“DOC+DPF+ SCR”的技术路线。

3.1.2 满足欧盟Stage V排放标准的组合技术路线

单体式后处理系统是Cummins满足欧盟Stage V标准的重要技术路线。采用Cummins单体式后处理系统，通过先进的单筒封装技术，巧妙地将DPF、SCR和尿素喷射系统集成在一起，无需安装EGR后处理装置，与上一阶段的装置相比，安装尺寸可节省50%，质量可减轻30%。该系统使用了由Cummins与Faurecia排放控制技术公司联合开发的螺旋状尿素分解室，在提升尿素喷雾水平的同时，将尿素沉积的风险降到最低。Stage V 单体式后处理系统的长度有多种选择，对应非道路市场的复杂性和多样性，可满足不同柴油机的安装需求。并且，能够耐受5 000´10-6的燃油硫含量，油品适应性更强。其“极致洁净”系列非道路用柴油机功率范围为55～300 kW，包括4缸的QSF3.8、QSB4.5系列和6缸的QSL9系列柴油机等。另外John Deere在Stage V阶段仍旧延续JDPS的后处理技术路线，减排效果显著。在Deutz的产品中，满足Stage V阶段的四缸机系列TCD2.9、TCD3.6、TCD4.1及六缸机系列TCD6.1和TCD7.8备受市场青睐。

3.2 国内组合技术路线

目前，中国农业机械排放控制仍处于第III阶段。农业机械的排放限值与实际排放状况与欧盟现阶段的Stage IV和美国现阶段的Tier IV相比仍存在较大差距。仅通过油品技术和机内净化技术即可满足第I~III阶段的限值要求，而为满足第IV阶段的限值要求，需运用机外排气后处理技术。目前，国内针对这些组合技术路线已进行了大量研究。

中国一拖的张怡军等[62]运用CAD/UG等三维技术和CAE分析技术对重要部件全面优化，通过采用新结构活塞、高压轨、高压泵、电控喷油器等零件，使得4V5R型柴油机顺利满足国III排放标准；中国一拖的杨卫平等[63]也设计了一个小型控制器，从PM信号集成泵采集转 速、负荷等信号实现对电控EGR阀的精确控制，可使LR4A3EP柴油机达到欧盟Stage IIIA排放标准；武汉理工大学的罗马吉等[64]和熊锋[65]以395E非道路用柴油机为研究样机，选取增压中冷作为技术路线，并对喷油嘴孔径、启喷压力等供油系统参数进行优化，并对缩口哑铃型的燃烧室结构参数进行优化，使395E柴油机可满足美国Tier IV排放标准。吉林大学的张宾[66]以东方红704型拖拉机为研究对象，通过内部EGR率的选择以及喷油正时的优化试验，使柴油机的排放达到国III排放限值的要求；江苏大学的夏骅[67]以某型增压四缸柴油机为研究对象，通过对喷油器、喷油泵、喷油提前角和EGR阀开度的优化，经8工况循环试验研究后，测得各排放物最终的试验结果为NOx：3.577 g/kWh，PM：0.175 g/kWh，CO：1.625 g/kWh，HC：0.175 g/kWh，满足国III标准；刘志华等[68]以115 mm缸径单缸柴油机为研究对象，通过减小喷油器安装倾角、优化设计紧凑燃烧室等措施，并将燃油压力提高至60 MPa以上，也使样机达到国III排放水平。

3.2.1 满足国III排放标准的组合技术路线

从国II升级到国III，主要有以下3种技术路线：机械泵+电控EGR、电控单体泵+电控EGR、高压共轨。其中，运用高压共轨和电控单体泵技术的农业机械柴油机，属于“电喷”柴油机。

1）“机械泵+电控EGR”路线

该技术路线，最早由德国曼恩公司创造，是在国II阶段的机械泵的基础上加装EGR，以减少污染物排放，具有结构变动小、达标成本增加少等优点。受机械泵的结构限制，该技术路线提升喷射压力、改善燃烧的空间很小，难以保证排放一致性，尤其在农业机械使用环境比较恶劣的情况下。即使农业机械利用该路线可以满足第III阶段排放标准，也不具备升级国IV以及未来国V阶段排放标准的潜力。另外，在2015年3月2日的国家环保部召开的非道路国III申报工作会议上，对“机械泵+ 电控EGR+涡轮增压”路线暂不接受认证，因此该技术路线还存在国家政策风险，需要谨慎对待。

