农用拖拉机发动机技术及其排放特性研究

0 引言

近年来，我国的农业机械生产制造能力得到了快速提升，农机产品的性能得到了有效改善，在农业生产全程机械化的大背景下，农业机械的使用量得到了显著增加。拖拉机作为农业生产中的主要动力机械，在农业生产中承担着牵引、悬挂多种农机具作业的任务，并担任着农业运输重任，工作环境复杂、工作任务呈现多样性特征。为确保拖拉机的动力性能，发动机技术在拖拉机中发挥着重要作用，发动机不仅要保证拖拉机具有足够的动力性能，还需要具有良好的可靠性、节能环保、经济性等，拖拉机发动机技术的提升对于拖拉机整体质量的提升意义重大。

1 农用拖拉机的系统组成

拖拉机是应用于农业生产使用的重要动力机械，主要功能是配套不同机具或设备进行农业生产的田间作业和运输作业，并辅助完成其他的动力供给作业。通常情况下，拖拉机的农田作业任务包括耕整地、播种、植保、收割、农田建设、作物运输等。拖拉机经过多年的技术改进与发展，现机械技术体系已经相对成熟，无论哪种形式的拖拉机，其主体均由发动机、底盘、电气设备三大部分组成，只是在功能与细节设计上存在一定的差异。拖拉机的作业优势是通过性好、地形适应能力强、离地间隙较高、功能扩展性强、接地压力较低、通用性好。除普通的常规机型外，拖拉机根据使用环境的不同还有一些特殊机型种类，如水田拖拉机、中耕拖拉机、果园拖拉机等。

从上文分析可以看到，现在适用权利用尽理论的主要经济体，除了美国已经否定了该规则的区别适用理论之外，德国、日本及我国都还多多少少保留着区别适用的情况。

农业生产中常见的拖拉机结构如图1所示，主要包括前轮、电气系统、底盘、辅助系统、发动机系统、驾驶操作装置、驾驶室、后轮等。整机以发动机为中心产生动力，并传递到各个功能系统用于为传动、行驶、电控、液压提供动力和能源。现阶段，根据拖拉机配套发动机动力的不同，可将拖拉机分为小型拖拉机、中型拖拉机和大型拖拉机三类，其中小型拖拉机配套发动机动力在23 kW以下，中型拖拉机配套发动机动力在23～74 kW之间，大型拖拉机发动机动力在74 kW以上。

2 拖拉机上应用的发动机技术

现阶段，农业生产上应用的拖拉机发动机技术方案包括柴油机驱动和混合动力驱动两大类。

2.1 柴油机技术

柴油机在拖拉机上的应用具有以下特征：1)可靠性高。柴油机现阶段的技术十分成熟，经过多年的故障优化与性能提升，其在农业生产过程中使用故障率低、寿命长，有利于提高生产效率。2)能源利用率高。与汽油发动机相比，先进的农用柴油机热效率可达46%以上，增压柴油机的体积功率可达330～350 kW·m

。3)使用维护方便。柴油机零部件通用性好，使用维护相较于汽油机更为简单。4)柴油机对柴油品质要求较为严格，劣质柴油易造成柴油机早期故障。5)拖拉机配套柴油机在使用过程存在一定的振动、噪音影响使用体验，并在燃烧过程中产生有害气体、颗粒物等污染。

大多数的漂流木都未经人类之手触碰，但它们在大海上的漂流故事也同样令人惊讶。大多数漂流木的最终命运是沉入海底，并永远待在了那里。像克莱默这样的研究人员的努力极大增进了我们对漂流木对海洋生态巨大影响的理解，但对它们在海洋食物链中所扮演角色的认识我们仍然知之甚少。20世纪70年代至90年代，露丝·迪克森·特纳（Ruth Dixon Turner）曾对漂流木进行了开创性的研究，之后美国林务局的著名科学家、美国国家鱼类和野生动物基金会鱼类保护机构主任詹姆斯·塞德尔（James Sedell）将特纳的研究成果汇编成册。从小就在俄勒冈海岸的海滩上玩耍的塞德尔，对海上已经渐渐消失的漂流木一直十分感兴趣。

