賈建雄，張世恒，王忠俊

(1.中國船級社 浙江分社，浙江 寧波 315000；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

國際航行船舶發(fā)動機(jī)均采用《MARPOL73/78公約》[1]附則VI規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，即IMO標(biāo)準(zhǔn)體系(以下稱為《IMO標(biāo)準(zhǔn)》)，而各締約國對航行在其轄區(qū)內(nèi)的船舶的船機(jī)排放要求不盡相同。長期以來，中國國內(nèi)航行船舶法規(guī)體系采用IMO標(biāo)準(zhǔn)體系，即針對130 kW及以上的船機(jī)進(jìn)行排放污染物管控[2]。此標(biāo)準(zhǔn)體系較美國、歐盟等標(biāo)準(zhǔn)比較寬松、控制對象窄。根據(jù)國家打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的部署，為落實(shí)《中華人民共和國大氣污染防治法》制定的GB 15097—2016《船舶發(fā)動機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》[3](以下簡稱《國標(biāo)》)將在國內(nèi)全面強(qiáng)制實(shí)施，涵蓋了37 kW至單缸排量小于30 L的船機(jī)，在適用范圍、控制對象、限值體系、修正系數(shù)等方面與《IMO標(biāo)準(zhǔn)》體系存在諸多差異，現(xiàn)對其與《IMO標(biāo)準(zhǔn)》就船機(jī)排氣污染物控制的實(shí)施差異予以分析，供船舶發(fā)動機(jī)制造、檢測和檢驗(yàn)相關(guān)法借鑒。

1 適用范圍和要求的差異性分析

1.1 適用范圍

《IMO標(biāo)準(zhǔn)》適用于輸出功率超過130 kW的非應(yīng)急柴油機(jī)(或經(jīng)過重大改裝的柴油機(jī))?！秶鴺?biāo)》適用于額定凈功率大于37 kW至單缸排量小于30 L的內(nèi)河船、沿海船、江海直達(dá)船、海峽[渡]船和漁船裝用的船機(jī)，適用范圍擴(kuò)大到了低功率船機(jī)，見表1。

表1 《IMO標(biāo)準(zhǔn)》與《國標(biāo)》使用范圍與要求比較

1.2 控制對象

《IMO標(biāo)準(zhǔn)》的控制對象只有氮氧化物(NOx)；《國標(biāo)》控制對象除了NOx，還有一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和顆粒物(PM)，控制對象有所擴(kuò)寬。

1.3 排放認(rèn)可和取證要求

單臺船機(jī)在進(jìn)行前期發(fā)證檢驗(yàn)以獲得主管機(jī)關(guān)(或授權(quán)組織)的柴油機(jī)國際防止空氣污染證書(EIAPP證書)前，應(yīng)進(jìn)行型式檢驗(yàn)以獲得系族(組)的EIAPP證書。型式檢驗(yàn)主要包括按照批準(zhǔn)大綱進(jìn)行基于臺架試驗(yàn)的排放試驗(yàn)、試驗(yàn)結(jié)果核查和技術(shù)案卷建立、取證等幾個(gè)階段?！禝MO標(biāo)準(zhǔn)》采用的試驗(yàn)循環(huán)為C1、D2、E2、E3，目前其執(zhí)行NOx排放限值是IMO TierⅡ。型式試驗(yàn)滿意并獲得系族EIAPP后，再在船機(jī)安裝上船前應(yīng)進(jìn)行前期發(fā)證檢驗(yàn)，以確定具體單臺機(jī)在裝船前符合規(guī)則要求，檢驗(yàn)合格后獲得單機(jī)EIAPP證書。

《國標(biāo)》要求較高，其要求應(yīng)保證船機(jī)在規(guī)定的有效壽命期內(nèi)，排氣污染物排放符合限值要求。具體要求是在型式試驗(yàn)階段前，在檢測機(jī)構(gòu)的有效監(jiān)督下，首先對某一類機(jī)型完成耐久試驗(yàn)，并確定裂化系數(shù)(或劣化修正值)；之后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系族(組)源機(jī)的型式試驗(yàn)，型式試驗(yàn)滿意并獲得系族EIAPP。國標(biāo)的試驗(yàn)循環(huán)與《IMO標(biāo)準(zhǔn)》基本一致，排放限值差別較大。