2）“电控单体泵+电控EGR”路线

该技术路线对柴油机改动小，制造工艺简单，技术实现难度低，制造成本较低，对燃油的品质要求并不高，容易达到国III排放标准。但也存在不能实现多次喷射、各缸喷射的压力不均匀、国内生产可靠性性差、升级潜力小等问题。市场上常见的洛拖LR6R3LU和LR6M3LU、常柴4L88、玉柴YC4A-T3和YC6J-T3等均采用了电控单体泵技术。

3）“高压共轨”路线

该技术路线中，ECU 通过接收各传感器的信号，借助于喷油器上的电磁阀让柴油机以正确的喷油压力在正确的喷油点喷射出正确的喷油量。高压共轨系统具有供油压力高、供油稳定、控制灵活、能够实现多次喷射等优点，但也存在柴油机变动大、匹配时间及供货易受供应商制约、燃油品质要求严格、成本较高等缺点。市场上常见的洛拖YM6K7LR和YM6S4LR、常柴4G33TC和3M78、潍柴WP4G154E330、玉柴YCD4N23T8-100B和全柴4D2-110U32 等均采用了高压共轨技术。表5总结了玉柴和洛拖2家企业应对国III标准采取的一般技术路线。

表5 玉柴和洛拖满足农业机械国III排放标准的组合技术路线[69-70]

3.2.2 满足国IV排放标准的组合技术路线

在“征求意见稿”发布之前，要实现国IV对NOx和PM都较低的限值，大致上有以下2条组合技术路线：“优化燃烧+SCR”，即先通过优化燃烧降低PM，再使用SCR技术来降低NOx排放，此技术路线适用于较大功率机型；“EGR+DPF/CDPF”，即使用EGR使NOx降低，再加装DPF/CDPF净化PM，此技术路线适用于较小功率机型。2条组合技术路线的对比如表6所示。

表6 满足农业机械国IV排放标准的两条组合技术路线对比

采用“优化燃烧+SCR”技术路线的柴油机比采用“EGR+DPF/CDPF”技术路线的柴油机节省5%～7%的油耗，若扣除因尿素消耗而增加的费用，还有节油2%～3%的优势，目前欧盟较多采用这条路线，而美国多使用“EGR+DPF”技术路线。考虑到中国国情，燃油品质还有一定差距，但尿素生产比较普遍，因此中国实施农业机械国IV排放更倾向于SCR技术路线。“征求意见稿”发布之后，按照最新的《非道路移动机械及其装用的柴油机污染物排放控制技术要求》，“优化燃烧+SCR”技术路线中将增加DPF/CDPF，以满足PN排放要求。当然，针对农业机械机型，进行满足国IV排放标准的技术路线选择时，需要考虑农业机械柴油机的功率、排量和具体使用环境等各方面要求。

4 总结与展望

目前，国内农业机械发展迅速，PM和NOx排放问题日益严重，国内农业机械整体排放水平仍就较低。因此，开展农业机械污染排放控制技术的研究，具有重要意义。

1）中国目前实施的农业机械排放标准处于第III阶段，与欧盟实施的Stage IV和美国实施的Tier IV排放标准相比，排放限值相对宽松。欧盟、美国和中国的农业机械排放法规分别从Stage IIIB、Tier IV和国IV阶段增加NRTC测试循环。并且，与欧盟不同的是，中国和美国规定，19 kW以下的非恒定转速的农业机械柴油机也可使用6工况循环进行测试；欧盟和中国规定污染物测量的最终结果为冷启动循环结果的10%和热启动循环结果的90%的加权，而美国将冷启动循环结果的比例调低至5%。

