“國(guó)四”大馬力拖拉機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀及適應(yīng)性改進(jìn)方法

張金輝

（第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南 洛陽(yáng) 471004）

2014 年5 月16 日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布GB 20891—2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第三、四階段）》，2020 年12 月28 日發(fā)布HJ 1014—2020《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》，自2022 年12 月1 日起，所有生產(chǎn)、進(jìn)口和銷售的560 kW 以下（含560 kW）非道路移動(dòng)機(jī)械及其裝用的柴油機(jī)，需符合“國(guó)四”標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。非道路移動(dòng)機(jī)械“國(guó)四”標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行落地，對(duì)37 kW～560 kW 段特別是51.5 kW～147 kW 段（70～200 馬力）農(nóng)用輪式拖拉機(jī)產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)、市場(chǎng)銷售所造成的影響，遠(yuǎn)超“國(guó)三”切換時(shí)代。農(nóng)機(jī)360 點(diǎn)擊數(shù)顯示，2022 年全國(guó)拖拉機(jī)點(diǎn)擊數(shù)為51.76萬(wàn)臺(tái)，2023 年僅為22.09 萬(wàn)臺(tái)，同比下降57.32%。配備非道路“國(guó)四”柴油機(jī)的大馬力拖拉機(jī)，經(jīng)受住了2023 年的市場(chǎng)檢驗(yàn)，逐步得到用戶認(rèn)可。但其獨(dú)特的“國(guó)四”產(chǎn)品新結(jié)構(gòu)、新性能，在上市初期也暴露出了一些明顯問(wèn)題。為更好地滿足用戶的多元化需求，在其后續(xù)的發(fā)展中還需要進(jìn)行持續(xù)性的適應(yīng)性改進(jìn)。

1 “國(guó)四”大馬力拖拉機(jī)的鑒定與上市

1.1 “國(guó)四”大馬力輪式拖拉機(jī)全國(guó)鑒定信息匯總

1.1.1 全國(guó)鑒定數(shù)據(jù)匯總

通過(guò)查詢?nèi)珖?guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定管理服務(wù)信息化平臺(tái)，按照DG/T 001—2019《農(nóng)業(yè)輪式和履帶拖拉機(jī)》鑒定大綱要求完成輪式拖拉機(jī)產(chǎn)品鑒定的機(jī)型中，70 馬力及以上的機(jī)型已有1 580 余款，分別來(lái)自240 家生產(chǎn)制造企業(yè)，其中100 馬力及以上的機(jī)型有1 027款，分別來(lái)自198 家生產(chǎn)制造企業(yè)。

1.1.2 主要制造集群鑒定總量占比

國(guó)內(nèi)主要的四個(gè)拖拉機(jī)產(chǎn)業(yè)集群分別占已完成鑒定的70 馬力及以上的拖拉機(jī)制造廠家數(shù)量及機(jī)型數(shù)量的78.8%和84.4%。其中，以濰坊為中心、以濰柴雷沃為主力的山東拖拉機(jī)產(chǎn)業(yè)集群，占比分別為57.3%、63.7%；以洛陽(yáng)為中心、以中國(guó)一拖為主力的河南拖拉機(jī)產(chǎn)業(yè)集群，占比分別為7.9%、8.1%；以常州東風(fēng)和沃得農(nóng)機(jī)兩大企業(yè)為主的江蘇拖拉機(jī)產(chǎn)業(yè)集群，占比分別為8.3%、9.7%；以寧波為中心、以“野”字頭企業(yè)為主的浙江拖拉機(jī)產(chǎn)業(yè)集群，占比分別為5.4%、2.9%。由此數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著“國(guó)四”時(shí)代的到來(lái)，大馬力拖拉機(jī)制造集群集中化趨勢(shì)更加明顯。

1.2 “國(guó)四”大馬力輪式拖拉機(jī)上市情況

1.2.1 “國(guó)三”拖拉機(jī)上市回顧

非道路移動(dòng)機(jī)械“國(guó)三”標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施過(guò)程分為三個(gè)階段。第一階段，自2015 年10 月1 日起，非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)的制造和銷售須符合要求；第二階段，自2016 年4 月1 日起，除農(nóng)用機(jī)械外的非道路移動(dòng)機(jī)械不得裝用不符合“國(guó)三”標(biāo)準(zhǔn)要求的柴油機(jī)；第三階段，自2016 年12 月1 日起，所有制造、進(jìn)口和銷售的農(nóng)用機(jī)械不得裝用不符合“國(guó)三”標(biāo)準(zhǔn)要求的柴油機(jī)[2]。對(duì)于大馬力拖拉機(jī)來(lái)說(shuō)，“國(guó)二”到“國(guó)三”的變化，主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)性能上，整機(jī)其他系統(tǒng)所涉及的改動(dòng)不大。從2016 年下半年開(kāi)始，各主要制造企業(yè)陸續(xù)在市場(chǎng)上推出了機(jī)型數(shù)量可觀的“國(guó)三”大馬力拖拉機(jī)商品。2017 年，“國(guó)三”農(nóng)機(jī)切換后的第一年，行業(yè)骨干企業(yè)全年大中型拖拉機(jī)銷量為23.15 萬(wàn)臺(tái)，在同比下降30.4%的情況下，“國(guó)三”新機(jī)型商品車仍持續(xù)上市。

