陳文武，李加強

（西南林業(yè)大學(xué)機械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

0 引言

我國拖拉機市場是典型的存量市場，拖拉機保有量巨大，如圖1所示，近10年來，我國拖拉機擁有量基本在2 200萬臺以上。截至2019年末，我國農(nóng)用拖拉機擁有量達2 224萬臺，其中大中型拖拉機數(shù)量約為444萬臺，小型拖拉機數(shù)量約為1 780萬臺[1]。柴油驅(qū)動的農(nóng)業(yè)機械是大氣污染的重要來源之一[2-6]。拖拉機耗油量大，要進行犁地、土壤耕作、施肥、割草、運輸?shù)雀鞣N農(nóng)業(yè)作業(yè)，是污染最嚴(yán)重的農(nóng)用機械[7]。2019年，全國農(nóng)業(yè)機械排放量中，大中型拖拉機排放的污染物占農(nóng)業(yè)機械總排放量的33.8%，小型拖拉機排放的污染物占農(nóng)業(yè)機械總排放量的23.4%[8]。隨著非道路移動機械保有量不斷增長，其排放污染物問題正受到越來越多的重視。開展合理有效的農(nóng)用拖拉機排放試驗及控制方法對人類的健康和生存環(huán)境有重要意義。

圖1 2011—2020年中國農(nóng)用拖拉機擁有量情況

農(nóng)用拖拉機長期在低速、高負荷狀態(tài)下運行，且使用地區(qū)偏遠，監(jiān)管困難，導(dǎo)致了農(nóng)用拖拉機NOX

（Nitrogen Oxides）和PM（Particulate Matter）等污染物排放情況惡劣[9-11]。雖然目前我國對農(nóng)用機械有相應(yīng)的排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，但其法規(guī)的建立和實施遠遠落后于歐美國家，且研究方法單一，具體參數(shù)主要是在固定運行模式的發(fā)動機測試中獲得的。在實際工況下作業(yè)時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷參數(shù)時有變化，發(fā)動機負荷或速度的突然變化會影響拖拉機的性能參數(shù)，這就造成了農(nóng)用拖拉機排放研究存在許多問題。因此，本項目主要介紹了歐盟、美國和中國農(nóng)用機械的發(fā)展，概括了國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)用拖拉機排放的研究進展，對農(nóng)用機械排放控制技術(shù)進行闡述，提出我國農(nóng)用拖拉機存在的一些問題，為我國農(nóng)用拖拉機排放研究制定更加系統(tǒng)、嚴(yán)謹?shù)难芯糠椒ā?/p>

1 農(nóng)用機械排放法規(guī)

1.1 農(nóng)用機械法規(guī)發(fā)展

農(nóng)業(yè)機械的排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)目前主要分為歐盟和美國兩大體系，這兩種體系都是根據(jù)不同功率段對各種污染物進行排放限制。2004年，歐盟頒布了非道路用柴油機第Ⅲ階段（A和B）和第Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)（2004/26/EC）[12]，并在2010年開始分功率段執(zhí)行實施ⅢB和Ⅳ階段，較歐盟實施的StageⅣ階段，StageⅤ（EU2016/1628）[13]階段增加了小于19 kW功率段和大于560 kW功率段的排放限值，并在19 kW～560 kW功率段增加了對PN數(shù)量的排放限值。美國則是在2014年正式實行非道路Tier4正式階段排放標(biāo)準(zhǔn)，與2008年實行的非道路Tier4過渡階段[14]相比，正式階段各功率PM均降低了90%以上，而CO、NOX、HC的排放限值則沒有什么變化。而我國對于農(nóng)用機械污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的研究起步比較晚，我國農(nóng)用機械排放限值標(biāo)準(zhǔn)主要分為四個階段，其排放法規(guī)GB 20891—2014《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（中國第三、四階段）》[15]主要是參考了歐盟2004/26/EC指令,其中，對于37 kW～560 kW的非道路用柴油機污染物排放限值與歐盟的2004/26/EC指令相同，而對于560 kW以上的非道路用柴油機污染物排放限值則與美國的非道路Tier3階段相同。而就目前中國農(nóng)用拖拉機擁有狀況而言，其排放法規(guī)按照不同功率段進行污染物排放限值的劃分，其中，小型拖拉機趨于飽和，典型功率段75 kW～130 kW的大中型拖拉機則呈現(xiàn)大幅度增長[16]。如圖2所示，隨著法規(guī)的愈加嚴(yán)苛，NOX和PM的排放限值將會越來越嚴(yán)苛。

