拖拉机国四排放阶段后处理技术路线与企业 应对

○山东省农业机械技术推广站 孙昀璟 商 飞 许 凯 马继超

泰安泰山国泰拖拉机制造有限公司 闫 帅

一、拖拉机国四排放阶段主要后处理技术路线

柴油发动机排气污染物主要有CO、微粒排放物质（PM）、碳氢化合物（HCX）、氮氧化物（NOX）、醛类和SOX，其中微粒排放物质（PM）大部分是由碳粒、铅化物和SOF（可溶性有机硫成份）组成。降低排气污染物的含量，需要发动机机内净化处理和机外控制（收集和后处理）技术双管齐下。机内净化技术主要有燃烧室的优化和改进、高压共轨电子控制燃油喷射技术、废气再循环技术（EGR）、进气增压中冷技术、多气门技术。机外控制技术主要有DPF（颗粒物捕集）、DOC（氧化催化）、SCR（选择性催化还原）、LNT（稀混合气NOX捕集）技术。目前，普遍采用且性价比合理的技术主要有高压共轨电子控制燃油喷射技术、EGR、DPF、DOC、SCR 等技术的单一运用或者组合运用。现就几种比较典型的排放处理技术介绍如下。

1.DPF（Diesel Particulate Filter）——颗粒物捕集。是一种安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，它可以在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。颗粒物捕捉器能够减少柴油发动机所产生的烟灰达90%以上，捕捉到的微粒排放物质随后在车辆运转过程中燃烧殆尽。它的工作基本原理是在柴油微粒过滤器喷涂上金属铂、铑、钯，柴油发动机排出的含有炭粒的黑烟，通过专门的管道进入发动机尾气微粒捕集器，经过其内部密集设置的袋式过滤器，将炭烟微粒吸附在金属纤维毡制成的过滤器上；当微粒的吸附量达到一定程度后，尾端的燃烧器自动点火燃烧，将吸附在上面的炭烟微粒烧掉，变成对人体无害的二氧化碳排出。

2.DOC（Diesel Oxidation Catalysts）——氧化催化技术。通过催化剂的作用，将尾气中的HC（碳氢化合物）和CO（一氧化碳）氧化为二氧化碳+水，实现对于HC 和CO 的去除，同时可以将NOX（氮氧化物）氧化为NO2（二氧化氮）。上述反应过程会释放热量，有助于提高排气温度，可以作为SCR方案的辅助装置。此外，DOC 还能将排气中颗粒物中的可溶性有机硫成分（SOF）转换成二氧化碳和水。

通过DOC 的作用，可使柴油机排气污染物中的CO 排放降低30%左右，HC 排放降低50%左右。此外，DOC 还可净化多环芳烃（PAH）50%以上，净化醛类达到50～100%，并能够减轻柴油机的排气臭味。虽然DOC 对颗粒物的净化效果远不如DPF（颗粒捕集器），但由于碳氢化合物的起燃温度较低（在170℃以下就可以再生），所以DOC不需要较为昂贵的再生系统，成本较低。

3.SCR（Selective Catalytic Reduction）——选择性催化还原技术。是针对柴油机尾气排放中NOX的一项处理工艺，即在催化剂的作用下，喷入还原剂氨或尿素，把尾气中的NOX还原成N2和H2O，催化剂有贵金属和非贵金属两类。该项技术是欧洲主流技术路线，大功率柴油机几乎全部采用这一技术。

在SCR 中发生的化学反应如下：

尿素水解：（NH2）2CO+H2O →2NH3+CO2；

NOX还原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O；

NH3氧化：4NH3+3O2→2N2+6H2O。

具体解释为：在排气混和管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR 系统催化剂表面利用NH3还原NOX，排出N2，多余的NH3也被氧化为N2，防止泄漏。

4.EGR（Exhaust Gas Return）——废气再循环技术。柴油机排气系统将产生的一部分废气送回气缸，由于再循环废气具有惰性，不参加化学反应，进入缸内的混合气体被稀释，氧气浓度降低，从而可燃混合气的发热量降低，另外由于废气中的CO2及水蒸气的热容量较大，降低了气缸内高峰温度，这两者都使柴油机燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢，缸内最高燃烧温度下降，从而破坏了NOX 生成所需高温富氧的条件，使柴油机的NOX 排放降低。特别是在大负荷时，效果尤为显著。但采用EGR 后，在不同的工况点，烟度和燃油消耗率有所增加，高负荷时，增加尤为明显。在大负荷下，为了保证颗粒排放不致于过大，采取较小的EGR 率；而在小负荷时，颗粒排放少，可采用较大的EGR 率。

