基于臺架試驗的漁船柴油機履行新排放標準探討

李勝勇，鄭建麗，張祝利

（中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海200092）

0 引言

中國是漁業大國，截至2019年底中國海洋機動漁業船舶達22萬艘，船舶總功率超過1474.4萬kW[1-2]。漁船用柴油機排放的尾氣中氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、顆粒物(PM)會直接或間接的影響人們的肺功能，導致心腦血管疾病的發生[3-6]。據統計數據顯示，船舶排放的SOx占全球運輸行業SOx排放總量的60%左右，船舶NOx排放量占全球人為產生NOx排放總量的l5%左右[7-8]。柴油機的廢氣帶來的區域性大氣污染問題已不容忽視。為落實《環境保護法》和《大氣污染防治法》的要求，環境保護部會同質檢總局于2016年8月30日發布了GB 15097—2016《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》（以下稱“新標準”）[9-12]。

漁船通常主尺度小，捕撈和制冷設備多，機艙空間有限，因此漁船柴油機類型大多為體積小，重量輕的高速柴油機。根據中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所《2018年度漁船用柴油機調研報告》統計數據顯示，在抽取的2596臺已按《漁業船舶法定檢驗技術規則(2017)》檢驗發證的漁船柴油機樣本中，功率范圍主要分布在100～330 kW。其中功率在112～140 kW的機型達到945臺，占比36.4%，在201～262 kW的有856臺，占比33%，如圖1所示。新標準中將額定凈功率大于或等于37 kW并且單缸排量小于5 L的柴油機規定為第一類柴油機，中國漁船柴油機基本都屬于第一類柴油機。

圖1 2015—2018年發證機型功率/臺數分布統計

《漁業船舶法定檢驗技術規則(2019)》的要求與IMO防污染公約(MARPOL)TIER II的要求一致。新標準一階段中NOx的排放限值高于IMO的要求，以第一類柴油機為例，其二階段限值要求比IMO要求高出了近26%，比一階段限值要求提高了近20%。另外新標準增加了一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)+氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)控制項目，要求其比排放量加上由劣化試驗確定的劣化修正值后不超過排放限值要求。而IMO僅將NOx作為控制項目，進行排放認可試驗時，僅確認柴油機在規定的環境條件下NOx的排放量低于限值要求[13-14]。

為了解已滿足IMO要求的典型的漁船柴油機排放污染物水平、探索典型漁船柴油機行業技術現狀與新標準的排放要求的差距，本文選擇了已經通過IMO排放測試的兩型漁船用柴油機進行臺架試驗。將該兩型柴油機僅在維持原有基本配置不變的基礎上進行噴油提前角、參數上的優化調整，分別按照新標準要求進行排氣污染物的測定試驗。試驗于2019年3—10月在武漢理工大學發動機排放檢測中心進行。

1 排氣污染物測定試驗

1.1 試驗柴油機參數

這2種機型的主要配置、增壓方式、中冷方式等均一致，主要差別在于燃油噴射方式，一種是較為普遍的機械泵噴油方式，另一種是電控單體泵噴油方式（表1）。以期通過臺架試驗驗證已經滿足IMO的排放要求的機型，是否在原有配置的基礎上僅通過自身結構和參數的優化調整即可滿足新標準要求，并通過兩型柴油機的排氣污染物的比排放量的對比以及在運行規定時間之后的劣化試驗，得出不同噴油方式對柴油機排放水平的影響。1、2號漁船柴油機均為系族樣機，可代表漁船柴油機型號合計超過30個，功率范圍為175～650 kW，覆蓋了中國漁船柴油機的常用功率區間，可代表中國漁船柴油機的主流機型。

表1 典型漁船柴油機參數

1.2 環境條件、主要輔助設備

本次試驗的環境條件、主要輔助設備如表2所示。

表2 排放試驗環境條件、主要輔助設備

1.3 主要試驗儀器

試驗所采用的測定儀器已由主管機關認可，并經校準且在有效期內，如表3所示。

表3 主要試驗儀器

1.4 試驗方法

1.4.1 排氣污染物測定試驗 按新標準附錄B試驗規程要求，測試兩柴油機在額定功率、額定轉速下排氣中的氣態污染物CO、HC和NOx以及PM的含量。上述氣體成分采用廢氣排放分析儀測量，排氣中PM的排放采用BG3測試設備測量。PM的分析系統采用帶流量控制和總取樣的部分流稀釋系統。氣體流量計測量值的最大誤差應在讀數的+2%以內，流量測量裝置、稀釋空氣流量和稀釋排氣流量計測試開始前完成對標[15-18]。

PM的采集需要用到濾紙，試驗前，按要求進行參比濾紙的稱量和保存。試驗時，用一對串聯布置的初級濾紙和次級濾紙對稀釋排氣進行采樣，次級濾紙應該位于初級濾紙下游不超過100 mm的地方，并且不可和初級濾紙接觸。濾紙分別稱重。稱重用的分析天平應有2 μg的精度和1 μg的分辨率，為了消除靜電效應，濾紙應在稱重之前中和。