2）农业机械污染排放控制的单项技术路线主要包括油品技术、机内净化技术和机外排气后处理技术。其中，油品技术包括提升燃油和润滑油品质、采用替代燃料等；机内净化技术包括农业机械柴油机本体优化设计、增压及增压中冷、燃油喷射优化和EGR等；机外排气后处理技术包括DOC技术、DPF技术和SCR技术等。油品技术是农业机械污染排放控制的前提条件，机内净化技术是基础，而先进的机外排气后处理技术是农业机械达到严格排放标准的关键。

为满足未来农业机械排放标准，不能仅依靠油品技术和机内净化技术，加装机外排气后处理催化器将会是一种重要手段；分别针对中大功率和小功率农业机械的“DOC+DPF/CDPF+SCR”和“EGR+DPF/CDPF”技术路线或将成为满足国IV排放标准的主流技术路线；“DOC+ DPF/CDPF+SCR”的组合技术路线也已成为满足欧盟Stage V甚至更严格排放标准的首选路线；开发低成本、高净化效率和紧凑型的机外排气后处理催化器，已成为农业机械污染排放控制的重要研究方向。

[1] 国家统计局. 中国统计年鉴[J]. 北京：中国统计出版社，2017.

[2] 李俊韬，郭智武，刘婷洁，等. 小型农业机械排放现状[J]. 环境工程，2016，34(S1)：634－637. Li Juntao, Guo Zhiwu, Liu Tingjie, et al. The present emission status of small type agricultural machinery[J]. Environmental Engineering, 2016, 34(S1): 634－637. (in Chinese with English abstract)

[3] 李向荣，赵伟华，苏立旺，等. 柴油机侧卷流燃烧系统的燃烧及排放性能[J]. 内燃机学报，2017，35(4)：297－304. Li Xiangrong, Zhao Weihua, Su Liwang, et al. Combustion and emissions of a lateral-swirl combustion system in diesel engines[J]. Transactions of CSICE, 2017, 35(4): 297－304. (in Chinese with English abstract)

[4] 帅石金，唐韬，赵彦光，等. 柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[J]. 汽车安全与节能学报，2012，3(3)：200－217. Shuai Shijin, Tang Tao, Zhao Yanguang, et al. State of the art and outlook of diesel emission regulations and aftertreatment technologies[J]. Journal of Automotive Safety and Engergy, 2012, 3(3): 200－217. (in Chinese with English abstract)

[5] 白海，孟利清，何超，等. 非道路用柴油机实现国Ⅲ排放的技术路线研究[J]. 中国农机化学报，2015，36(6)：193－196. Bai Hai, Meng Liqing, He Chao, et al. Study on technical routes to achieve standards of emission stage III for non-road diesel engine[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2015, 36(6): 193－196. (in Chinese with English abstract)

[6] 环境保护部，中国机动车环境管理年报[R]. 北京：环境保护部，2017.

[7] 陈雪，李晨贞，钱挺，等. 国内外非道路柴油机排放现状分析[J]. 小型内燃机与车辆技术，2016，45(1)：88－92. Chen Xue, Li Chenzhen, Qian Ting, et al. Analysis on the current situation of non-road diesel engine emission of China and abroad[J]. Small Internal Combustion Engine and Vehicle Technique, 2016, 45(1): 88－92. (in Chinese with English abstract)

[8] The European Parliament and the Council. Directive 97/68/EC of The European Parliament and the Council of 16 December 1997 on the approximation of the laws of the Member States relating to measures against the emission of gaseous and particulate pollutants from internal combustion engines to be installed in non-road mobile machinery[J]. Official Journal of the European Communities, 1997, L59: 1－85

[9] The European Parliament and the Council. Directive 2004/ 26/EC of The European Parliament and the Council of 21 April 2004 amending Directive 97/68/EC on the approximation of the laws of the Member States relating to measures against the emission of gaseous and particulate pollutants from internal combustion engines to be installed in non-road mobile machinery[J]. Official Journal of the European Communities, 2004, L146: 1－107

[10] United States Environmental Protection Agency. 40 CFR Part 89-Control of emissions from new and in-use nonroad compression-ignition engines [EB/OL]. (2012-01-18) [2017- 11-05]. http://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?SID=e88cb19f8ede701c7af6c1e51d1639c6&mc=true&node=pt40.20.89&rgn=div5.