通过这几项典型的技术来看，通过单一技术比较难达到国四排放的标准，特别是中大马力的柴油机，需要两种或者更多的组合技术，才能实现对排放的控制。

基于表1，目前国内比较主流的技术路线如下：

（1）单缸机。目前发动机厂家主要选择自然吸气+机械泵，部分厂家还选择自然吸气+电 控单体泵作为备选技术路线。

（2）50 马力及以下多缸机。由国三阶段的自然吸气+VE 泵（电控分配泵）改为自然吸气+电控单体泵。

（3）55～90 马力发动机。主要选择为增压中冷+高压共轨+EGR+DOC+DPF。

（4）90～120 马力发动机。有两种技术路线，即增压中冷+高压共轨+SCR+DOC+DPF 和增压中冷+高压共轨+EGR+DOC+DPF。

（5）120 马力以上发动机。主要为增压中冷+高压共轨+SCR+DOC+DPF 。

表1 非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值对照表

二、国四排放对拖拉机行业造成的影响和企业应对现状

1.国四排放加大整机设计难度。国四排放柴油机需要增加尾气处理装置，对中小型拖拉机只需要加氧化催化器和柴油颗粒捕集器，占用空间不是很大，对产品外形的影响不大，但是大马力段拖拉机还需要在原消音器位置加装选择性催化还原系统，占用空间大、结构质量大，要求机罩下发动机平面上有400mm 以上的空间，这就要求机罩需要抬高，会影响驾驶员视野，对产品设计提出了更高的要求。此外，由于SCR 所需的尿素消耗量与柴油消耗量的比值在1：（15～20）左右，尿素盛装设备与燃油箱的容积匹配需要计算正确，且尿素在低温时容易结晶，需要布置热导管进行提前加热，这些都对现有传统的整机布局提出了严峻的挑战。

2.增加生产制造成本。原有的拖拉机底盘部装线及整机总装线已无法满足国四排放的要求，整机生产企业需要对配件、产品结构、工装工艺等进行升级调整。此外，每台拖拉机还需加装卫星导航精准定位系统，在机械全寿命内作业时，应能通过系统实现对其准确定位，并进行定位信息的数据发送。这些设备的投入以及后续的流量传输都给拖拉机生产企业带来极大困难。

3.增大销售难度和售后成本。柴油机升级国四，一是拖拉机成本会增加，价格也会相应提高；二是用户使用成本增加，难度加大，需要增加尿素，使用更高品质的低硫柴油，后处理需要再生等；三是服务成本增加，现有服务水平无法满足国四需要，需要对售后服务人员、经销商、用户重新培训。

4.PEMS 技术挑战。PEMS（Portable Emission Measurement System）是一种能安装在车辆上，同时进行污染物浓度和流量以及温度、压力和柴油机转速、扭矩、负荷程度以及经纬度、海拔等相关参数实时采集的整套便携式排放测试系统。对拖拉机制造厂在整机一致性控制和在用车辆符合性能上提出了更高的要求。一方面，拖拉机生产企业要保证出厂的每一台拖拉机都达到了国四排放；另一方面，在用拖拉机的符合性抽查中，如果抽查三台有一台不合格，也判定该机型没有达到国四排放。PEMS 成本很高，核心零部件如颗粒检测、气体分析等都是需要进口，国产设备也在几十万左右，且可靠性不是很好。一般大的企业都是采购诸如奥地利AVL 公司、美国Sensors 公司等国际知名公司原装进口产品，价格都在150 万元（人民币）以上。

5.目前国四排放柴油机与整机的匹配问题。柴油机厂家普遍完成了实验室内测定，配套拖拉机上正在大面积进行“低温”、“三高”等匹配试验和各种不同工况（如配套机具进行旋耕、深松等）的数据采集和标定。很多柴油机厂家采用小排量发动机和缩短排气管路来提升排气温度，需要与拖拉机的排气管路重新进行设计和对接。发动机数据优化是个漫长复杂的过程，需要发动机厂家、燃油供给系统厂家、拖拉机生产厂家三方一起完成，难度可想而知。

6.国四排放实施后，拖拉机整机增加多项检查要求。根据国四排放控制技术标准，需要确保在整机使用过程中保证排放的合规性，主要为排放的达标检查和在用符合性检查，其中都包含有企业自查与监督抽查。

排放达标检查中，企业自查对象为整机和发动机，内容包括企业制定自查计划，结果公开；自查记录表保存五年，备查；代表性系族自查，不自查系族要声明达标；出厂后，前500h 可以作为新机自查。达标监督抽查由主管部门进行，内容包含配置核查、下线计划和自查过程审查、控制策略功能性检查、达标测试、合格判定。特别注意：无柴油机故障诊断接口（OBD 接口）或无法访问判定为排放不合格。

在用符合性检查中，企业自查包括按系族开展自查、选择检查的机械应尽可能使用达到500 h 以上、销售一年半内开展自查计划、自查结果应公开等。监督抽查由主管部门进行，包括车载终端的功能性检查、诊断系统功能性检查、达标测试、合格判定、整改措施，其中整改措施要求生产企业应按要求提交整改措施计划并按计划实施。