圖2 中國排放法規(guī)中農(nóng)業(yè)機械PM和HC+NOx排放限值變化（75 kW≤P＜130 kW）

1.2 農(nóng)用機械測試方法

對于農(nóng)用機械，我國目前正采取的是中國非道路第三階段排放限值，根據(jù)發(fā)動機作業(yè)工況的不同，又主要分為臺架試驗和車載試驗[17]。臺架試驗又主要包括穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)（Non-Road Steady-state Cycle，NRSC）和瞬態(tài)試驗循環(huán)（Non-Road Transient Cycle，NRTC），對于非恒定轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機主要采用的是六工況法和八工況法，對于恒定轉(zhuǎn)速下工作的發(fā)動機主要采用的是五工況法，法規(guī)同時還給定了每個測試工況的加權(quán)系數(shù)，以此來確保污染物的采樣時間。對于即將實施的農(nóng)用機械第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)，增加了瞬態(tài)試驗循環(huán)，如圖3所示。由圖3可知，該循環(huán)主要包括1 238 s逐秒變化的瞬態(tài)工況，每個工況通過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速與最小瞬態(tài)性能轉(zhuǎn)速以及對應(yīng)工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速負荷百分比計算出的實際轉(zhuǎn)速和扭矩來確定。該試驗循環(huán)適用于第四階段小于560 kW非恒定轉(zhuǎn)速柴油機排氣污染物的測量。目前，國內(nèi)對于農(nóng)用拖拉機車載排放測試沒有規(guī)定具體試驗規(guī)程，因此，國內(nèi)大多學(xué)者[18]對農(nóng)用拖拉機實際工況下的排放測試，主要分為怠速、行走、作業(yè)三種工況，以此來探究每個工況下農(nóng)用拖拉機的不同排放特性。

圖3 非道路瞬態(tài)循環(huán)中基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨時間變化情況

2 農(nóng)用拖拉機排放控制技術(shù)研究

降低農(nóng)用拖拉機污染物排放是一個系統(tǒng)的問題，主要涉及柴油機燃料和潤滑油的設(shè)計控制技術(shù)、發(fā)動機本體的優(yōu)化設(shè)計、缸內(nèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)以及先進的排氣后處理技術(shù)[19-20]等。因此，隨著排放法規(guī)越來越嚴(yán)苛，必須從系統(tǒng)的角度考慮適合我國國情的排放控制技術(shù)路線。