1.4.2 劣化試驗 新標準要求柴油機須在正常的工作條件下，至少進行2500 h的劣化試驗，根據柴油機的劣化程度，推算出實船柴油機整個生命周期的污染物排放值應能達到排放限值要求。IMO則僅要求試驗樣機在型式認可試驗達標[19-20]。為進一步探索不同噴油方式在柴油機整個生命周期的劣化程度的影響，將上述兩型柴油機分別按要求進行劣化試驗，測得其劣化修正值。試驗所選用的柴油機和實驗儀器與試驗1一致，另外增設24 h無死角視頻監控系統。

按照新標準附件BD的要求，柴油機在正常的工作條件下，試驗時間為2500 h。試驗過程中，定期進行系統維護，如更換柴油濾芯、機油濾芯等部件，不能對排放關鍵零部件進行維護或替換。

對CO、HC+NOx、PM每種污染物分別確定劣化修正值。對于HC+NOx的劣化修正值，根據排放耐久性試驗過程中測量的HC+NOx總量來計算確定，分別計算HC和NOx有效壽命期終點的排放試驗結果。

2 結果及分析

2.1 排氣污染物測定試驗結果分析

試驗結果顯示，兩柴油機經過優化和調試后，所測的CO、HC+NOx、PM的比排放量都達到了新標準一階段的要求，如表4、5所示。從具體試驗數據看，兩型柴油機排放指標超出排放限值的裕度較小，兩型柴油機都未能通過優化達到二階段的排放要求。具體地，兩柴油機的CO排放控制的很好，遠低于標準限值要求；HC+NOx的實際比排放量雖未達到二階段要求，但與限值差距較小；兩柴油機的PM比排放量距離限值差距較大。

表4 1號漁船柴油機排放試驗結果 g/(kW·h)

表5 2號漁船柴油機排放試驗結果 g/(kW·h)

將兩型柴油機的試驗數據橫向對比，電控單體泵比機械泵的排放有非常明顯的提升，電控單體泵在PM排放控制方面比機械泵提高了近20%，可見燃油噴射方式是影響PM的主要因素，可以考慮通過進一步改善燃油噴射，降低PM的比排放量。電控單體泵的HC+NOx比機械泵噴油方式略高，CO略低，但差別都較小，可見燃油噴射方式對HC+NOx和CO的影響不大。

2.2 劣化試驗結果分析

劣化試驗的結果表明，電控單體泵柴油機相對于機械泵柴油機的劣化修正值有明顯的降低效果，其中CO降低了77%，HC+NOx降低了64%，PM降低了93%，如表6所示。可見，不同的燃油噴射方式對劣化程度的影響巨大，采用電控單體泵可使柴油機的劣化曲線更為平緩，能大幅延長柴油機的有效壽命。由于機械式噴油泵的機械設定無法兼顧發動機各種不同工況下特點,特別是瞬態工況無法控制，且無法從機械上做到自動調節各缸的噴油量平衡。其噴油正時由預先設計好型線的提前器決定，其提前角只隨轉速而線性變化，不能實現理想的變化規律[21-24]。電控單體泵將油泵柱塞驅動與柴油機配氣機構凸輪軸整合，實現油泵到噴油器的燃油管路最短化[25-26]。柴油機工作時則通過發動機周圍安裝眾多的傳感器以偵測發動機狀態，通過電子系統對氣缸的噴油量、噴油正時進行精確、柔性的控制，進而實現對噴油氣缸噴油壓力的提高，從而改善其燃燒工作過程[27-29]。

表6 1、2號漁船柴油機劣化修正值

3 結論

綜合兩試驗來看，目前中國已符合現行《漁業船舶法定檢驗技術規則(2019)》排放要求的漁船柴油機，進行結構和參數優化調整后，基本可以達到新標準一階段的要求，但跟二階段的要求差距較大。其中CO可滿足排放限值要求，HC+NOx超出限值1%～4.5%，PM排放超出限值25%～53%，可見PM的比排放量是達到二階段要求的關鍵因素。因此新標準一階段生效后對漁船柴油機行業影響較小。當新標準二階段生效時，現有的漁船柴油機機型幾乎都無法滿足該排放要求。可能導致漁船船東無法選到符合原有使用習慣，又滿足排放要求的漁船柴油機。

劣化試驗結果顯示，CO、HC+NOx、PM的比排放量以及柴油機的劣化修正值都與柴油機的燃油噴射方式密切相關，因此為使漁船柴油機能順利滿足二階段排放要求，主要從改善燃油噴射方式入手，比如采用高壓共軌燃油噴射方式。高壓共軌燃油噴射技術是通過控制噴油器電磁閥開啟時刻、持續時間從而控制噴射提前角、燃油噴射量，通過控制高壓油泵電磁閥開啟持續時間從而控制共軌油管內的燃油壓力，改善排放指標。目前只有少數國外的幾家企業掌握了這一技術，而國內柴油機企業差距較大。