[11] United States Environmental Protection Agency. 40 CFR Part 1039 -Control of emissions from new and in-use non road compression-ignition engines [EB/OL]. (2014-08-08) [2017-11-22]. http://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?SID= e88cb19f8ede701c7af6c1e51d1639c6&mc=true&node=pt40.33.1039&rgn=div5.

[12] 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I、II阶段)：GB 20891-2007 [S].

[13] 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III、IV阶段)：GB 20891-2014 [S].

[14] 中华人名共和国环境保护部办公厅. 关于征求《非道路移动机械及其装用的柴油机污染物排放控制技术要求(征求意见稿)》意见的函[EB/OL]. [2018-02-22]. http://www.mep. gov.cn/gkml/hbb/bgth/201802/t20180224_431718.htm

[15] 王晓云，刘健，王宏儒. 农业机械用柴油机排放微粒控制研究[J]. 湖南农机:学术版，2009，36(11)：27－29. Wang Xiaoyun, Liu Jian, Wang Hongru. Study on control of agricultural machinery diesel particulate emissions[J]. Hunan Agricultural Machinery, 2009, 36(11): 27－29. (in Chinese with English abstract)

[16] 邬齐敏，孙平，梅德清，等. 纳米燃油添加剂CeO2提高柴油燃烧效率减少排放[J]. 农业工程学报，2013，29(9)：64－69. Wu Qimin, Sun Ping, Mei Deqing, et al. Nano-fuel additive CeO2on promoting efficient combustion and reducing emissions of diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9):64－69. (in Chinese with English abstract)

[17] Jelles S J, Makkee M, Moulijn J A. Ultra low dosage of platinum and cerium fuel additives in diesel particulate control[J]. Topics in Catalysis, 2001, 16-17(1/2/3/4): 269－273.

[18] E J, Pham M, Zhao D, et al. Effect of different technologies on combustion and emissions of the diesel engine fueled with biodiesel: A review[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2017, 80: 620－647.

[19] 胡志远，孙晓清，谭丕强，等. 共轨柴油机燃用麻疯树制生物柴油的性能及排放特性[J]. 农业工程学报，2011，27(增刊1)：308－312. Hu Zhiyuan, Sun Xiaoqing, Tan Piqiang, et al. Performance and emission characteristics of common rail engine fueled with jatropha biodiesel blends[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(Supp.1): 308－312. (in Chinese with English abstract)

[20] 马志豪，张小玉，马凡华，等. 生物柴油混合比对柴油机排放颗粒特性的影响[J]. 农业工程学报，2012，28(18)：64－68. Ma Zhihao, Zhang Xiaoyu, Ma Fanhua, et al. Effects of proportions of biodiesel/diesel blends on structures of diesel engine particulates[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(18): 64－68. (in Chinese with English abstract)

[21] Şehmus Altun. Emissions from a diesel power generator fuelled with biodiesel and fossil diesel fuels[J]. Energy & Environment, 2015, 26(4): 563－572.

[22] Li L, Wang J, Wang Z, et al. Combustion and emission characteristics of diesel engine fueled with diesel/biodiesel/ pentanol fuel blends[J]. Fuel, 2015, 156(8): 211－218.

[23] Imran S, Emberson D R, Diez A, et al. Natural gas fueled compression ignition engine performance and emissions maps with diesel and RME pilot fuels[J]. Applied Energy, 2014, 124(1): 354－365.

[24] Zhu R, Cheung C S, Huang Z, et al. Regulated and unregulated emissions from a diesel engine fueled with diesel fuel blended with diethyl adipate[J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(13): 2174－2181.