2.1 替代燃料對排放的影響

生物柴油具有較高的十六烷值，有助于減少柴油機廢氣的排放[21-22]。但是由于生物柴油所使用的生物質(zhì)材料以及混合物的百分比不同，導(dǎo)致其具有不同黏度、密度、水含量以及熱值。研究發(fā)現(xiàn)，生物柴油和生物柴油混合燃料可以減少CO、HC、PM的排放，但是往往會增加CO2和NOX的排放[23-24]。目前國內(nèi)還沒有報道過生物柴油應(yīng)用在農(nóng)用拖拉機整車上的試驗研究，但在柴油機上的應(yīng)用研究具有一定的基礎(chǔ)。國內(nèi)韓紅濤等[25]采用礦物柴油和生物柴油混合燃料對農(nóng)用拖拉機發(fā)動機進行排放特性分析，發(fā)現(xiàn)與石化柴油相比，混合燃料中生物柴油的增加導(dǎo)致CO2和CO排放量減少。在較高負荷下，燃料燃燒更完全，導(dǎo)致CO2排放量的減少小于CO排放量的減少。隨著生物柴油在混合燃料中所占比例的增加，所有運行工況下的排氣溫度降低。在較低的排氣溫度下，NOX排放量仍隨生物柴油用量的增加而增加。國外Simkic等[26]發(fā)現(xiàn)使用生物柴油或其混合燃料都減少了CO的排放，但是增加了CO2和NOX的排放。但是Milan D T等[27]測試了生物柴油、化石柴油和摻入15%、25%、50%和75%生物柴油和化石柴油混合燃料對中功率（37 kW～66 kW）農(nóng)用拖拉機性能和排放性能的影響，當(dāng)加入含15%生物柴油的混合燃料時發(fā)動機功率有所提高。根據(jù)生物柴油在混合燃料中所占份額的不同，所有混合燃料都顯示出比化石柴油更高的比油耗。JE等[28]發(fā)現(xiàn)使用油菜籽油和石化柴油的拖拉機NOX、CO、HC、PM排放量低于法定非道路瞬態(tài)循環(huán)（NRTC）時的排放量。并且以菜籽油為燃料替代柴油，具有減少溫室氣體排放的巨大潛力。與此同時，醚類燃料也被作為一種超潔凈排放替代燃料，其十六烷值比柴油高，自燃溫度比柴油低，滯燃期短，有利于減少NOX排放和降低燃燒噪聲[29-31]。但目前二甲醚的研究還處于起步階段，大規(guī)模的推廣還存在加壓配送體系的建立、發(fā)動機改造、二甲醚非道路用燃料的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的確立等問題需要解決。

2.2 國內(nèi)外排放控制技術(shù)研究進展

目前，國內(nèi)農(nóng)用拖拉機通過機內(nèi)處理技術(shù)和油品技術(shù)即可達到國三的排放限值要求。張賓[32]對一臺國二的東方紅704農(nóng)用拖拉機進行研究，通過對內(nèi)部EGR率的選擇以及噴油正時的優(yōu)化試驗研究，最終使其排放達到了國三的排放標(biāo)準(zhǔn)。謝緯安等[33]對小型農(nóng)用單缸柴油機在不同EGR率下燃用生物柴油的NOX和PM排放特性進行分析，發(fā)現(xiàn)采用EGR技術(shù)能夠明顯改善柴油機的NOX排放量，但同時會引起碳煙排放的增加。通過在柴油中添加生物柴油能夠在一定程度上減少碳煙排放。其中，高負荷、大EGR率條件下的改善最為明顯。總體上，柴油中添加生物柴油與EGR技術(shù)共同作用能夠有效減少柴油機高負荷工況時的顆粒排放總數(shù)量。然而，對于即將實施的國四階段的排放階段標(biāo)準(zhǔn)，則需要采用先進的機外后處理技術(shù)。目前，國內(nèi)對于農(nóng)用拖拉機采取后處理排放控制技術(shù)的研究較少，與歐盟和美國的排放限值標(biāo)準(zhǔn)還存在較大的的差距，而國外對此已經(jīng)展開了一定的研究。Jerzy Merkisz等[34]對一臺配備了廢氣再循環(huán)技術(shù)和氧化催化劑的農(nóng)用拖拉機A和一臺裝有直噴式柴油機組的農(nóng)用拖拉機B進行實際工況下的排放測試，發(fā)現(xiàn)拖拉機A具有更好的生態(tài)特性。拖拉機A耕作時，由于氧化催化劑的效果，CO和HC的濃度降低，且拖拉機A油耗比拖拉機B油耗更低。國外Jacopo Bacenetti等[35]對兩臺相似的農(nóng)用拖拉機分別采用了EGR和SCR兩種減少污染物排放控制技術(shù)進行了農(nóng)業(yè)耕作的比較，發(fā)現(xiàn)裝備了SCR的農(nóng)用拖拉機減少了NOX和顆粒物對環(huán)境的污染。

