朱水雄

（中國船級社溫州辦事處，浙江 325000）

0 引言

在柴油機(jī)生產(chǎn)廠家臺架試驗(yàn)中符合MARPOL公約附則VI第13條規(guī)定的NOx排放極限要求的船用柴油機(jī)，將由柴油機(jī)檢驗(yàn)的船級社根據(jù)各船旗國要求頒發(fā)前期證書（EIAPP）及NOx技術(shù)案卷。該柴油機(jī)安裝上船經(jīng)過系泊與航行試驗(yàn)，驗(yàn)證該柴油機(jī)在安裝上船后的任何改裝或調(diào)整仍是否符合附則VI規(guī)定的NOx排放要求。作為船舶初次檢驗(yàn)的一部分將被授予海上船舶防止空氣污染證書（IAPP）。在船舶柴油機(jī)服務(wù)期內(nèi)，需要定期進(jìn)行年度檢驗(yàn)，中間檢驗(yàn)，換證檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)柴油機(jī)在使用中或經(jīng)改裝后或調(diào)整后是否符合NOx排放極限要求。初次發(fā)證檢驗(yàn)、年度檢驗(yàn)、中間檢驗(yàn)、換證檢驗(yàn)按照附則VI的要求，根據(jù)實(shí)際情況，可以應(yīng)用柴油機(jī)參數(shù)檢驗(yàn)法、NOx簡化測量法和NOx整體測量法之一進(jìn)行。

1 柴油機(jī)參數(shù)檢查方法

柴油機(jī)參數(shù)檢查方法就是利用柴油機(jī)參數(shù)驗(yàn)證某一構(gòu)件及其調(diào)整和操作值沒有偏離柴油機(jī)NOx技術(shù)案卷的技術(shù)要求，以確定根據(jù)制造廠的技術(shù)要求進(jìn)行了正確調(diào)整的柴油機(jī)可調(diào)特性在柴油機(jī)NOx技術(shù)案卷所規(guī)定的許可范圍內(nèi)。

參數(shù)檢查法的檢查步驟如下：

1）對柴油機(jī)參數(shù)進(jìn)行文件檢查，并包括柴油機(jī)參數(shù)的記錄簿檢查以及驗(yàn)證柴油機(jī)參數(shù)在柴油機(jī)NOx技術(shù)案卷規(guī)定的許可范圍之內(nèi)。

2）對柴油機(jī)構(gòu)件及可調(diào)性進(jìn)行實(shí)際檢查。參照文件檢查的結(jié)果，驗(yàn)證柴油機(jī)可調(diào)特性在柴油機(jī)NOx技術(shù)案卷所規(guī)定的許可范圍內(nèi)。

為完成上述檢查目的，對于需要按參數(shù)檢查法檢查的柴油機(jī)，船東或船舶負(fù)責(zé)人須在船上保存下列相關(guān)的船上NOx核實(shí)程序文件：

1）與柴油機(jī)的任何指定構(gòu)件進(jìn)行改裝相關(guān)的技術(shù)文件。修正和調(diào)整的柴油機(jī)參數(shù)包括：噴油定時，噴油嘴，噴油泵，燃油凸輪，共軌系統(tǒng)的噴油壓力，燃燒室，壓縮比，渦輪增壓器型式和構(gòu)造，充氣冷卻器和充氣預(yù)熱器，閥定時，“水噴射”型NOx抑制設(shè)備，“乳化燃油”（燃油水乳化）型NOx抑制設(shè)備，“廢氣再循環(huán)”型NOx抑制設(shè)備，“選擇性催化還原”型NOx抑制設(shè)備等。

2）有關(guān)柴油機(jī)構(gòu)件及其調(diào)整所引起的柴油機(jī)參數(shù)變化記錄薄。

3）有關(guān)柴油機(jī)制造廠提交并經(jīng)船級社認(rèn)可的柴油機(jī)的指定構(gòu)件的文件，調(diào)整的柴油機(jī)參數(shù)清單，以及有關(guān)隨載荷而定的柴油機(jī)工作值的文件。