1.2.2 “國(guó)四”拖拉機(jī)銷售現(xiàn)狀

非道路移動(dòng)機(jī)械“國(guó)四”標(biāo)準(zhǔn)原計(jì)劃于2020 年12 月1 日實(shí)施，后延期兩年至2022 年12 月1 日?qǐng)?zhí)行。受市場(chǎng)對(duì)“國(guó)四”拖拉機(jī)性能存在擔(dān)憂的影響，2022年“國(guó)三”大馬力拖拉機(jī)市場(chǎng)熱度仍維持在高水平，進(jìn)入下半年更陷入購(gòu)/囤機(jī)熱潮。而與之形成鮮明對(duì)比的是，從2022 年6 月份開(kāi)始，除了幾家頭部制造企業(yè)陸續(xù)向市場(chǎng)小批量投放“國(guó)四”商品車試銷、驗(yàn)證外，其余企業(yè)大多處于觀望態(tài)勢(shì)。截至2022年底，投放并實(shí)現(xiàn)銷售百臺(tái)以上“國(guó)四”大馬力拖拉機(jī)的制造企業(yè)仍不足5 家；到2023 年5 月底，才陸續(xù)有近百家制造企業(yè)完成或已計(jì)劃投放“國(guó)四”大馬力拖拉機(jī)產(chǎn)品，其中市場(chǎng)銷售突破萬(wàn)臺(tái)的有2 家，投放達(dá)到千臺(tái)以上規(guī)模的只有20 多家，行業(yè)位次差異化進(jìn)一步凸顯。現(xiàn)階段，行業(yè)骨干企業(yè)對(duì)“國(guó)四”大中型拖拉機(jī)的銷量同比降低30%左右，整個(gè)行業(yè)全年銷量大比例下滑的態(tài)勢(shì)已難以扭轉(zhuǎn)。

2 “國(guó)四”大馬力拖拉機(jī)使用中的主要技術(shù)路線

通過(guò)對(duì)2023 年上市的“國(guó)四”拖拉機(jī)產(chǎn)品的后處理解決方案進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各主要大中馬力拖拉機(jī)制造廠家為兼顧拖拉機(jī)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)和車輛油耗、動(dòng)能等性能指標(biāo)，在不同馬力段布局上進(jìn)行了有針對(duì)性的選擇[3]。上半年，大體以120 馬力段作為SCR 和EGR技術(shù)路線的分界段：120 馬力以下，以EGR 技術(shù)路線為主；120～140 馬力段，兩種技術(shù)路線同時(shí)存在；140馬力以上，以SCR 技術(shù)路線為主。隨著“國(guó)四”產(chǎn)品逐步批量上市并大規(guī)模應(yīng)用，兩種技術(shù)路線的馬力分界段逐步延伸至160 馬力。下半年，陸續(xù)有廠家推出180馬力甚至200馬力的EGR技術(shù)路線拖拉機(jī)產(chǎn)品。

2.1 EGR+DOC+DPF技術(shù)路線

采用EGR+DOC+DPF 技術(shù)路線的“國(guó)四”拖拉機(jī)，可簡(jiǎn)稱為EGR（廢氣再循環(huán)）機(jī)型，尾氣后處理系統(tǒng)為配套DOC（催化轉(zhuǎn)化器）+DPF（顆粒捕集器）結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。多采用電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、增壓中冷技術(shù)、廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR），通過(guò)優(yōu)化柴油機(jī)燃燒過(guò)程，達(dá)到進(jìn)一步降低污染物排放量的目的，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。在2023 年上半年，以配套的四缸柴油機(jī)居多，兼有配套六缸柴油機(jī)的大馬力兩驅(qū)拖拉機(jī)。

圖1 （EGR）柴油機(jī)后處理典型結(jié)構(gòu)