柴油机是拖拉机应用最多的动力机械，其通过柴油燃烧将化学能转换为动能，驱动拖拉机完成行驶、动力输出等功能。拖拉机配套柴油机的组成结构如图2所示。其主要包括以下几大部分：1)机体。包括柴油机的安装主体，以及汽缸体、曲轴箱、油底壳等结构。2)曲柄连杆机构。主要包括活塞、连杆、曲轴等部分，活塞在汽缸内往复运动实现动能供给。3)燃油供给系统。包括油箱、供油管路、燃油滤清器、喷油机构等。4)配气系统。主要为柴油机燃烧提供空气，并将燃烧废气排出，包括进气门、排气门、传动装置、空气滤清器等。5)润滑系统。主要通过机油对发动机的各个运动部件进行润滑，关键部件包括机油泵、输油管路等。6)冷却系统。包括冷却液箱、泵体、风扇、散热器、节温器等，用以保持柴油机工作处于合理温度范围。7)电控系统。包括控制发动机的启停、仪表显示、照明、电液控制等。

从表5可以看出，2012—2016年青岛市GDP总量及三次产业产值都在增加，其中第一产业产值的增加速度最慢，第二产业产值的增加速度较快，第三产业产值的增加速度最快，这完全符合经济发展的趋势。另外，从第一产业、第二产业和第三产业的GDP占比来看，2012—2016年第一产业和第二产业的产值虽然在数量上有所增长，但是其在青岛市GDP的占比却有所下降，而第三产业GDP的占比稳步增长。由此可以认为，青岛市第三产业发展速度非常快，是带动GDP增长的主要产业。通过三次产业结构可以看出，2012—2013年青岛市的工业化发展水平进入工业化中期，2014—2016年同样属于工业化中期。

2.2 混合动力驱动技术

对于控制变量，速动比率和资产负债率的相关系数均在1%的水平下显著，作为一项严重依赖于企业内外部融资约束的经营决策，企业的综合偿债能力越好，相应会促进研发投入水平的提高；盈利能力与研发支出在1%的水平下显著负相关，主要可能因为按照会计准则，当期研发投入没有达到资本化条件的计入费用处理，一定程度上冲减了当期经营业绩，这也是管理者不愿进行过高研发投入的原因之一。此外，公司的成长性、市场份额与营运能力和研发投入呈负相关，企业年龄与研发投入呈正相关，并均通过了显著性检验。

拖拉机配套的柴油机主要为四冲程柴油机，其工作是进行进气、压缩、做功、排气循环往复的过程。在进气过程，汽缸内的活塞由上止点向下止点运动，汽缸内因密闭作用而被抽真空，产生负压吸力，此时进气门开启，空气被吸入汽缸内，当活塞到达下止点后，进气门关闭，进气工作完成。在压缩过程，活塞被曲轴运转驱动而由下止点向上止点运动，此时进气门与排气门均关闭，汽缸形成密闭空间，随着压缩的进行，汽缸内气体温度上升，当活塞运行到接近上止点位置时，压缩工作结束。在做功过程，柴油被增压雾化后喷入燃烧室，与空气混合后被压缩产生的高温点燃，汽缸内温度、压力迅速提升，气体体积急速膨胀，推动活塞由上止点向下止点运动，并带动曲轴运转，实现动力输出，当活塞到达下止点后，做功过程结束。在排气过程，排气门开启，活塞由下止点向上止点运动，汽缸内的燃烧废气被活塞运动产生的推力推动，由排气门排出，当活塞运行到上止点后，排气过程结束，柴油机运转进入下一个循环过程

