农用拖拉机排放综述*

2021-10-08陈文武李加强

南方农机 2021年18期

陈文武，李加强

（西南林业大学机械与交通学院，云南昆明 650224）

0 引言

我国拖拉机市场是典型的存量市场，拖拉机保有量巨大，如图1所示，近10年来，我国拖拉机拥有量基本在2 200万台以上。截至2019年末，我国农用拖拉机拥有量达2 224万台，其中大中型拖拉机数量约为444万台，小型拖拉机数量约为1 780万台[1]。柴油驱动的农业机械是大气污染的重要来源之一[2-6]。拖拉机耗油量大，要进行犁地、土壤耕作、施肥、割草、运输等各种农业作业，是污染最严重的农用机械[7]。2019年，全国农业机械排放量中，大中型拖拉机排放的污染物占农业机械总排放量的33.8%，小型拖拉机排放的污染物占农业机械总排放量的23.4%[8]。随着非道路移动机械保有量不断增长，其排放污染物问题正受到越来越多的重视。开展合理有效的农用拖拉机排放试验及控制方法对人类的健康和生存环境有重要意义。

图1 2011—2020年中国农用拖拉机拥有量情况

农用拖拉机长期在低速、高负荷状态下运行，且使用地区偏远，监管困难，导致了农用拖拉机NOX

（Nitrogen Oxides）和PM（Particulate Matter）等污染物排放情况恶劣[9-11]。虽然目前我国对农用机械有相应的排放法规标准，但其法规的建立和实施远远落后于欧美国家，且研究方法单一，具体参数主要是在固定运行模式的发动机测试中获得的。在实际工况下作业时，发动机转速和负荷参数时有变化，发动机负荷或速度的突然变化会影响拖拉机的性能参数，这就造成了农用拖拉机排放研究存在许多问题。因此，本项目主要介绍了欧盟、美国和中国农用机械的发展，概括了国内外关于农用拖拉机排放的研究进展，对农用机械排放控制技术进行阐述，提出我国农用拖拉机存在的一些问题，为我国农用拖拉机排放研究制定更加系统、严谨的研究方法。

1 农用机械排放法规

1.1 农用机械法规发展

农业机械的排放法规标准目前主要分为欧盟和美国两大体系，这两种体系都是根据不同功率段对各种污染物进行排放限制。2004年，欧盟颁布了非道路用柴油机第Ⅲ阶段（A和B）和第Ⅳ阶段排放标准（2004/26/EC）[12]，并在2010年开始分功率段执行实施ⅢB和Ⅳ阶段，较欧盟实施的StageⅣ阶段，StageⅤ（EU2016/1628）[13]阶段增加了小于19 kW功率段和大于560 kW功率段的排放限值，并在19 kW～560 kW功率段增加了对PN数量的排放限值。美国则是在2014年正式实行非道路Tier4正式阶段排放标准，与2008年实行的非道路Tier4过渡阶段[14]相比，正式阶段各功率PM均降低了90%以上，而CO、NOX、HC的排放限值则没有什么变化。而我国对于农用机械污染物排放标准的研究起步比较晚，我国农用机械排放限值标准主要分为四个阶段，其排放法规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（中国第三、四阶段）》[15]主要是参考了欧盟2004/26/EC指令,其中，对于37 kW～560 kW的非道路用柴油机污染物排放限值与欧盟的2004/26/EC指令相同，而对于560 kW以上的非道路用柴油机污染物排放限值则与美国的非道路Tier3阶段相同。而就目前中国农用拖拉机拥有状况而言，其排放法规按照不同功率段进行污染物排放限值的划分，其中，小型拖拉机趋于饱和，典型功率段75 kW～130 kW的大中型拖拉机则呈现大幅度增长[16]。如图2所示，随着法规的愈加严苛，NOX和PM的排放限值将会越来越严苛。

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

1.2 农用机械测试方法

对于农用机械，我国目前正采取的是中国非道路第三阶段排放限值，根据发动机作业工况的不同，又主要分为台架试验和车载试验[17]。台架试验又主要包括稳态试验循环（Non-Road Steady-state Cycle，NRSC）和瞬态试验循环（Non-Road Transient Cycle，NRTC），对于非恒定转速下的发动机主要采用的是六工况法和八工况法，对于恒定转速下工作的发动机主要采用的是五工况法，法规同时还给定了每个测试工况的加权系数，以此来确保污染物的采样时间。对于即将实施的农用机械第四阶段排放标准，增加了瞬态试验循环，如图3所示。由图3可知，该循环主要包括1 238 s逐秒变化的瞬态工况，每个工况通过基准转速与最小瞬态性能转速以及对应工况下发动机转速负荷百分比计算出的实际转速和扭矩来确定。该试验循环适用于第四阶段小于560 kW非恒定转速柴油机排气污染物的测量。目前，国内对于农用拖拉机车载排放测试没有规定具体试验规程，因此，国内大多学者[18]对农用拖拉机实际工况下的排放测试，主要分为怠速、行走、作业三种工况，以此来探究每个工况下农用拖拉机的不同排放特性。