該技術(shù)路線沒(méi)有尿素劑量系統(tǒng)和氮氧化合物監(jiān)控、轉(zhuǎn)化裝置，結(jié)構(gòu)及控制相對(duì)簡(jiǎn)單。為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，氮氧化合物的排放由發(fā)動(dòng)機(jī)和EGR 控制，通過(guò)降低氧氣的濃度、擴(kuò)大火焰、降低火焰溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)；碳?xì)浠衔锖蚉M 顆粒物分別由DOC 和DPF 控制實(shí)現(xiàn)[5]。DPF 裝置使用壁流式系統(tǒng)，來(lái)捕捉從發(fā)動(dòng)機(jī)排出的碳煙、灰分，滿足PM 的排放要求[6]，如圖2所示。隨著DPF 裝置對(duì)碳煙、灰分等固體顆粒物的捕集，發(fā)動(dòng)機(jī)背壓升高，效率降低，需要通過(guò)周期性或持續(xù)性的高溫燃燒，來(lái)維持發(fā)動(dòng)機(jī)低背壓，提高工作效率[7]。

圖2 DPF工作原理

2.2 DOC+DPF+SCR技術(shù)路線

采用DOC+DPF+SCR 技術(shù)路線的“國(guó)四”拖拉機(jī)，可簡(jiǎn)稱為SCR（選擇性催化還原）機(jī)型，尾氣后處理系統(tǒng)為配套DOC（催化轉(zhuǎn)化器）+DPF（顆粒捕集器）+SCR（選擇性催化還原）結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。相較于EGR 機(jī)型，該技術(shù)路線相對(duì)復(fù)雜，增加了SCR系統(tǒng)及相關(guān)配套裝置[8]。SCR 系統(tǒng)主要由尿素噴射控制單元、尿素泵、尿素噴嘴、尾氣處理器、尿素箱、尿素管及傳感器等元件組成。利用尿素噴射控制單元，控制尿素泵從尿素箱中汲取尿素水溶液，根據(jù)尾氣中的氮氧化合物量，通過(guò)尿素噴嘴在排氣管中精準(zhǔn)噴射霧化后的尿素水溶液，在催化器的作用下發(fā)生還原反應(yīng)，最終將氮氧化合物還原成氮?dú)夂退甗9]。

圖3 （SCR）柴油機(jī)后處理典型結(jié)構(gòu)

尿素箱系統(tǒng)主要由膨脹箱體、尿素加注口、尿素泵總成、通氣口及相關(guān)管路等元件組成，如圖4 所示。尿素泵總成為動(dòng)力系統(tǒng)，內(nèi)部集成尿素泵、壓力傳感器、回抽泵、過(guò)濾器、加熱器（布置在尿素通道周圍）、溫度傳感器等元件，為尿素噴嘴提供壓力穩(wěn)定的尿素溶液。尿素噴嘴總成由尿素噴嘴和冷卻套組成，是將尿素溶液霧化并定量將尿素溶液噴入排氣管中的執(zhí)行元件。為使尿素水溶液具有較好的液體流動(dòng)性，尿素箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多個(gè)溫度監(jiān)測(cè)元件及加熱功能裝置。當(dāng)外界溫度過(guò)低，導(dǎo)致尿素管路溫度低于-7 ℃時(shí)，管路系統(tǒng)加熱一個(gè)時(shí)間標(biāo)定量（1 h），使管路保持良好狀態(tài)。當(dāng)尿素箱內(nèi)的溫度低于-7 ℃時(shí)，會(huì)通過(guò)箱體內(nèi)的加熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱，至溫度高于10 ℃后，停止加熱。當(dāng)尿素泵腔溫度低于-7 ℃時(shí)，在腔體內(nèi)進(jìn)行全負(fù)荷加熱；當(dāng)溫度為-7 ℃～20 ℃時(shí)，進(jìn)行部分負(fù)荷加熱；當(dāng)溫度高于20 ℃時(shí)，停止加熱。

圖4 尿素箱典型結(jié)構(gòu)

2.3 “國(guó)四”拖拉機(jī)產(chǎn)品不同路線的實(shí)際應(yīng)用

對(duì)于“國(guó)四”拖拉機(jī)，需要加注符合GB 19147—2016《車用柴油》的車用柴油，CJ-4 及以上級(jí)別的柴油機(jī)機(jī)油，SCR 路線產(chǎn)品還需加注符合GB 29518—2013《柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物還原劑 尿素水溶液（AUS 32）》的尿素水溶液（濃度為32.5%）。油品差的柴油及CJ-4 以下級(jí)別的機(jī)油，會(huì)導(dǎo)致后處理加速老化、失效，如DOC 催化劑表面積累大量的含硫物質(zhì)從而失去活性、DPF 堵塞造成車輛動(dòng)力不足等故障。不合格的尿素水溶液會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)限扭、限速，尿素泵、尿素噴嘴堵塞，甚至造成SCR 催化劑的永久性中毒、催化轉(zhuǎn)化效率下降等故障。