2 控制指標(biāo)與限值體系的差異性分析

2.1 控制指標(biāo)和試驗(yàn)用油差異

《IMO標(biāo)準(zhǔn)》的控制指標(biāo)是NOx，而《國標(biāo)》的控制指標(biāo)包括CO、HC+NOx、CH4(僅適用于NG船機(jī))、PM，《國標(biāo)》對確定各項(xiàng)指標(biāo)的分析儀的技術(shù)要求與《IMO標(biāo)準(zhǔn)》相同，新增PM檢測儀配備要求見表2。按照《IMO標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行型式試驗(yàn)的燃油標(biāo)準(zhǔn)是使用ISO8217，2005中規(guī)定的具有適合柴油機(jī)類型的DM級船用燃料，而國標(biāo)要求的試驗(yàn)用燃油較前者更苛刻，增加了十六烷值要求、40 ℃下的黏度改為20 ℃下密度，硫含量要求≤10 mg/kg等。

表2 《IMO標(biāo)準(zhǔn)》與《國標(biāo)》分析儀要求比較

2.2 限值的差異

《IMO標(biāo)準(zhǔn)》與《國標(biāo)》對排放限值要求做了詳盡介紹?！秶鴺?biāo)》第一階段技術(shù)內(nèi)容主要參照歐盟對船機(jī)第一階段的排放控制要求和美國EPA對內(nèi)河船機(jī)第二階段的排放控制要求，《國標(biāo)》第二階段的排放限值要求和對船機(jī)大修后的要求參照了美國第三階段的排放控制水平?！秶鴺?biāo)》與國外內(nèi)陸水域船機(jī)現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的比較，文獻(xiàn)[4]從適用范圍、排放限值和試驗(yàn)循環(huán)等方面進(jìn)行了分析，得出了《國標(biāo)》第一、二階段限值在國際上所處的水平。

《IMO標(biāo)準(zhǔn)》的限值指標(biāo)是以轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，《國標(biāo)》限值指標(biāo)是以發(fā)動機(jī)單缸排量為基準(zhǔn)。以2款機(jī)型為例對比NOx的限值差異，見表3?！秶鴺?biāo)》HC+NOx限值指標(biāo)為7.2 g/(kW·h)，該發(fā)動機(jī)實(shí)際測試HC為0.28 g/(kW·h)，扣除該計(jì)算值，對NOx排放滿足小于6.92 g/(kW·h)才能算合格；而依照《IMO標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算出來的氮氧化物NOx限值為7.85 g/(kW·h)，兩者相差約1 g/(kW·h)，如果該機(jī)碳?xì)浠衔锱欧庞刑岣撸瑒t相差更大，《國標(biāo)》限值更為苛刻。某6300型柴油機(jī)若按照《國標(biāo)》進(jìn)行排放檢測，則屬于第2類船機(jī)，其各項(xiàng)指標(biāo)限值CO為5.0 g/(kW·h)，HC+NOx為11.0 g/(kW·h)，PM為0.5 g/(kW·h)。單純考慮NOx限值，由于該機(jī)實(shí)測碳?xì)浠衔餅?.18 g/(kW·h)，扣除該值，則NOx排放滿足小于9.82 g/(kW·h)才能算合格；若按照《IMO標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行排放檢測，則NOx排放限值為9.6 g/(kW·h)。因此,《國標(biāo)》限值略微高于《IMO標(biāo)準(zhǔn)》限值，兩者相差不大。

表3 實(shí)證法比較限值的差異

2.3 試驗(yàn)結(jié)果評判差異

在執(zhí)行《IMO標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行排放型式試驗(yàn)和結(jié)果評判時(shí)，僅針對現(xiàn)場測試結(jié)果與規(guī)則要求的NOx排放進(jìn)行比較，即僅需直接針對系族(組)源機(jī)按照船級社批準(zhǔn)的試驗(yàn)大綱進(jìn)行型式試驗(yàn)，若得出的NOx總加權(quán)排放量滿足限值要求，則評判合格，船級社給相應(yīng)系族(組)的船機(jī)頒發(fā)排放認(rèn)可證書。