。

拖拉机作为农业生产中使用量最大的农业机械，其节能减排一直是技术研究的重点，从国际范围看，世界一流的农机企业针对拖拉机的节能技术研究已经延续了几十年，尽管成熟的技术产品还没有大范围在生产中应用，但是约翰迪尔、纽荷兰、菲亚特、ZF等企业均已实现了混合动力拖拉机样机的试验与制造。对于我国而言，混合动力拖拉机的研究也得到了广泛的重视，哈尔滨工业大学、南京农业大学、中国一拖等单位针对拖拉机的混动技术开展了大量的研究与试验工作。从近年来的国际国内农机展会上看，混合动力拖拉机已经进入人们视野。如图3所示为柳工HE2604型油电混合动力拖拉机，该机应用了电控双挡无级变速技术，配套动力锂电池和电机驱动前后桥技术，具有显著的节能减排优势

。

现阶段，拖拉机混动技术研究主要方向是柴油机动力与电机动力的串联式混合，与传统的柴油拖拉机相比，混动拖拉机还配套有电机、蓄电池等硬件，能够实现根据作业过程动力需求选择相应的动力输出。混动拖拉机与传统拖拉机相比，在控制逻辑上更为复杂，通过整合农业生产的作业特征和拖拉机牵引力及动力输出变化，分配电机与柴油机的介入时机，如电机主要用于行驶和负载较小的作业。例如，道路行驶、植保作业等；柴油机主要用于负载较大的作业，如耕整地、播种、收获等，利用电机与柴油机的配合使用实现节能减排与动力输出的优化。

3 农用拖拉机排放特性

3.1 排放物质分析

现阶段，农用拖拉机配套的柴油机在使用过程中对农业生产及周边环境造成了明显的不利影响，主要表现为排放物质对大气产生污染。截至2020年底，我国拖拉机保有量达到2 204.88万台，其中58.84 kW(80马力)以上拖拉机拥有量143.66万台，拖拉机作业产生的排放污染达到农业机械作业总排放量的24%～34%。拖拉机作业过程排放的污染物主要包括氮氧化物(NO

)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO

)、颗粒物(PM)、碳氢化合物(HC)等，且其在同样使用时间内排放出的颗粒物及氮氧化物是柴油机动车的1.4～1.8倍。

3.2 排放的检测

对于拖拉机的尾气排放检测，主要装置如图4所示，主要包括尾气排放气态污染物测试仪、尾气质量流量测试仪、尾气排放颗粒物测试仪等。

3.3 作业工况与排放的关系

拖拉机在农业生产中使用环境相对复杂，受到气候、田间粉尘、地势等因素影响，作业条件相对恶劣，与普通柴油机动车相比，使用过程除常规的行驶、怠速外，还包括重负载、牵引、偏载、颠簸等作业工况，使用过程中常伴随工况无规律变化，导致出现排放污染物增加。张丽等

针对拖拉机在怠速、行驶、负载作业三种常见工况进行了排放特性测试，得出负载作业工况下污染物的排放最为严重。此外，当发动机转速和进气压力增加时，排放中的污染物明显增加。从拖拉机不同的作业任务对比来看，以耕整地作业过程中的排放污染物为最高，在进行犁耕、旋耕、联合整地过程中排放的CO

、NO

、HC、CO、PM等污染物明显提升，相对于拖拉机的正常行驶提高约13～15倍，在耕整地作业的过程中，合理选择耕作深度与行驶速度有利于降低排放污染

。总体来看，无论是负载较大的耕整地作业，还是负载相对较小的植保、播种，都应合理选择和设计作业方案，规范操作、匀速行驶是控制排放的有效手段。

4 结语

现阶段，农用拖拉机仍然以柴油机作为主要动力源，混合动力等新能源拖拉机仍处于研究和试验阶段，随着国家对柴油机排放政策的逐渐升级，拖拉机配套发动机技术实现了快速提升，柴油机的可靠性和工作能力显著增强，排放的空气污染问题得到了有效控制。但与此同时，拖拉机发动机使用过程的故障率、使用寿命、排放污染等也与驾驶员的操作习惯、保养方式等密切相关，因此，在提升发动机技术的同时，还应重视驾驶技术、技能的提升，以此保证拖拉机的合理、高效、低碳应用。

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