[25] 陈希颖，居钰生，张庆，等. 非道路移动机械用柴油机中国第三阶段排放标准关键技术研究[J]. 现代车用动力，2015，159(3)：1－6. Chen Xiying, Ju Yusheng, Zhang Qing, et al. Key technologies for non-road diesel engine to meet national stage 3 emissions regulation[J]. Modern Vehicle Power, 2015, 159(3): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[26] 倪计民，刘越，石秀勇，等. 可变喷嘴涡轮增压及废气再循环系统改善柴油机排放性能[J]. 农业工程学报，2016，32(16)：82－88. Ni Jimin, Liu Yue, Shi Xiuyong, et al. Variable nozzle turbine combined with Venturi exhaust gas recirculation system improving emission performance of diesel engines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(16): 82－88. (in Chinese with English abstract)

[27] Zamboni G, Moggia S, Capobianco M. Hybrid EGR and turbocharging systems control for low NOx and fuel consumption in an automotive diesel engine[J]. Applied Energy, 2016, 165: 839－848.

[28] 赵昌普，朱云尧，杨俊伟，等. 燃烧室形状对增压中冷柴油机燃烧和排放影响的数值模拟[J]. 内燃机学报，2013，31(4)：318－323. Zhao Changpu, Zhu Yunyao, Yang Junwei, et al. Effects of combustion chamber geometry on the combustion and emissions of turbocharged inter-cooling diesel engine[J]. Transactions of CSICE, 2013, 31(4): 318－323. (in Chinese with English abstract)

[29] 苏立旺，李向荣，李杰，等. 柴油机双卷流燃烧系统排放特性试验[J]. 农业工程学报，2013，29(21)：60－65. Su Liwang, Li Xiangrong, Lijie, et al. Experiment of emissions characteristics for double swirl combustion system in diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(21):60－65. (in Chinese with English abstract)

[30] Qian Y, Qiu Y, Zhang Y, et al. Effects of different aromatics blended with diesel on combustion and emission characteristics with a common rail diesel engine[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 125: 1530－1538.

[31] Rajkumar S, Mehta P S, Bakshi S. Phenomenological modeling of combustion and emissions for multiple-injection common rail direct injection engines[J]. International Journal of Engine Research, 2012, 13(4): 307－322.

[32] 孙柏刚，谢均，柴国英，等. 柴油机双卷流燃烧系统的排放特性[J]. 农业工程学报，2013，29(9)：48－54. Sun Baigang, Xie Jun, Chai Guoying, et al. Emission characteristics of double swirl combustion system in diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9): 48－54. (in Chinese with English abstract)

[33] Thangaraja J, Kannan C. Effect of exhaust gas recirculation on advanced diesel combustion and alternate fuels: A review[J]. Applied Energy, 2016, 180:169－184.

[34] Abd-Alla G H. Using exhaust gas recirculation in internal combustion engines: A review[J]. Energy Conversion & Management, 2002, 43(8): 1027－1042.

[35] Pandey S, Diwan P, Sahoo P K, et al. The effect of exhaust gas recirculation and premixed fuel ratio on combustion and emissions in a partial homogeneous charge compression ignition-direct injection engine fueled with bioethanol and diesel[J]. Biofuels, 2015, 6(5/6): 357－367.

[36] 王忠，孙波，赵洋，等. 小型非道路柴油机排气管内颗粒的粒径分布与氧化特性[J]. 农业工程学报，2016，32(10)：41－46. Wang Zhong, Sun Bo, Zhao Yang, et al. Characteristics of particle coagulation and oxidation in exhaust pipe of diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(10): 41－46. (in Chinese with English abstract)

[37] Russell A, Epling W S. Diesel oxidation catalysts[J]. Catalysis Reviews, 2011, 53(4): 337－423.

[38] Kang S B, Kalamaras C, Balakotaiah V, et al. Zoning and trapping effects on CO and hydrocarbon light-off in diesel oxidation catalysts[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2017, 56(46): 13628－13633.

[39] Daneshvar K, Dadi R K, Luss D, et al. Experimental and modeling study of CO and hydrocarbons light-off on various Pt-Pd/-Al2O3diesel oxidation catalysts[J]. Chemical Engineering Journal, 2017, 323: 347－360.

[40] Galindo J, Serrano J R, Piqueras P, et al. Heat transfer modelling in honeycomb wall-flow diesel particulate filters[J]. Energy, 2012, 43(1): 201－213.

