基于台架试验的渔船柴油机履行新排放标准探讨

李胜勇，郑建丽，张祝利

（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092）

0 引言

中国是渔业大国，截至2019年底中国海洋机动渔业船舶达22万艘，船舶总功率超过1474.4万kW[1-2]。渔船用柴油机排放的尾气中氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、颗粒物(PM)会直接或间接的影响人们的肺功能，导致心脑血管疾病的发生[3-6]。据统计数据显示，船舶排放的SOx占全球运输行业SOx排放总量的60%左右，船舶NOx排放量占全球人为产生NOx排放总量的l5%左右[7-8]。柴油机的废气带来的区域性大气污染问题已不容忽视。为落实《环境保护法》和《大气污染防治法》的要求，环境保护部会同质检总局于2016年8月30日发布了GB 15097—2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》（以下称“新标准”）[9-12]。

渔船通常主尺度小，捕捞和制冷设备多，机舱空间有限，因此渔船柴油机类型大多为体积小，重量轻的高速柴油机。根据中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所《2018年度渔船用柴油机调研报告》统计数据显示，在抽取的2596台已按《渔业船舶法定检验技术规则(2017)》检验发证的渔船柴油机样本中，功率范围主要分布在100～330 kW。其中功率在112～140 kW的机型达到945台，占比36.4%，在201～262 kW的有856台，占比33%，如图1所示。新标准中将额定净功率大于或等于37 kW并且单缸排量小于5 L的柴油机规定为第一类柴油机，中国渔船柴油机基本都属于第一类柴油机。

图1 2015—2018年发证机型功率/台数分布统计

《渔业船舶法定检验技术规则(2019)》的要求与IMO防污染公约(MARPOL)TIER II的要求一致。新标准一阶段中NOx的排放限值高于IMO的要求，以第一类柴油机为例，其二阶段限值要求比IMO要求高出了近26%，比一阶段限值要求提高了近20%。另外新标准增加了一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)+氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)控制项目，要求其比排放量加上由劣化试验确定的劣化修正值后不超过排放限值要求。而IMO仅将NOx作为控制项目，进行排放认可试验时，仅确认柴油机在规定的环境条件下NOx的排放量低于限值要求[13-14]。

为了解已满足IMO要求的典型的渔船柴油机排放污染物水平、探索典型渔船柴油机行业技术现状与新标准的排放要求的差距，本文选择了已经通过IMO排放测试的两型渔船用柴油机进行台架试验。将该两型柴油机仅在维持原有基本配置不变的基础上进行喷油提前角、参数上的优化调整，分别按照新标准要求进行排气污染物的测定试验。试验于2019年3—10月在武汉理工大学发动机排放检测中心进行。

1 排气污染物测定试验

1.1 试验柴油机参数

这2种机型的主要配置、增压方式、中冷方式等均一致，主要差别在于燃油喷射方式，一种是较为普遍的机械泵喷油方式，另一种是电控单体泵喷油方式（表1）。以期通过台架试验验证已经满足IMO的排放要求的机型，是否在原有配置的基础上仅通过自身结构和参数的优化调整即可满足新标准要求，并通过两型柴油机的排气污染物的比排放量的对比以及在运行规定时间之后的劣化试验，得出不同喷油方式对柴油机排放水平的影响。1、2号渔船柴油机均为系族样机，可代表渔船柴油机型号合计超过30个，功率范围为175～650 kW，覆盖了中国渔船柴油机的常用功率区间，可代表中国渔船柴油机的主流机型。

表1 典型渔船柴油机参数

1.2 环境条件、主要辅助设备

本次试验的环境条件、主要辅助设备如表2所示。

表2 排放试验环境条件、主要辅助设备

1.3 主要试验仪器

试验所采用的测定仪器已由主管机关认可，并经校准且在有效期内，如表3所示。

表3 主要试验仪器

1.4 试验方法

1.4.1 排气污染物测定试验 按新标准附录B试验规程要求，测试两柴油机在额定功率、额定转速下排气中的气态污染物CO、HC和NOx以及PM的含量。上述气体成分采用废气排放分析仪测量，排气中PM的排放采用BG3测试设备测量。PM的分析系统采用带流量控制和总取样的部分流稀释系统。气体流量计测量值的最大误差应在读数的+2%以内，流量测量装置、稀释空气流量和稀释排气流量计测试开始前完成对标[15-18]。

PM的采集需要用到滤纸，试验前，按要求进行参比滤纸的称量和保存。试验时，用一对串联布置的初级滤纸和次级滤纸对稀释排气进行采样，次级滤纸应该位于初级滤纸下游不超过100 mm的地方，并且不可和初级滤纸接触。滤纸分别称重。称重用的分析天平应有2 μg的精度和1 μg的分辨率，为了消除静电效应，滤纸应在称重之前中和。