2 簡化測量方法

2.1 排氣成分濃度測量

文獻(xiàn)[2]中提出的排氣流量，即NOx比排放計算方法不需測量排氣中CO2成分濃度。在此方法基礎(chǔ)上，忽略CO、HC成分的近似計算所造成的計算結(jié)果誤差很小，相對于實(shí)船測試的允許誤差是可以接受的。這樣，如果采用忽略CO、HC成分的排氣簡化測試方案，實(shí)船測試中就只需要測量NOx和O2兩種排氣成分濃度參數(shù)，這為便攜式氣體分析儀選用提供了可能。

MARPOL公約附則VI規(guī)定NOx和O2的測量原理分別為：NOx測量采用加熱化學(xué)發(fā)光分析儀（CLD）；O2測量采用順磁性分析儀（PMD）、二氧化鋯型分析儀(ZrO2)或電化學(xué)型（ECS）[1]。二氧化鋯型分析儀可以同時測量O2濃度和NOx濃度，二氧化鋯型分析儀的良好性能在船上測量得到了驗(yàn)證[3]。實(shí)船測試表明，二氧化鋯型氣體分析儀在船上強(qiáng)烈振動的環(huán)境下同樣具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，而且不受排氣中含硫量的影響，這點(diǎn)對于使用重油的船舶柴油機(jī)尤其重要。而且二氧化鋯型分析儀具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單、易于維護(hù)的特點(diǎn)，耐600℃高溫、不需單獨(dú)的外接取樣系統(tǒng)，耐振動、沖擊，不受CO2、SO2、NOx等氣體干擾。二氧化鋯分析儀不僅滿足附則VI的技術(shù)要求，而且適用于船上排放測試的使用環(huán)境和條件。根據(jù)排氣成分簡化測試方案，排氣組分濃度測量可以考慮采用帶二氧化鋯傳感器的NOx-O2型氣體分析儀。

2.2 油耗測量

“NOx簡化測量法”中，對油耗量測量精度要求相對較低。對于柴油機(jī)燃油系統(tǒng)沒有安裝合適流量計的船舶，按照附則VI中“技術(shù)規(guī)則”6.3.1.4節(jié)規(guī)定，可以參照柴油機(jī)NOx排放前期發(fā)證檢驗(yàn)時臺架試驗(yàn)的油耗測量結(jié)果[1]。但是，由于試驗(yàn)燃油的品質(zhì)（如凈熱值等）、環(huán)境條件等不同，應(yīng)對燃油消耗進(jìn)行修正，按照ISO 8217的修正方法進(jìn)行修正。

實(shí)船測試中，油耗測量適合采用容積式流量計，如新型的UF-II流量計和LLT雙轉(zhuǎn)子流量計[4]。為了滿足NOx排放實(shí)船測試中油耗測量要求，建議船舶建造時在燃油系統(tǒng)中安裝合適的流量計測量單元。

2.3 有效功率測量

對于沒有安裝扭矩儀光軸的主柴油機(jī)，直接測量扭矩有困難?！癗Ox簡化測量法”中，按照附則VI“技術(shù)規(guī)則”6.3.1.3節(jié)規(guī)定，可以采用經(jīng)柴油機(jī)制造廠推薦并經(jīng)船級社認(rèn)可的其他方法來計算柴油機(jī)有效功率。如果是新船試航時的確認(rèn)檢驗(yàn)，可以利用臺架試驗(yàn)或試車實(shí)驗(yàn)時得到的柴油機(jī)有效輸出功率的經(jīng)驗(yàn)公式或試驗(yàn)曲線，如：主機(jī)輸出功率計算表、發(fā)動機(jī)額定燃油消耗率(SFOC)曲線等，計算得到柴油機(jī)的有效功率。如果船舶營運(yùn)一段時間后所進(jìn)行的定期檢驗(yàn)和期間檢驗(yàn)，則可以利用示功圖的方法，測取柴油機(jī)的p-V或p-φ示功圖，計算出發(fā)動機(jī)的指示功率，然后利用發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率曲線，求出發(fā)動機(jī)的有效功率。