[41] Swanson J, Watts W, Kittelson D, et al. Filtration efficiency and pressure drop of miniature diesel particulate filters[J]. Aerosol Science & Technology, 2013, 47(4): 452－461.

[42] Chen T, Wu Z, Gong J, et al. Numerical simulation of diesel particulate filter regeneration considering ash deposit[J]. Flow Turbulence & Combustion, 2016, 97(3): 1－16.

[43] Basu S, Henrichsen M, Tandon P, et al. Filtration efficiency and pressure drop performance of ceramic partial wall flow diesel particulate filters[J]. SAE Technical Paper, 2013: 2013-01-9072. DOI: 10.4271/2013-01-9072

[44] Song X, Johnson J H, Naber J D. A review of the literature of selective catalytic reduction catalysts integrated into diesel particulate filters[J]. International Journal of Engine Research, 2015, 16(6): 738－749.

[45] Di Sarli V, Di Benedetto A. Operating map for regeneration of a catalytic diesel particulate filter[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2016, 55(42): 11052－11061.

[46] Rothe D, Knauer M, Emmerling G, et al. Emissions during active regeneration of a diesel particulate filter on a heavy duty diesel engine: Stationary tests[J]. Journal of Aerosol Science, 2015, 90: 14－25.

[47] Pérez V R, Bueno-López A. Catalytic regeneration of diesel particulate filters: Comparison of Pt and CePr active phases[J]. Chemical Engineering Journal, 2015, 279: 79－85.

[48] Liao Y, Eggenschwiler P D, Rentsch D, et al. Characterization of the urea-water spray impingement in diesel selective catalytic reduction systems[J]. Applied Energy, 2017, 205: 964－975.

[49] Song X, Johnson J H, Naber J D. A review of the literature of selective catalytic reduction catalysts integrated into diesel particulate filters[J]. International Journal of Engine Research, 2015, 16(6): 738－749.

[50] 仇滔，宋鑫，雷艳，等. 柴油机NOx选择性催化还原催化箱出口温度特性及其计算模型[J]. 农业工程学报，2016，32(6)：89－94. Qiu Tao, Song Xin, Lei Yan, et al. Outlet temperature characteristics for NOx catalyst container of diesel engine SCR system and its calculation model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(6):89－94. (in Chinese with English abstract)

[51] 辛喆，王顺喜，张寅，等. Urea-SCR催化器压力损失及其对柴油机性能的影响[J]. 农业工程学报，2011，27(8)： 169－173. Xin Zhe, Wang Shunxi, Zhang Yin, et al. Pressure loss of urea-SCR converter and its influence on diesel engine performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(8):169－173. (in Chinese with English abstract)

[52] Madia G, Elsener M, Koebel M, et al. Thermal stability of vanadia-tungsta-titania catalysts in the SCR process[J]. Applied Catalysis B Environmental, 2002, 39(2): 181－190.

[53] Metkar P S, Harold M P, Balakotaiah V. Selective catalytic reduction of NOx on combined Fe-and Cu-zeolite monolithic catalysts: sequential and dual layer configurations[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2012, 111: 67－80.

[54] Metkar P S, Harold M P, Balakotaiah V. Experimental and kinetic modeling study of NH3 -SCR of NOx, on Fe-ZSM-5, Cu-chabazite and combined Fe- and Cu-zeolite monolithic catalysts[J]. Chemical Engineering Science, 2013, 87(2): 51－66.

[55] 王兴伟，罗水成，赵研科，等. 欧美市场非道路欧IV发动机技术路线及配套注意事项[J]. 拖拉机与农用运输车，2015，42(3)：1－4. Wang Xingwei, Luo Shuicheng, Zhao Yanke, et al. Technique route for off-highway diesel engine to meet Euro IV level in Euro and USA market and attentions in matching [J]. Tractor & Farm Transporter, 2015, 42(3): 1－4. (in Chinese with English abstract)

[56] Liu Z G, McGuffin D, Cremeens C M, et al. Characterization of criteria and organic matter emissions from a nonroad diesel engine equipped with a selective catalytic reduction system[R]. SAE Technical Paper, 2014: 2014-01-2911. DOI: https://doi.org/10.4271/2014-01-2911