執(zhí)行《國標(biāo)》進(jìn)行型式試驗(yàn)和結(jié)果評判時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)考慮源機(jī)的劣化系數(shù)指標(biāo)。首先應(yīng)確定劣化系數(shù)(或劣化修正值)，再將型式試驗(yàn)得出的CO、HC、NOx和PM總加權(quán)比排放量，乘以事先取得的劣化系數(shù)(安裝排氣后處理系統(tǒng)的船機(jī))，或加上事先取得的劣化修正值(未安裝排氣后處理系統(tǒng)的船機(jī))，若得出的結(jié)果滿足限值要求則評判合格，船級社給相應(yīng)系族(組)的船機(jī)頒發(fā)系族(組)排放認(rèn)可證書。

3 NOx修正系數(shù)差異辨析

《IMO標(biāo)準(zhǔn)》和《國標(biāo)》均規(guī)定NOx溫度和濕度修正計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件：參考溫度為25 ℃時(shí)濕度為10.71 g/kg。在進(jìn)行發(fā)動機(jī)排放測試時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度會因季節(jié)、天氣等因素與標(biāo)準(zhǔn)要求存在較大差異。由于NOx排放與環(huán)境大氣條件有關(guān)，因此，在非標(biāo)條件下進(jìn)行排放測試時(shí)，NOx排放質(zhì)量流量計(jì)算所使用的NOx質(zhì)量濃度必須用濕度修正系數(shù)進(jìn)行修正，然后根據(jù)所得排放質(zhì)量流量和相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)求出加權(quán)后的NOx排放值。2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的修正系數(shù)存在差異。

目前滿足現(xiàn)行排放控制法規(guī)的柴油機(jī)基本上為帶中間冷卻器的增壓柴油機(jī)，現(xiàn)僅以增壓中冷柴油機(jī)為例，分析《IMO標(biāo)準(zhǔn)》與《國標(biāo)》NOx修正系數(shù)差異。

3.1 NOx修正系數(shù)公式的差異

1)《IMO標(biāo)準(zhǔn)》的修正系數(shù)KH為

(1)

2)《國標(biāo)》規(guī)定的修正系數(shù)KH為

(2)

3.2 修正系數(shù)考慮因素的差異

《IMO標(biāo)準(zhǔn)》和《國標(biāo)》的修正系數(shù)首先都考慮了進(jìn)氣的溫濕度條件(見表4)，進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣濕度對柴油機(jī)的燃燒和排放均有較大影響，并且進(jìn)氣濕度越大，影響也越大[5]。

表4 《IMO標(biāo)準(zhǔn)》與《國標(biāo)》NOx修正系數(shù)考慮因素比較

另外《IMO標(biāo)準(zhǔn)》考慮了船機(jī)在運(yùn)行過程中關(guān)于中冷器冷卻水溫可能對NOx排放產(chǎn)生的影響，在NOx修正系數(shù)中增加了增壓空氣溫度(即進(jìn)機(jī)溫度)與海水溫度 25 ℃時(shí)的增壓空氣參考溫度的修正，見式(1)。而《國標(biāo)》修正系數(shù)考慮了燃油消耗量與進(jìn)氣空氣流量的比值(即燃空比)的因素，燃空當(dāng)量比對發(fā)動機(jī)的燃燒溫度、燃燒壓力和燃燒速率有很大影響[6]，進(jìn)而影響NOx的生成；其并未考慮船用柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中中冷器冷卻水水溫變化對中冷后進(jìn)機(jī)空氣的影響，但是規(guī)定了中冷器冷卻介質(zhì)溫度應(yīng)不低于20 ℃，并規(guī)定增壓空氣的溫度應(yīng)保持在制造企業(yè)規(guī)定的最大增壓溫度(即100%負(fù)荷時(shí)增壓溫度)的±5 K范圍內(nèi)?！禝MO標(biāo)準(zhǔn)》對最大增壓空氣溫度無明確要求，但是在實(shí)際測試控制過程中，發(fā)動機(jī)最惡劣排放與進(jìn)機(jī)空氣溫度有直接關(guān)聯(lián)[7]，若要得到發(fā)動機(jī)的最惡劣排放，一般也將最大增壓空氣溫度控制在發(fā)動機(jī)最大空氣溫度的上限。