對于安裝扭矩儀光軸的主柴油機(jī)，可以采用扭矩儀法，利用船上固定安裝的或是測試單位臨時安裝的扭矩儀來進(jìn)行有效功率測量。

3 整體測量方法

3.1 試航時進(jìn)行測試的可行性探討

3.1.1 測試的必要性

圖1 船—槳—功率曲線

附則VI中規(guī)定，按推進(jìn)特性運(yùn)行的船舶主柴油機(jī)以E3循環(huán)模式進(jìn)行試驗(yàn)。而船舶在運(yùn)營過程中，船體上油漆層逐漸脫落、船體鋼板不斷腐蝕以及海洋生物的附著將使得船體摩擦阻力和摩擦伴流增大。在船的整個使用期中，總阻力可能增加25%～50%。同時，螺旋槳表面可能變得粗糙和污損，海況、風(fēng)和流也將使阻力增加。船舶因受載狀況不同而引起吃水差異，這也將使得船舶阻力發(fā)生變化?？紤]到上述這些情況，船舶航行最大阻力可能比靜水船總阻力增加50%～100%。從圖1[2]可以看出，船舶在營運(yùn)過程中，不同的服務(wù)狀態(tài)下，盡管推進(jìn)特性線變化不大，但由于曲線斜率較大，柴油機(jī)相同轉(zhuǎn)速、不同推進(jìn)特性線下的功率卻變化較大。NOx排放實(shí)船測試中，盡管主機(jī)轉(zhuǎn)速容易穩(wěn)定在要求轉(zhuǎn)速下，然而由于測試轉(zhuǎn)速下的推進(jìn)特性功率不同，會引起NOx排放測試誤差。因此，有必要考慮在試航時安排NOx排放測試。

3.1.2 測試的可行性

運(yùn)營中的船舶在5年的換證檢驗(yàn)周期內(nèi)必須完成兩次塢修，塢修之后船舶需要進(jìn)行試航試驗(yàn)，因此，正好可以利用船舶塢修之后的試航機(jī)會進(jìn)行NOx排放測試。這樣NOx排放測試不會造成船期損失，給船東帶來額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

試航時船舶處于良好的海況，塢修后船體狀況清潔光滑，船體摩擦阻力最小。同時可以通過壓載的方法來調(diào)節(jié)船舶吃水，故試航時按推進(jìn)特性運(yùn)行的主柴油機(jī)可以達(dá)到相對一致的運(yùn)行推進(jìn)特性，此時測試的工況誤差最小，從而減少由此引起的NOx排放誤差。

3.2 試驗(yàn)循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)探討

3.2.1 船舶主柴油機(jī)選型中的功率儲備

船舶設(shè)計室先根據(jù)船型、設(shè)計船速、凈噸位和設(shè)計吃水等船舶特性，確定螺旋槳功率。該螺旋槳功率為不帶海況儲備的、船體清潔的、在平靜海面和良好天氣條件下的船舶試航功率，即螺旋槳設(shè)計功率。試航狀態(tài)下的螺旋槳設(shè)計功率確定后，考慮海況儲備、螺旋槳的輕槳運(yùn)行儲備、發(fā)動機(jī)儲備，確定主機(jī)的參考約定最大持續(xù)功率，即圖2中CMCR點(diǎn)功率，其中橫縱坐標(biāo)的轉(zhuǎn)速和功率值均為對數(shù)百分?jǐn)?shù)[1]。

發(fā)動機(jī)儲備、海況儲備和輕槳運(yùn)行儲備的意義如下：

1）海況儲備。為了保持給定的船舶在平均服務(wù)海況下所需的功率（圖2中D點(diǎn)）相對于良好海況下（圖2中A點(diǎn)）所需功率增加的部分。該儲備取決于船東和租船公司的期望、船舶航線、季節(jié)和船期。一般平均海況儲備定為約15%試航功率（圖2）。

圖2 船舶主機(jī)選型及運(yùn)行區(qū)域示意圖

2）發(fā)動機(jī)運(yùn)行儲備。大多數(shù)船東指定船舶合同服務(wù)航速對應(yīng)的主機(jī)功率為85%～90% CMCR。余下的10%～15%功率可用于快速航行或滿足較長的塢修周期的需要。該儲備稱為發(fā)動機(jī)運(yùn)行儲備，通常由CMCR減額得出。