[57] Liu Z G, Ottinger N, Cremeens C, et al. Emissions of organic species from a nonroad vanadium-based SCR aftertreatment system[R]. SAE Technical Paper, 2015: 2015-01-2904.DOI: https://doi.org/10.4271/2015-01-2904

[58] Onishi T, Akitomo T, Tamaki Y, et al. Reduction techniques of exhaust gas emissions to meet US EPA Tier4 standard for non-road in-direct injection diesel engines[R]. SAE Technical Paper, 2014:2014-32-0130. DOI: https://doi.org/10.4271/ 2014-32-0130

[59] Dou D. Application of diesel oxidation catalyst and diesel particulate filter for diesel engine powered non-road machines[J]. Platinum Metals Review, 2012, 56(3): 144－154.

[60] De Rudder K. Tier 4 high efficiency SCR for agricultural applications[R]. SAE Technical Paper, 2012: 2012-01-1087. DOI: https://doi.org/10.4271/2012-01-1087

[61] Daum S, Bhosale S, Graf G, et al. Cost Efficient Tier 4 Final solution for NRMM engines up to 37 kW[J]. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2013, 25(3): 558－561.

[62] 张怡军，陈鹏，杨森，等. 4V5R柴油机满足非道路国三排放的技术浅析[J]. 办公自动化，2016(16)：36－37. Zhang Yijun, Chen Peng, Yang Sen, et al. Technological brief analysis on 4V5R type diesel engine satisfying the non-road Kingdom III emissions[J]. Office Automation, 2016(16): 36－37. (in Chinese with English abstract)

[63] 杨卫平，酒建刚，李纪军，等. 非道路柴油机欧IIIA排放方案设计及试验研究[J]. 拖拉机与农用运输车，2015，42(4)：43－45. Yang Weiping, Jiu Jiangang, Li Jijun, et al. Design and experimental study of Euro IIIA emission for non road diesel engine[J]. Tractor & Farm Transporter, 2015, 42(4): 43－45. (in Chinese with English abstract)

[64] 罗马吉，熊锋，颜伏伍，等. 降低非道路用增压柴油机NOx和PM排放的试验研究[J]. 内燃机工程，2009，30(5)： 27－30. Luo Maji, Xiong Feng, Yan Fuwu, et al. Experimental study on reducing NOx and PM emissions from non-road turbocharged diesel engine[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2009, 30(5): 27－30. (in Chinese with English abstract)

[65] 熊锋. 非道路用直喷柴油机排放物控制研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2009. Xiong Feng. Study on Controlling Exhaust Emission from Non-road DI Diesel Engine[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2009. (in Chinese with English abstract)

[66] 张宾. 非道路国三升级切换方案设计及试验研究[D]. 长春：吉林大学，2017. Zhang Bin. The Upgraded Switching Design Scheme and Experimental Research for the Non-Road Third Emission Regulations[D]. Changchun: Jilin University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[67] 夏骅. 非道路增压四缸柴油机的排放控制研究[D]. 镇江：江苏大学，2016. Xia Hua. A Study on the Emission Control of a four Cylinder Turbocharged Diesel Engine of Non-Road Mobile Machinery [D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[68] 刘志华，张庆，陈希颖，等. 单缸柴油机的非道路国三排放开发[J]. 现代车用动力，2016，162(2)：39－43. Liu Zhihua, Zhang Qing, Chen Xiying, et al. Development of single-cylinder diesel engine meeting non-road China Stage III Emissions Legislation[J]. Modern Vehicle Power, 2016, 162(2): 39－43. (in Chinese with English abstract)

[69] 彭天权. 非道路用发动机国Ⅲ排放技术分析和应对策略[J]. 建设机械技术与管理，2013(5)：29－31. Peng Tianquan. Technical analysis and coping strategies of off-road engine national III emission standards[J]. Construction Machinery Technology & Management, 2013(5): 29－31. (in Chinese with English abstract)

[70] 张真. 略谈农机国三升级技术路线[J]. 农机市场，2015(4)：31－32.