2.3 國內(nèi)外組合技術(shù)路線

隨著排放法規(guī)越來越嚴(yán)苛，越來越多的單項技術(shù)的組合被運用到農(nóng)用機械污染物的排放控制[36-37]。歐洲傾向于優(yōu)化燃燒+SCR，美國和日本傾向于EGR+DPF。而依據(jù)我國國情及基本工業(yè)的關(guān)系，我國對于國四階段非道路移動用柴油機排放控制基本技術(shù)路線主流將會是優(yōu)化燃燒+SCR和EGR+DPF。雖然優(yōu)化燃燒+SCR對柴油的品質(zhì)要求不高，對柴油機的技術(shù)改進比較少，系統(tǒng)不受發(fā)動機運行工況的影響，但是需要建立配套的尿素供給設(shè)備用來解決尿素供給的問題以及在寒冷地區(qū)尿素由于低溫結(jié)晶失效的問題。而EGR+DPF技術(shù)則需要對柴油機進行技術(shù)改進及設(shè)備的重新標(biāo)定，極其依賴超低硫含量的燃油及高品質(zhì)的潤滑油，增加了開發(fā)成本。

3 實際工況對農(nóng)用拖拉機排放的影響

農(nóng)用拖拉機作業(yè)條件惡劣，工況變化劇烈，流動性大，導(dǎo)致在實際工況下發(fā)動機性能的可變性及排放并不總是在限值范圍內(nèi)[38]。農(nóng)用拖拉機污染物的排放受到環(huán)境特定因素（土壤質(zhì)地、含水量、坡度等）和操作條件（耕地深度、耕作地形等）以及技術(shù)（機器類型和使用年限，是否有減少排放的系統(tǒng)）等方面的影響[39-42]，農(nóng)用機械僅在發(fā)動機測功機上進行排放測試，不能完全反映出農(nóng)用機械的真實排放情況。因此，該如何定義農(nóng)用拖拉機測試工況使其能真實反映其排放情況，還需進一步研究。

國內(nèi)張麗等[42]將農(nóng)用拖拉機分為如表1所示怠速、行走、作業(yè)三種工況進行排放測試，發(fā)現(xiàn)拖拉機在作業(yè)工況下的NO/NOX的比值最高，且對比不同排放標(biāo)準(zhǔn)下油耗的排放因子，發(fā)現(xiàn)農(nóng)用機械在不同工況下的排放因子都呈現(xiàn)下降趨勢。龐凱麗等[43]選取用于田間運輸、旋耕、施肥及秸稈粉碎還田的拖拉機進行實際條件下的排放測試，發(fā)現(xiàn)拖拉機的尾氣排放在行走和作業(yè)時其污染物排放速率高于怠速。拖拉機用途不同，其尾氣排放也有所差異，旋耕機污染物排放速率明顯比田間運輸機、施肥機和秸稈粉碎機高。此外，拖拉機氣體污染物的平均排放速率均隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣壓力的增加而提高。

表1 測試工況說明

國外Natalia Szymlet等[44]對乘用車輛和農(nóng)用拖拉機進行實際工況下的污染物排放對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)農(nóng)用拖拉機達到固體顆粒質(zhì)量排放的最大瞬時值是乘用車行駛過程中記錄到的最大瞬時值的900倍。與乘用車相比，農(nóng)用拖拉機的排放值要高出幾倍。Rashid Gholami等[45]將MF285和U650兩種農(nóng)用拖拉機進行了不同工況下排氣污染物的測量，發(fā)現(xiàn)各工況下測得的排氣和發(fā)動機油溫均高于穩(wěn)態(tài)工況，除CO外，所有排放的氣體都與拖拉機的類型有顯著的關(guān)系。NO排放量會隨著機油溫度的升高而增加。在運行條件下，使用U650比使用MF285在減輕污染方面要好。T.A Gemtos[46]對同一輛農(nóng)用拖拉機進行小麥和玉米的田間作業(yè)時產(chǎn)生的總排放量進行了估算，發(fā)現(xiàn)其作業(yè)時產(chǎn)生相當(dāng)大的排放量，CO排放量遠高于HC和NOX排放量，嚴(yán)重地造成了環(huán)境污染。Koniuszy A等[47]采用間接法對農(nóng)用拖拉機耕作過程中排放的CO2、NOX、HC、CO、PM進行了測定，發(fā)現(xiàn)農(nóng)用拖拉機直接耕作過程和掉頭過程中排放的污染物與拖拉機瞬時排放速率（g/s）和拖拉機的比功率（g/kWh）有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，在土壤耕作過程中用g/s表示的CO2、NOX和HC排放量通常比掉頭過程高出13~15倍，這與土壤直接耕作中燃料的使用顯著增加有關(guān)。以g/kWh表示的CO2、NOX和HC排放的情況下，在土壤耕作過程中，每種廢氣成分只有一個特征，最常見的排放水平位于中小值范圍內(nèi)。Neil McLaughlin等[48]對如表2所示兩種不同土壤性質(zhì)的耕作地進行實際工況下的排放測試，發(fā)現(xiàn)在沙性土壤中，農(nóng)用拖拉機耕作的深度增加，導(dǎo)致其油耗和污染物排放更高。通過適量地抬起耕作農(nóng)機具，可以減少燃料的消耗和污染物的排放。