3.3 修正系數(shù)的計(jì)算分析

為了更直觀地表現(xiàn)《IMO標(biāo)準(zhǔn)》和《國標(biāo)》標(biāo)準(zhǔn)修正系數(shù)的差異，以G6300和G6210機(jī)型為例，分別進(jìn)行輔機(jī)循環(huán)(D2)、主機(jī)循環(huán)(E3)測試，按《IMO標(biāo)準(zhǔn)》與《國標(biāo)》修正系數(shù)計(jì)算式(1)和式(2)計(jì)算得到各個(gè)工況點(diǎn)修正系數(shù)及最終NOx比排放量。

圖1是G6300輔機(jī)測試循環(huán)，試驗(yàn)環(huán)境條件相同情況下(各工況點(diǎn)進(jìn)氣溫度31.1～31.8 ℃范圍)《國標(biāo)》與《IMO標(biāo)準(zhǔn)》修正系數(shù)的對比。

圖1 G6300輔機(jī)D2循環(huán)修正系數(shù)對比

由圖1可見，不同運(yùn)行工況下，《IMO標(biāo)準(zhǔn)》修正系數(shù)比《國標(biāo)》修正系數(shù)均約高2.0%～4.0%，這主要是因?yàn)榄h(huán)境條件狀態(tài)一致，而該款發(fā)動機(jī)增壓空氣參考溫度在各工況點(diǎn)下均比實(shí)際進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)空氣溫度即中冷器出口空氣溫度高，且實(shí)際增壓器入口環(huán)境溫度也高于標(biāo)準(zhǔn)溫度25 ℃，整體修正計(jì)算公式中后2項(xiàng)為負(fù)數(shù)，導(dǎo)致分母偏低，計(jì)算出來的修正系數(shù)略微偏高。

在圖2 G6300主機(jī)循環(huán)中，這種影響依然存在，但《IMO標(biāo)準(zhǔn)》修正中，還有一項(xiàng)關(guān)于空濾器入口絕對濕度Ha與增壓空氣絕對濕度的比較，在個(gè)別工況點(diǎn)環(huán)境條件和運(yùn)行狀態(tài)變化后《國標(biāo)》修正高于《IMO標(biāo)準(zhǔn)》修正。

圖2 G6300主機(jī)E3循環(huán)修正系數(shù)對比

G6210輔機(jī)、主機(jī)測試循環(huán)，在較低的進(jìn)氣溫度環(huán)境(15.5～16.4 ℃)《國標(biāo)》與《IMO標(biāo)準(zhǔn)》修正系數(shù)的對比見圖3、4，均體現(xiàn)出《IMO標(biāo)準(zhǔn)》修正大于《國標(biāo)》修正情況。

圖3 G6210輔機(jī)循環(huán)D2修正系數(shù)對比

圖4 G6210主機(jī)循環(huán)E3修正系數(shù)對比

圖5 G6300NOx比排放量對比

比較G6300NOx最終比排放量計(jì)算值，存在《IMO標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算結(jié)果會高于《國標(biāo)》計(jì)算，見圖5。主機(jī)循環(huán)因個(gè)別工況點(diǎn)《國標(biāo)》修正高于《IMO標(biāo)準(zhǔn)》修正，NOx最終比排放量《國標(biāo)》與《IMO標(biāo)準(zhǔn)》幾乎相同。主要是因?yàn)榧訖?quán)后NOx比排放量不僅受到各工況點(diǎn)修正系數(shù)的影響，還與加權(quán)系數(shù)和各工況點(diǎn)的排放分擔(dān)率有關(guān)，分擔(dān)率較大的工況點(diǎn)對NOx排放值的影響較大[8]。