通過(guò)對(duì)7 800 余臺(tái)“國(guó)四”拖拉機(jī)車輛（70～240 馬力段）的農(nóng)忙作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，發(fā)現(xiàn)車輛最長(zhǎng)工作小時(shí)數(shù)為2 172 h，500 h以上的車輛占比9.8%，200 h以上的車輛占比56.7%。在所有報(bào)修的非發(fā)動(dòng)機(jī)故障中，特別是對(duì)前240 h 作業(yè)時(shí)間內(nèi)的故障維修數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與“國(guó)四”后處理系統(tǒng)直接相關(guān)的進(jìn)氣系統(tǒng)及中冷器系統(tǒng)故障占比7.22%、電器類故障占比11.66%，與“國(guó)三”產(chǎn)品相比均有一定的增長(zhǎng)，但整體表現(xiàn)不突出，且相關(guān)故障類型在2023 年下半年的車輛作業(yè)過(guò)程中均有大幅下滑。隨著“國(guó)四”標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)推廣及農(nóng)忙作業(yè)季拖拉機(jī)的大范圍應(yīng)用，市場(chǎng)已逐步接受“國(guó)四”拖拉機(jī)所獨(dú)有的特殊性——與“國(guó)三”不同的尾氣后處理系統(tǒng)。EGR 技術(shù)路線相較于SCR 技術(shù)路線，有著后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、不需要配備尿素系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。相較于“國(guó)三”產(chǎn)品在油耗與功率轉(zhuǎn)化方面的突出表現(xiàn)，當(dāng)前的“國(guó)四”技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)仍會(huì)存在一定的差距，特別是EGR 技術(shù)路線在大馬力四驅(qū)產(chǎn)品上的應(yīng)用[10]，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，“國(guó)四”技術(shù)未來(lái)可期。

3 結(jié)語(yǔ)

2023 年是非道路“國(guó)四”標(biāo)準(zhǔn)切換后的第一年，受“國(guó)四”農(nóng)機(jī)產(chǎn)品整機(jī)價(jià)格提高、使用維護(hù)成本增加以及“國(guó)二”與“國(guó)三”農(nóng)機(jī)社會(huì)保有量大等因素的影響，用戶購(gòu)機(jī)更趨于理性需求，農(nóng)機(jī)市場(chǎng)需求出現(xiàn)較大程度的調(diào)整，加快形成以用戶的農(nóng)機(jī)作業(yè)需求為導(dǎo)向的優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也更趨規(guī)范有序。

隨著我國(guó)“農(nóng)機(jī)應(yīng)用補(bǔ)貼試點(diǎn)”“農(nóng)機(jī)研發(fā)制造推廣應(yīng)用一體化試點(diǎn)”等政策的推出，以及“工廠條件審核”“優(yōu)機(jī)優(yōu)補(bǔ)”等條例的實(shí)施，將進(jìn)一步促進(jìn)、催化農(nóng)機(jī)行業(yè)集中度的快速提升。隨著土地種植經(jīng)營(yíng)規(guī)模化、集約化的快速發(fā)展，規(guī)模化的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體（企業(yè)、合作社及種植大戶）更青睞于能夠提供成套現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)裝備解決方案的農(nóng)機(jī)研發(fā)、制造企業(yè)，用以滿足其“全程全面機(jī)械化”的作業(yè)需求。在行業(yè)內(nèi)，對(duì)于具備綜合競(jìng)爭(zhēng)能力的頭部、重點(diǎn)企業(yè)，其在關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，特別是在根據(jù)用戶對(duì)不同農(nóng)機(jī)作業(yè)馬力段、機(jī)型配置的實(shí)際需求，持續(xù)加大區(qū)域適應(yīng)性新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及推廣能力上，更具備產(chǎn)品和市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。今后的農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策趨勢(shì)已逐漸明朗清晰，逐步解決區(qū)域內(nèi)農(nóng)機(jī)保有量明顯過(guò)多的問(wèn)題，降低技術(shù)水平相對(duì)落后的輪式拖拉機(jī)等農(nóng)機(jī)具品目的補(bǔ)貼額，轉(zhuǎn)而重點(diǎn)支持農(nóng)業(yè)機(jī)械化薄弱環(huán)節(jié)的趨勢(shì)更加明顯，傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)銷售市場(chǎng)也必將隨之經(jīng)歷一輪深刻的調(diào)整，直至滿足用戶的多元化需求。