图3 非道路瞬态循环中基准转速和转矩随时间变化情况

2 农用拖拉机排放控制技术研究

降低农用拖拉机污染物排放是一个系统的问题，主要涉及柴油机燃料和润滑油的设计控制技术、发动机本体的优化设计、缸内燃烧优化技术以及先进的排气后处理技术[19-20]等。因此，随着排放法规越来越严苛，必须从系统的角度考虑适合我国国情的排放控制技术路线。

2.1 替代燃料对排放的影响

生物柴油具有较高的十六烷值，有助于减少柴油机废气的排放[21-22]。但是由于生物柴油所使用的生物质材料以及混合物的百分比不同，导致其具有不同黏度、密度、水含量以及热值。研究发现，生物柴油和生物柴油混合燃料可以减少CO、HC、PM的排放，但是往往会增加CO2和NOX的排放[23-24]。目前国内还没有报道过生物柴油应用在农用拖拉机整车上的试验研究，但在柴油机上的应用研究具有一定的基础。国内韩红涛等[25]采用矿物柴油和生物柴油混合燃料对农用拖拉机发动机进行排放特性分析，发现与石化柴油相比，混合燃料中生物柴油的增加导致CO2和CO排放量减少。在较高负荷下，燃料燃烧更完全，导致CO2排放量的减少小于CO排放量的减少。随着生物柴油在混合燃料中所占比例的增加，所有运行工况下的排气温度降低。在较低的排气温度下，NOX排放量仍随生物柴油用量的增加而增加。国外Simkic等[26]发现使用生物柴油或其混合燃料都减少了CO的排放，但是增加了CO2和NOX的排放。但是Milan D T等[27]测试了生物柴油、化石柴油和掺入15%、25%、50%和75%生物柴油和化石柴油混合燃料对中功率（37 kW～66 kW）农用拖拉机性能和排放性能的影响，当加入含15%生物柴油的混合燃料时发动机功率有所提高。根据生物柴油在混合燃料中所占份额的不同，所有混合燃料都显示出比化石柴油更高的比油耗。JE等[28]发现使用油菜籽油和石化柴油的拖拉机NOX、CO、HC、PM排放量低于法定非道路瞬态循环（NRTC）时的排放量。并且以菜籽油为燃料替代柴油，具有减少温室气体排放的巨大潜力。与此同时，醚类燃料也被作为一种超洁净排放替代燃料，其十六烷值比柴油高，自燃温度比柴油低，滞燃期短，有利于减少NOX排放和降低燃烧噪声[29-31]。但目前二甲醚的研究还处于起步阶段，大规模的推广还存在加压配送体系的建立、发动机改造、二甲醚非道路用燃料的规范和标准的确立等问题需要解决。

2.2 国内外排放控制技术研究进展

目前，国内农用拖拉机通过机内处理技术和油品技术即可达到国三的排放限值要求。张宾[32]对一台国二的东方红704农用拖拉机进行研究，通过对内部EGR率的选择以及喷油正时的优化试验研究，最终使其排放达到了国三的排放标准。谢纬安等[33]对小型农用单缸柴油机在不同EGR率下燃用生物柴油的NOX和PM排放特性进行分析，发现采用EGR技术能够明显改善柴油机的NOX排放量，但同时会引起碳烟排放的增加。通过在柴油中添加生物柴油能够在一定程度上减少碳烟排放。其中，高负荷、大EGR率条件下的改善最为明显。总体上，柴油中添加生物柴油与EGR技术共同作用能够有效减少柴油机高负荷工况时的颗粒排放总数量。然而，对于即将实施的国四阶段的排放阶段标准，则需要采用先进的机外后处理技术。目前，国内对于农用拖拉机采取后处理排放控制技术的研究较少，与欧盟和美国的排放限值标准还存在较大的的差距，而国外对此已经展开了一定的研究。Jerzy Merkisz等[34]对一台配备了废气再循环技术和氧化催化剂的农用拖拉机A和一台装有直喷式柴油机组的农用拖拉机B进行实际工况下的排放测试，发现拖拉机A具有更好的生态特性。拖拉机A耕作时，由于氧化催化剂的效果，CO和HC的浓度降低，且拖拉机A油耗比拖拉机B油耗更低。国外Jacopo Bacenetti等[35]对两台相似的农用拖拉机分别采用了EGR和SCR两种减少污染物排放控制技术进行了农业耕作的比较，发现装备了SCR的农用拖拉机减少了NOX和颗粒物对环境的污染。

2.3 国内外组合技术路线

随着排放法规越来越严苛，越来越多的单项技术的组合被运用到农用机械污染物的排放控制[36-37]。欧洲倾向于优化燃烧+SCR，美国和日本倾向于EGR+DPF。而依据我国国情及基本工业的关系，我国对于国四阶段非道路移动用柴油机排放控制基本技术路线主流将会是优化燃烧+SCR和EGR+DPF。虽然优化燃烧+SCR对柴油的品质要求不高，对柴油机的技术改进比较少，系统不受发动机运行工况的影响，但是需要建立配套的尿素供给设备用来解决尿素供给的问题以及在寒冷地区尿素由于低温结晶失效的问题。而EGR+DPF技术则需要对柴油机进行技术改进及设备的重新标定，极其依赖超低硫含量的燃油及高品质的润滑油，增加了开发成本。