對于某些柴油機型，僅進行高壓共軌燃油噴射技術優化可能仍無法滿足二階段要求，可通過柴油機后處理設備(SCR)、廢氣再循環(EGR)、柴油機顆粒催化(DPF)等輔助設備改善漁船柴油機排放。目前商船上已有較為成熟的技術和設備，可有效提高柴油機的排放指標。值得一提的是，這些輔助設備是針對商船研發配套，通常較為復雜，設備體積大，需要的安裝和維護的空間大[30-31]，這對空間小、設備多的漁船并不友好。另外，現有的這些柴油機輔助設備多是用于功率較大的中速機和低速機，配套用于功率較小的漁船柴油機的較少[32-34]。

漁船柴油機實際排放污染物的濃度一方面跟柴油機本身的性能和配置有關，另一方面跟柴油機實際燃用的柴油質量密切相關。新標準要求實船柴油機在其全生命周期內排放均須達標，因此規定上述兩試驗中采用為新標準附件D中規定的基準柴油。新標準還對日常燃用輕油的柴油機具體使用的柴油提出要求，即應使用符合GB 252—2015普通柴油的柴油或新標準附錄D中描述的基準柴油。因此對漁船實際使用的柴油質量的監管顯得尤為重要。經實地調研發現，多地漁民實際使用的燃油多為價格便宜的劣質柴油。此種燃油為小煉油廠生產，多種成分均不符合GB 252—2015或新標準中的基準燃油的要求。燃油劣質柴油會使符合排放標準的柴油機的實際排氣污染物超標，同時也給柴油機本身帶來嚴重的損傷，使柴油機劣化加速，縮短柴油機的有效生命周期。劣質柴油剩余的油渣處理難度大，回收價值低，因此不少漁民將油渣直接排入海中，造成了不可估量的海洋污染。

4 建議

4.1 重新評估新標準二階段生效日期

新標準二階段要求將于2022年7月1日正式生效，而中國當前主流柴油機仍為機械式噴油泵和少量電控單體泵機型，無法滿足二階段排放要求，尤其是PM方面。為保證行業的有序發展，建議主管機關根據我國柴油機行業的實際技術水平，對新標準二階段的生效日期設置合理過渡期，以便各有關單位和科研機構有更充足的時間研發出真正適合漁船柴油機的技術和后處理設備，并盡量降低新標準給漁船柴油機制造行業帶來的沖擊。

4.2 鼓勵研發先進的燃油噴射方式，促進先進技術引進

政府和漁船主管機關應出臺有關政策推動產業升級，鼓勵和引導漁船柴油機企業和科研院所增強合作，聯合開發新的燃油噴射技術和適用于漁船柴油機的后處理設備，促進漁船設計單位和漁船建造企業根據漁船柴油機后處理系統布置要求開發新船型或對傳統的漁船船型進行優化。對于高壓共軌燃油噴射技術，建議采取“走出去”和“請進來”相結合的策略，組織專家學者多去國外學習交流，鼓勵柴油機企業與掌握關鍵技術的國外企業聯合開發。全行業的相關部門共同努力，推動行業向前發展。

4.3 優化現有尾氣處理輔助設備

現有多種優秀的漁船柴油機機型已經在漁船上廣泛使用，將這些優秀機型廢棄重新研發新的機型，需要較長的研發周期，也造成了一定程度的浪費。因此為這些優秀機型配套適用的后處理設備是另一條行之有效的出路。建議在現有的后處理設備的基礎上進行優化、衍生，推出適用于較小功率的高速柴油機且占據空間小，結構簡單，最好能做成分體式，可以在機艙棚內分散布置的型式。建議主管機關根據漁船行業的技術特點，制定漁船柴油機尾氣輔助設備的認可指南，為各科研單位和制造企業指明設備研發的方向。

4.4 提高漁民的環保意識，加強漁船加油監管力度

對于漁民來說，漁船最大的日常支出是柴油的費用，由于劣質柴油與符合標準的柴油價格差距大，加之我國漁民普遍文化水平不高環保意識淡漠，在利益驅使下，漁民購買燃油時往往優先考慮劣質柴油。因此一方面，需大力宣傳教育，切實提高漁民的環保意識，使其認識到購買使用劣質柴油造成的危害，主動抵制并監督他人使用劣質柴油。另一方面，為確保實船柴油機使用達標的柴油，還要建立完善漁船加油登記和《油類記錄簿》審查制度，引導漁民去正規站點加油，并要求中大型漁船保留加油有效憑證備查。另外建議港監部門利用信息技術手段，比如對漁船柴油機是否冒黑煙的漁船進行遠程監控、現場取證、事后處罰等多種方式綜合監管。還可考慮設立舉報獎勵制度，充分調動群眾的積極性，讓每個漁民都成為“藍天衛士”。