分析認(rèn)為，《國標(biāo)》第一階段NOx的控制要求與《IMO TierⅡ》處于同一水平，其中單缸排量小于20 L的船機(jī)，《國標(biāo)》的控制要求比《IMO TierⅡ》嚴(yán)格；單缸排量大于20 L小于30 L的船機(jī)，《國標(biāo)》的控制要求和《IMO TierⅡ》的要求大致相當(dāng)。第二階段的控制重點(diǎn)PM，第二階段PM指標(biāo)有較為顯著的下降(更苛刻)，和第一階段相比，PM下降了40%～60%，HC+NOx總體降低了20%以上，基本達(dá)到《IMO TierⅢ》的排放控制水平。

4 顆粒物的測試技術(shù)要求

與《IMO標(biāo)準(zhǔn)》相比，《國標(biāo)》最大的差異是新增了PM這一指標(biāo)。《國標(biāo)》對顆粒物測試和限值要求做了詳細(xì)說明，包括顆粒物測試系統(tǒng)要求、顆粒物取樣與稱重要求、測試過程要求等。

4.1 顆粒物測試系統(tǒng)要求

顆粒物測量需要使用稀釋系統(tǒng)，稀釋系統(tǒng)分為全流稀釋系統(tǒng)和部分流稀釋系統(tǒng)。部分流稀釋系統(tǒng)可分為全部取樣部分流稀釋系統(tǒng)和部分取樣部分流稀釋系統(tǒng)?！秶鴺?biāo)》推薦的部分流稀釋系統(tǒng)如下：等動態(tài)系統(tǒng)、帶質(zhì)量濃度測量的流量控制系統(tǒng)和帶流量測量的流量控制系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)部分流稀釋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，必須注意避免在輸送管中損失顆粒物。而全流稀釋系統(tǒng)分為單級稀釋和雙級稀釋。稀釋系統(tǒng)的流量能力應(yīng)足以完全消除水在稀釋和取樣系統(tǒng)中的凝結(jié)，并使緊靠濾紙保持架上游處的稀釋排氣溫度不超過 325 K(52 ℃)。

4.2 顆粒物取樣與稱重要求

測量顆粒物質(zhì)量需要有顆粒物取樣系統(tǒng)、顆粒物取樣濾紙、微克天平和控制溫度及濕度的稱重室。

1)顆粒物的取樣可以使用2種方法：單濾紙方法和多濾紙方法。為了避免控制循環(huán)的影響，推薦取樣泵在整個(gè)測試循環(huán)中運(yùn)轉(zhuǎn)，對單濾紙方法應(yīng)該使用旁通系統(tǒng)。取樣必須盡可能在每個(gè)工況的最后進(jìn)行，每個(gè)工況的取樣時(shí)間，對單濾紙方法最少20 s，對多濾紙方法最少60 s；對沒有旁通功能的系統(tǒng)，每個(gè)工況的取樣時(shí)間最少必須60 s。

2)顆粒物取樣濾紙、微克天平和稱重室的要求《國標(biāo)》也做了明確規(guī)定。其中稱重室在顆粒物取樣濾紙預(yù)處理和稱重期間應(yīng)保持在295 K(22 ℃)±3K，濕度應(yīng)保持在露點(diǎn)溫度為282.5 K(9.5 ℃)±3 K和相對濕度45±8(%)。

3)顆粒物稱重要求。測量顆粒物質(zhì)量過程中，濾紙的稱重至關(guān)重要，為了消除靜電效應(yīng)，濾紙應(yīng)在稱重之前中和。

(1)濾紙的預(yù)處理要求。試驗(yàn)前至少1 h，每張(對)濾紙應(yīng)該放在一個(gè)有蓋但不密封的培養(yǎng)皿中，放入稱重室進(jìn)行穩(wěn)定。穩(wěn)定結(jié)束后，應(yīng)稱量每張(對)濾紙的凈質(zhì)量并記錄，因分析天平的精確度和分辨率較高，需多次讀穩(wěn)定數(shù)值取平均。記錄結(jié)束把這張(對)濾紙放置在有蓋的培養(yǎng)皿中或?yàn)V紙保持架上直到試驗(yàn)需要，如果這張(對)濾紙?jiān)陔x開稱重室的 8 h內(nèi)沒有使用，在使用前必須重新穩(wěn)定、稱重。