1.4.2 劣化试验 新标准要求柴油机须在正常的工作条件下，至少进行2500 h的劣化试验，根据柴油机的劣化程度，推算出实船柴油机整个生命周期的污染物排放值应能达到排放限值要求。IMO则仅要求试验样机在型式认可试验达标[19-20]。为进一步探索不同喷油方式在柴油机整个生命周期的劣化程度的影响，将上述两型柴油机分别按要求进行劣化试验，测得其劣化修正值。试验所选用的柴油机和实验仪器与试验1一致，另外增设24 h无死角视频监控系统。

按照新标准附件BD的要求，柴油机在正常的工作条件下，试验时间为2500 h。试验过程中，定期进行系统维护，如更换柴油滤芯、机油滤芯等部件，不能对排放关键零部件进行维护或替换。

对CO、HC+NOx、PM每种污染物分别确定劣化修正值。对于HC+NOx的劣化修正值，根据排放耐久性试验过程中测量的HC+NOx总量来计算确定，分别计算HC和NOx有效寿命期终点的排放试验结果。

2 结果及分析

2.1 排气污染物测定试验结果分析

试验结果显示，两柴油机经过优化和调试后，所测的CO、HC+NOx、PM的比排放量都达到了新标准一阶段的要求，如表4、5所示。从具体试验数据看，两型柴油机排放指标超出排放限值的裕度较小，两型柴油机都未能通过优化达到二阶段的排放要求。具体地，两柴油机的CO排放控制的很好，远低于标准限值要求；HC+NOx的实际比排放量虽未达到二阶段要求，但与限值差距较小；两柴油机的PM比排放量距离限值差距较大。

表4 1号渔船柴油机排放试验结果 g/(kW·h)

表5 2号渔船柴油机排放试验结果 g/(kW·h)

将两型柴油机的试验数据横向对比，电控单体泵比机械泵的排放有非常明显的提升，电控单体泵在PM排放控制方面比机械泵提高了近20%，可见燃油喷射方式是影响PM的主要因素，可以考虑通过进一步改善燃油喷射，降低PM的比排放量。电控单体泵的HC+NOx比机械泵喷油方式略高，CO略低，但差别都较小，可见燃油喷射方式对HC+NOx和CO的影响不大。

2.2 劣化试验结果分析

劣化试验的结果表明，电控单体泵柴油机相对于机械泵柴油机的劣化修正值有明显的降低效果，其中CO降低了77%，HC+NOx降低了64%，PM降低了93%，如表6所示。可见，不同的燃油喷射方式对劣化程度的影响巨大，采用电控单体泵可使柴油机的劣化曲线更为平缓，能大幅延长柴油机的有效寿命。由于机械式喷油泵的机械设定无法兼顾发动机各种不同工况下特点,特别是瞬态工况无法控制，且无法从机械上做到自动调节各缸的喷油量平衡。其喷油正时由预先设计好型线的提前器决定，其提前角只随转速而线性变化，不能实现理想的变化规律[21-24]。电控单体泵将油泵柱塞驱动与柴油机配气机构凸轮轴整合，实现油泵到喷油器的燃油管路最短化[25-26]。柴油机工作时则通过发动机周围安装众多的传感器以侦测发动机状态，通过电子系统对气缸的喷油量、喷油正时进行精确、柔性的控制，进而实现对喷油气缸喷油压力的提高，从而改善其燃烧工作过程[27-29]。

表6 1、2号渔船柴油机劣化修正值

3 结论

综合两试验来看，目前中国已符合现行《渔业船舶法定检验技术规则(2019)》排放要求的渔船柴油机，进行结构和参数优化调整后，基本可以达到新标准一阶段的要求，但跟二阶段的要求差距较大。其中CO可满足排放限值要求，HC+NOx超出限值1%～4.5%，PM排放超出限值25%～53%，可见PM的比排放量是达到二阶段要求的关键因素。因此新标准一阶段生效后对渔船柴油机行业影响较小。当新标准二阶段生效时，现有的渔船柴油机机型几乎都无法满足该排放要求。可能导致渔船船东无法选到符合原有使用习惯，又满足排放要求的渔船柴油机。

劣化试验结果显示，CO、HC+NOx、PM的比排放量以及柴油机的劣化修正值都与柴油机的燃油喷射方式密切相关，因此为使渔船柴油机能顺利满足二阶段排放要求，主要从改善燃油喷射方式入手，比如采用高压共轨燃油喷射方式。高压共轨燃油喷射技术是通过控制喷油器电磁阀开启时刻、持续时间从而控制喷射提前角、燃油喷射量，通过控制高压油泵电磁阀开启持续时间从而控制共轨油管内的燃油压力，改善排放指标。目前只有少数国外的几家企业掌握了这一技术，而国内柴油机企业差距较大。