Progress of control technologies on exhaust emissions for agricultural machinery

Tan Piqiang, Wang Deyuan, Lou Diming, Hu Zhiyuan

(201804,)

As an important type of non-road machinery, agricultural machinery plays an important role in national economy. At present, the main power source of agricultural machinery is diesel engine. However, the inherent combustion mode of diesel engine leads to large amounts of pollutant emission such as particulate matter (PM) and nitrogen oxide (NOx), and PM and NOx can cause great damage to human health and ecological environment. Therefore, exhaust emission control technology research for agricultural machinery is of great significance. From 3 aspects, this paper elaborates agricultural machinery emission legislation, individual technical routes to reduce agricultural machinery emissions, and combined technical routes to meet more stringent emission limits. Agricultural machinery emissions legislation part analyzes regulations of the EU (European union), the United States and China on exhaust emission limits, test cycles requirements, and their differences. The current agricultural machinery emission legislation for agricultural machinery in China is Stage III. Compared with the standard of Stage IV implemented by the EU and the standard of Tier IV implemented by the United States, exhaust emission limits of China III are relatively relaxed. Legislation of the EU, the United States and China for agricultural machinery increases the non-road transient cycle (NRTC) from Stage IIIB, Tier IV and China IV, respectively. Unlike the EU, China and the United States stipulate that agricultural machinery diesel engines of non-constant speed below 19 kW can also be tested under the cycle of 6 working conditions. In EU and China, the final measuring results of exhaust emissions consist of 10% of the cold start and 90% of the hot start, while the United States reduced the proportion of cold start test cycle results to 5%. Individual technical routes of agricultural machinery emission control mainly include oil technologies, engine purification technologies, and exhaust after-treatment technologies. Among them, oil technologies include improving the quality of fuel and lubricating oil, use of alternative fuels, and so on. Engine purification technologies include diesel engine optimization design for agricultural machinery, supercharging and supercharged intercooler, fuel injection optimization, and EGR (exhaust gas recirculation). Exhaust after-treatment technologies include DOC (diesel oxidation catalyst) technology, DPF (diesel particulate filter) technology and SCR (selective catalytic reduction) technology. Oil technology is a prerequisite for agricultural machinery exhaust emission control, while engine purification technology is the foundation. Advanced exhaust after-treatment technology is the key to meet stringent emission limits for agricultural machinery. Combined technology routes summarize the methods to meet China III and IV emission limits and the latest foreign emission limits. Diesel engines using the “optimized combustion + SCR” route save 5%-7% fuel compared with diesel engines using the “EGR + DPF/CDPF (catalytic diesel particulate filter)” route. Deducting urea consumption, the former route still saves 2%-3% fuel. “Optimized combustion + SCR” route is used in the EU commonly, while “EGR + DPF/CDPF” is usually used in the United States. Considering actual situation in China, there is still much room for improvement in fuel quality, but urea production is very common, so the implementation of China IV legislation prefers SCR. Of course, to find proper routes for agricultural machinery exhaust emission control, it needs to consider the power of agricultural machinery diesel engine, displacement and specific use of the environment, and other requirements. Finally, this paper summarizes the prospects of agricultural machinery emission control technologies. To meet the future China IV limits, it is a significant measure to install an exhaust after-treatment catalytic converter for agricultural machinery. Developing an integrated exhaust after-treatment catalytic converter with low cost and high purification efficiency may become an important research direction for the future emission control of agricultural machinery.

agricultural machinery; diesel engines; emission control; PM; NOx

谭丕强，王德源，楼狄明，胡志远. 农业机械污染排放控制技术的现状与展望[J]. 农业工程学报，2018，34(7)：1－14. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.001 http://www.tcsae.org

Tan Piqiang, Wang Deyuan, Lou Diming, Hu Zhiyuan. Progress of control technologies on exhaust emissions for agricultural machinery [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 1－14. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.001 http://www.tcsae.org

2018-01-16

2018-03-15

国家重点研发计划资助（2017YFC0211202）

谭丕强，教授，博士生导师，研究方向为柴油机污染排放控制技术等。Email：tpq2000@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.001

TK421+.5; S-1

A

1002-6819(2018)-07-0001-14