表2 測試工況說明

4 中國農(nóng)用拖拉機排放存在的問題

1）高原環(huán)境對農(nóng)用拖拉機排放影響研究的缺失。我國高原地區(qū)面積約占國土面積的37%[49]，研究發(fā)現(xiàn)較平原地區(qū)，高原環(huán)境下空氣密度下降，進而會引起柴油機缸內(nèi)燃燒惡化，污染物排放量增加，將直接導(dǎo)致柴油機的經(jīng)濟性、動力性顯著下降[50-51]。然而，對于農(nóng)用拖拉機在高原環(huán)境下的排放研究目前還未見報道，農(nóng)用拖拉機在高原地區(qū)的作業(yè)工況與平原地區(qū)有很大區(qū)別，而且發(fā)動機工作環(huán)境也有很大差別。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，農(nóng)用機械排放控制策略復(fù)雜，而且多針對平原地區(qū)進行標(biāo)定，關(guān)于高原環(huán)境非道路移動源的排放限值及測量方法也沒有出臺。因此，高原山區(qū)農(nóng)用拖拉機能否正常發(fā)揮效能還有待考證。

2）農(nóng)用拖拉機排放控制技術(shù)比較落后，污染嚴(yán)重，缺乏對農(nóng)用機械排放的有效監(jiān)督管理。我國農(nóng)機普遍技術(shù)水平低，使用年限長，維護保養(yǎng)差，燃油消耗高，燃油質(zhì)量差。并且隨著農(nóng)用機械的使用頻率越來越高，其排放污染也變得逐漸嚴(yán)重。

3）柴油機替代燃料問題。石油是一種不可再生能源。因此，生物柴油作為以生物質(zhì)為原料加工而成的有機燃料，是一種優(yōu)質(zhì)的石化柴油的替代品。但是，當(dāng)前生物燃料的生產(chǎn)成本普遍高于普通燃油，生物柴油中含碳量較高，抗氧化安定性差，會造成積碳和結(jié)膠磨損嚴(yán)重以及排煙增大等情況。

5 結(jié)論

1）本項目組主要闡述了國內(nèi)外農(nóng)用拖拉機排放標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)外對于農(nóng)用拖拉機實際工況下的研究和柴油機采用替代燃料對排放影響的研究，以及國內(nèi)外農(nóng)用拖拉機排放控制技術(shù)的研究，總結(jié)出我國對于農(nóng)用拖拉機排放存在的一些問題。

2）農(nóng)用拖拉機進行實際工況下的排放測試，可以有效避免因臺架試驗而造成農(nóng)用拖拉機排放過高或者過低估計；可以了解田間工作階段哪些地方能夠改進，使農(nóng)民認識到他們對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境可持續(xù)性的作用。

3）中國需借鑒國外的排放標(biāo)準(zhǔn)來加強和完善農(nóng)用機械的排放標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有的排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)下逐步完善和改進排放控制技術(shù)，同時，提高新生產(chǎn)農(nóng)用機械的技術(shù)水平。