(2)參比濾紙的稱量要求。在對取樣濾紙(對)稱重后的4 h內(nèi)，應(yīng)同時(shí)稱重2張未經(jīng)使用的參比濾紙或參比濾紙對，參比濾紙(對)的尺寸和材料應(yīng)與取樣濾紙相同。在取樣濾紙2次稱重期間，如果參比濾紙(對)的平均質(zhì)量的改變量超過推薦濾紙最小荷重的±5%(濾紙對±7.5%)，則所有的取樣濾紙作廢，重做排放試驗(yàn)。如稱重室不符合《國標(biāo)》要求溫濕度條件，但參比濾紙(對)稱重符合要求，則船機(jī)制造企業(yè)可選擇承認(rèn)取樣濾紙的質(zhì)量，或否定該試驗(yàn)，在調(diào)整稱重室控制系統(tǒng)后，重做試驗(yàn)。

(3)測試后濾紙的稱重要求。試驗(yàn)完成后，應(yīng)將濾紙送回稱重室穩(wěn)定至少1 h，然后才可稱重，但不得超過80 h。

(4)濾紙荷重要求。對于單濾紙方法，濾紙荷重應(yīng)不小于推薦的最小荷重；對于多濾紙方法，所有濾紙荷重之和應(yīng)不小于推薦的最小荷重和工況數(shù)的平方根的乘積。例如，濾紙直徑為47 mm進(jìn)行D2循環(huán)測試，則5個(gè)工況點(diǎn)濾紙荷重之和應(yīng)不小于1.118 mg。

4.3 顆粒物測試過程注意事項(xiàng)

1)試驗(yàn)開始前完成測試系統(tǒng)泄漏檢查，并完成系統(tǒng)流量計(jì)校準(zhǔn)檢查。對于多濾紙方法，每次更換濾紙后應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)泄漏檢查。

2)調(diào)整合適的稀釋比和取樣時(shí)間，總稀釋比不低于4。保證每個(gè)試驗(yàn)工況濾紙表面溫度不超過325 K(52 ℃)，濾紙壓力降的增加量不超過25 kPa，并且保證濾紙荷重滿足要求。

5 結(jié)論

1)《國標(biāo)》在適用范圍上增加了37～130 kW功率段的船機(jī)；在控制指標(biāo)上增加了CO、HC和PM；在限值上《國標(biāo)》第一階段NOx的控制要求與《IMO TierⅡ》處于同一水平，《國標(biāo)》第二階段PM和HC+NOx限值要求均顯著下降，基本達(dá)到《IMO TierⅢ》的排放控制水平；在排放認(rèn)可和取證要求方面，《國標(biāo)》要求更高。

2)《國標(biāo)》在NOx修正系數(shù)方面與《IMO標(biāo)準(zhǔn)》考慮不盡相同。《國標(biāo)》考慮到了燃空比的影響，但是未充分考慮船機(jī)工作環(huán)境對NOx排放的影響，雖然對中冷器冷卻介質(zhì)溫度和進(jìn)機(jī)溫度提出了要求，但在修正系數(shù)計(jì)算過程未有明顯體現(xiàn)，使得修正系數(shù)與《IMO標(biāo)準(zhǔn)》出現(xiàn)差異，進(jìn)而使實(shí)際排放測試過程N(yùn)Ox計(jì)算結(jié)果比《IMO標(biāo)準(zhǔn)》略低。

3)《國標(biāo)》增補(bǔ)了顆粒物限制指標(biāo)，對顆粒物測試系統(tǒng)、顆粒物取樣與稱重、顆粒物測試過程等方面作出了明確要求。