3 实际工况对农用拖拉机排放的影响

农用拖拉机作业条件恶劣，工况变化剧烈，流动性大，导致在实际工况下发动机性能的可变性及排放并不总是在限值范围内[38]。农用拖拉机污染物的排放受到环境特定因素（土壤质地、含水量、坡度等）和操作条件（耕地深度、耕作地形等）以及技术（机器类型和使用年限，是否有减少排放的系统）等方面的影响[39-42]，农用机械仅在发动机测功机上进行排放测试，不能完全反映出农用机械的真实排放情况。因此，该如何定义农用拖拉机测试工况使其能真实反映其排放情况，还需进一步研究。

国内张丽等[42]将农用拖拉机分为如表1所示怠速、行走、作业三种工况进行排放测试，发现拖拉机在作业工况下的NO/NOX的比值最高，且对比不同排放标准下油耗的排放因子，发现农用机械在不同工况下的排放因子都呈现下降趋势。庞凯丽等[43]选取用于田间运输、旋耕、施肥及秸秆粉碎还田的拖拉机进行实际条件下的排放测试，发现拖拉机的尾气排放在行走和作业时其污染物排放速率高于怠速。拖拉机用途不同，其尾气排放也有所差异，旋耕机污染物排放速率明显比田间运输机、施肥机和秸秆粉碎机高。此外，拖拉机气体污染物的平均排放速率均随发动机转速和进气压力的增加而提高。

表1 测试工况说明

国外Natalia Szymlet等[44]对乘用车辆和农用拖拉机进行实际工况下的污染物排放对比，结果发现农用拖拉机达到固体颗粒质量排放的最大瞬时值是乘用车行驶过程中记录到的最大瞬时值的900倍。与乘用车相比，农用拖拉机的排放值要高出几倍。Rashid Gholami等[45]将MF285和U650两种农用拖拉机进行了不同工况下排气污染物的测量，发现各工况下测得的排气和发动机油温均高于稳态工况，除CO外，所有排放的气体都与拖拉机的类型有显著的关系。NO排放量会随着机油温度的升高而增加。在运行条件下，使用U650比使用MF285在减轻污染方面要好。T.A Gemtos[46]对同一辆农用拖拉机进行小麦和玉米的田间作业时产生的总排放量进行了估算，发现其作业时产生相当大的排放量，CO排放量远高于HC和NOX排放量，严重地造成了环境污染。Koniuszy A等[47]采用间接法对农用拖拉机耕作过程中排放的CO2、NOX、HC、CO、PM进行了测定，发现农用拖拉机直接耕作过程和掉头过程中排放的污染物与拖拉机瞬时排放速率（g/s）和拖拉机的比功率（g/kWh）有关。研究还发现，在土壤耕作过程中用g/s表示的CO2、NOX和HC排放量通常比掉头过程高出13~15倍，这与土壤直接耕作中燃料的使用显著增加有关。以g/kWh表示的CO2、NOX和HC排放的情况下，在土壤耕作过程中，每种废气成分只有一个特征，最常见的排放水平位于中小值范围内。Neil McLaughlin等[48]对如表2所示两种不同土壤性质的耕作地进行实际工况下的排放测试，发现在沙性土壤中，农用拖拉机耕作的深度增加，导致其油耗和污染物排放更高。通过适量地抬起耕作农机具，可以减少燃料的消耗和污染物的排放。

表2 测试工况说明

4 中国农用拖拉机排放存在的问题

1）高原环境对农用拖拉机排放影响研究的缺失。我国高原地区面积约占国土面积的37%[49]，研究发现较平原地区，高原环境下空气密度下降，进而会引起柴油机缸内燃烧恶化，污染物排放量增加，将直接导致柴油机的经济性、动力性显著下降[50-51]。然而，对于农用拖拉机在高原环境下的排放研究目前还未见报道，农用拖拉机在高原地区的作业工况与平原地区有很大区别，而且发动机工作环境也有很大差别。随着排放法规的日益严格，农用机械排放控制策略复杂，而且多针对平原地区进行标定，关于高原环境非道路移动源的排放限值及测量方法也没有出台。因此，高原山区农用拖拉机能否正常发挥效能还有待考证。

2）农用拖拉机排放控制技术比较落后，污染严重，缺乏对农用机械排放的有效监督管理。我国农机普遍技术水平低，使用年限长，维护保养差，燃油消耗高，燃油质量差。并且随着农用机械的使用频率越来越高，其排放污染也变得逐渐严重。

3）柴油机替代燃料问题。石油是一种不可再生能源。因此，生物柴油作为以生物质为原料加工而成的有机燃料，是一种优质的石化柴油的替代品。但是，当前生物燃料的生产成本普遍高于普通燃油，生物柴油中含碳量较高，抗氧化安定性差，会造成积碳和结胶磨损严重以及排烟增大等情况。