对于某些柴油机型，仅进行高压共轨燃油喷射技术优化可能仍无法满足二阶段要求，可通过柴油机后处理设备(SCR)、废气再循环(EGR)、柴油机颗粒催化(DPF)等辅助设备改善渔船柴油机排放。目前商船上已有较为成熟的技术和设备，可有效提高柴油机的排放指标。值得一提的是，这些辅助设备是针对商船研发配套，通常较为复杂，设备体积大，需要的安装和维护的空间大[30-31]，这对空间小、设备多的渔船并不友好。另外，现有的这些柴油机辅助设备多是用于功率较大的中速机和低速机，配套用于功率较小的渔船柴油机的较少[32-34]。

渔船柴油机实际排放污染物的浓度一方面跟柴油机本身的性能和配置有关，另一方面跟柴油机实际燃用的柴油质量密切相关。新标准要求实船柴油机在其全生命周期内排放均须达标，因此规定上述两试验中采用为新标准附件D中规定的基准柴油。新标准还对日常燃用轻油的柴油机具体使用的柴油提出要求，即应使用符合GB 252—2015普通柴油的柴油或新标准附录D中描述的基准柴油。因此对渔船实际使用的柴油质量的监管显得尤为重要。经实地调研发现，多地渔民实际使用的燃油多为价格便宜的劣质柴油。此种燃油为小炼油厂生产，多种成分均不符合GB 252—2015或新标准中的基准燃油的要求。燃油劣质柴油会使符合排放标准的柴油机的实际排气污染物超标，同时也给柴油机本身带来严重的损伤，使柴油机劣化加速，缩短柴油机的有效生命周期。劣质柴油剩余的油渣处理难度大，回收价值低，因此不少渔民将油渣直接排入海中，造成了不可估量的海洋污染。

4 建议

4.1 重新评估新标准二阶段生效日期

新标准二阶段要求将于2022年7月1日正式生效，而中国当前主流柴油机仍为机械式喷油泵和少量电控单体泵机型，无法满足二阶段排放要求，尤其是PM方面。为保证行业的有序发展，建议主管机关根据我国柴油机行业的实际技术水平，对新标准二阶段的生效日期设置合理过渡期，以便各有关单位和科研机构有更充足的时间研发出真正适合渔船柴油机的技术和后处理设备，并尽量降低新标准给渔船柴油机制造行业带来的冲击。

4.2 鼓励研发先进的燃油喷射方式，促进先进技术引进

政府和渔船主管机关应出台有关政策推动产业升级，鼓励和引导渔船柴油机企业和科研院所增强合作，联合开发新的燃油喷射技术和适用于渔船柴油机的后处理设备，促进渔船设计单位和渔船建造企业根据渔船柴油机后处理系统布置要求开发新船型或对传统的渔船船型进行优化。对于高压共轨燃油喷射技术，建议采取“走出去”和“请进来”相结合的策略，组织专家学者多去国外学习交流，鼓励柴油机企业与掌握关键技术的国外企业联合开发。全行业的相关部门共同努力，推动行业向前发展。

4.3 优化现有尾气处理辅助设备

现有多种优秀的渔船柴油机机型已经在渔船上广泛使用，将这些优秀机型废弃重新研发新的机型，需要较长的研发周期，也造成了一定程度的浪费。因此为这些优秀机型配套适用的后处理设备是另一条行之有效的出路。建议在现有的后处理设备的基础上进行优化、衍生，推出适用于较小功率的高速柴油机且占据空间小，结构简单，最好能做成分体式，可以在机舱棚内分散布置的型式。建议主管机关根据渔船行业的技术特点，制定渔船柴油机尾气辅助设备的认可指南，为各科研单位和制造企业指明设备研发的方向。

4.4 提高渔民的环保意识，加强渔船加油监管力度

对于渔民来说，渔船最大的日常支出是柴油的费用，由于劣质柴油与符合标准的柴油价格差距大，加之我国渔民普遍文化水平不高环保意识淡漠，在利益驱使下，渔民购买燃油时往往优先考虑劣质柴油。因此一方面，需大力宣传教育，切实提高渔民的环保意识，使其认识到购买使用劣质柴油造成的危害，主动抵制并监督他人使用劣质柴油。另一方面，为确保实船柴油机使用达标的柴油，还要建立完善渔船加油登记和《油类记录簿》审查制度，引导渔民去正规站点加油，并要求中大型渔船保留加油有效凭证备查。另外建议港监部门利用信息技术手段，比如对渔船柴油机是否冒黑烟的渔船进行远程监控、现场取证、事后处罚等多种方式综合监管。还可考虑设立举报奖励制度，充分调动群众的积极性，让每个渔民都成为“蓝天卫士”。