3）輕槳運(yùn)行儲備。試航特性線（圖2中曲線AB）與標(biāo)定螺旋槳特性曲線之間應(yīng)該留有3%～7%螺旋槳輕槳運(yùn)行儲備（圖2中為3.5%）。其目的是，當(dāng)不利航行條件下需要獲得全功率時，柴油機(jī)有足夠的扭矩儲備，使主機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)保持在允許范圍內(nèi)。輕槳運(yùn)行儲備一般為經(jīng)驗(yàn)值，該值隨不同的船型、航速、塢修周期以及營運(yùn)航線而變化。

從船舶主柴油機(jī)選型中的功率儲備情況可以看出，試航時船舶處于試航狀況，船舶主機(jī)運(yùn)行在無海況螺旋槳曲線上（圖2中曲線AB），與標(biāo)定螺旋槳曲線間存在輕槳運(yùn)行儲備，標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的功率存在發(fā)動機(jī)運(yùn)行儲備。

3.2.2 實(shí)船測試循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)探討

附則VI中規(guī)定的D2、E2和E3試驗(yàn)循環(huán)模式的測試工況，實(shí)船測試中都難以滿足。發(fā)電柴油機(jī)和定速運(yùn)轉(zhuǎn)的推進(jìn)柴油機(jī)隨著使用壽命的延長，其柴油機(jī)的技術(shù)狀況變差，進(jìn)而難以達(dá)到100%標(biāo)定轉(zhuǎn)速和100%標(biāo)定功率的試驗(yàn)工況。柴油機(jī)NOx排放與其運(yùn)行工況密切相關(guān)，測試工況偏差會引起NOx排放測試偏差。因此，有必要針對實(shí)船測試的實(shí)際情況擬定相應(yīng)的試驗(yàn)循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)。

試航時船舶主機(jī)運(yùn)行在試航工況曲線上（如圖曲線AB），因此可以考慮取15%的發(fā)動機(jī)運(yùn)行儲備，此時試航工況曲線上63%、80%、91%和100%標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況可作為實(shí)船NOx排放測試的循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)。這樣，試航時進(jìn)行實(shí)船測試就容易達(dá)到或接近該要求的循環(huán)工況，測試工況偏差較小，由此產(chǎn)生的NOx排放偏差也就較小。

3.3 燃油誤差修正

實(shí)船測試中允許柴油機(jī)試驗(yàn)中使用RM級（1996，ISO8217）重油。由于燃油與氮和燃油的點(diǎn)火性能可能影響柴油機(jī)的NOx排放，故需要對因測試使用的燃油和要求使用的燃油之間標(biāo)準(zhǔn)不一致而造成的NOx排放誤差進(jìn)行修正。

3.4 工況誤差修正

由于選型時柴油機(jī)運(yùn)行儲備取值不同，且試航時受不良海況的影響。盡管前面提出了新的試驗(yàn)循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)，但試航時柴油機(jī)運(yùn)行工況曲線與該標(biāo)準(zhǔn)下的工況曲線仍然存在偏差，該偏差甚至可能較大。如果工況偏差較大，則應(yīng)該考慮進(jìn)行NOx排放的工況誤差修正。

4 結(jié)語

船舶柴油機(jī)NOx排放實(shí)船測試是一項(xiàng)理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的復(fù)雜工作，文中針對實(shí)船測試的特點(diǎn)和要求，探討了各主要測量參數(shù)的測量方法，以及選擇了推進(jìn)特性運(yùn)行的船舶主柴油機(jī)的試驗(yàn)循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)。文中提出了在船舶試航時進(jìn)行NOx排放測試，并以試航工況曲線為基礎(chǔ)建立相應(yīng)的試驗(yàn)循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn)，提出的NOx排放實(shí)船測試方法切實(shí)可行。

[1]國際海事組織修訂73/78防污公約綜合文本[S].中國船級社譯.北京:人民交通出版社,2007.

[2]尹自斌,吳桂濤,孫培廷.船舶柴油機(jī)NOx比排放計算方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報,2005,5(4).

[3]劉永長.內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.

[4]內(nèi)克魯特.船舶水動力學(xué)[M].咸培林譯.上海:上海交通大學(xué)出版社,1997.