李勝勇，鄭建麗，張祝利

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海200092）

0 引言

中國(guó)是漁業(yè)大國(guó)，截至2019年底中國(guó)海洋機(jī)動(dòng)漁業(yè)船舶達(dá)22萬艘，船舶總功率超過1474.4萬kW[1-2]。漁船用柴油機(jī)排放的尾氣中氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、顆粒物(PM)會(huì)直接或間接的影響人們的肺功能，導(dǎo)致心腦血管疾病的發(fā)生[3-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，船舶排放的SOx占全球運(yùn)輸行業(yè)SOx排放總量的60%左右，船舶NOx排放量占全球人為產(chǎn)生NOx排放總量的l5%左右[7-8]。柴油機(jī)的廢氣帶來的區(qū)域性大氣污染問題已不容忽視。為落實(shí)《環(huán)境保護(hù)法》和《大氣污染防治法》的要求，環(huán)境保護(hù)部會(huì)同質(zhì)檢總局于2016年8月30日發(fā)布了GB 15097—2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》（以下稱“新標(biāo)準(zhǔn)”）[9-12]。

漁船通常主尺度小，捕撈和制冷設(shè)備多，機(jī)艙空間有限，因此漁船柴油機(jī)類型大多為體積小，重量輕的高速柴油機(jī)。根據(jù)中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所《2018年度漁船用柴油機(jī)調(diào)研報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在抽取的2596臺(tái)已按《漁業(yè)船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2017)》檢驗(yàn)發(fā)證的漁船柴油機(jī)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(jī)型達(dá)到945臺(tái)，占比36.4%，在201～262 kW的有856臺(tái)，占比33%，如圖1所示。新標(biāo)準(zhǔn)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(jī)規(guī)定為第一類柴油機(jī)，中國(guó)漁船柴油機(jī)基本都屬于第一類柴油機(jī)。

圖1 2015—2018年發(fā)證機(jī)型功率/臺(tái)數(shù)分布統(tǒng)計(jì)

《漁業(yè)船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2019)》的要求與IMO防污染公約(MARPOL)TIER II的要求一致。新標(biāo)準(zhǔn)一階段中NOx的排放限值高于IMO的要求，以第一類柴油機(jī)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(biāo)準(zhǔn)增加了一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)+氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)控制項(xiàng)目，要求其比排放量加上由劣化試驗(yàn)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(xiàng)目，進(jìn)行排放認(rèn)可試驗(yàn)時(shí)，僅確認(rèn)柴油機(jī)在規(guī)定的環(huán)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(jī)排放污染物水平、探索典型漁船柴油機(jī)行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀與新標(biāo)準(zhǔn)的排放要求的差距，本文選擇了已經(jīng)通過IMO排放測(cè)試的兩型漁船用柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。將該兩型柴油機(jī)僅在維持原有基本配置不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行噴油提前角、參數(shù)上的優(yōu)化調(diào)整，分別按照新標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行排氣污染物的測(cè)定試驗(yàn)。試驗(yàn)于2019年3—10月在武漢理工大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)排放檢測(cè)中心進(jìn)行。

1 排氣污染物測(cè)定試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)柴油機(jī)參數(shù)

這2種機(jī)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(jī)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(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證已經(jīng)滿足IMO的排放要求的機(jī)型，是否在原有配置的基礎(chǔ)上僅通過自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整即可滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求，并通過兩型柴油機(jī)的排氣污染物的比排放量的對(duì)比以及在運(yùn)行規(guī)定時(shí)間之后的劣化試驗(yàn)，得出不同噴油方式對(duì)柴油機(jī)排放水平的影響。1、2號(hào)漁船柴油機(jī)均為系族樣機(jī)，可代表漁船柴油機(jī)型號(hào)合計(jì)超過30個(gè)，功率范圍為175～650 kW，覆蓋了中國(guó)漁船柴油機(jī)的常用功率區(qū)間，可代表中國(guó)漁船柴油機(jī)的主流機(jī)型。

表1 典型漁船柴油機(jī)參數(shù)

1.2 環(huán)境條件、主要輔助設(shè)備

本次試驗(yàn)的環(huán)境條件、主要輔助設(shè)備如表2所示。

表2 排放試驗(yàn)環(huán)境條件、主要輔助設(shè)備

1.3 主要試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所采用的測(cè)定儀器已由主管機(jī)關(guān)認(rèn)可，并經(jīng)校準(zhǔn)且在有效期內(nèi)，如表3所示。

表3 主要試驗(yàn)儀器

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 排氣污染物測(cè)定試驗(yàn) 按新標(biāo)準(zhǔn)附錄B試驗(yàn)規(guī)程要求，測(cè)試兩柴油機(jī)在額定功率、額定轉(zhuǎn)速下排氣中的氣態(tài)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(cè)量，排氣中PM的排放采用BG3測(cè)試設(shè)備測(cè)量。PM的分析系統(tǒng)采用帶流量控制和總?cè)拥牟糠至飨♂屜到y(tǒng)。氣體流量計(jì)測(cè)量值的最大誤差應(yīng)在讀數(shù)的+2%以內(nèi)，流量測(cè)量裝置、稀釋空氣流量和稀釋排氣流量計(jì)測(cè)試開始前完成對(duì)標(biāo)[15-18]。

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

1.4.2 劣化試驗(yàn) 新標(biāo)準(zhǔn)要求柴油機(jī)須在正常的工作條件下，至少進(jìn)行2500 h的劣化試驗(yàn)，根據(jù)柴油機(jī)的劣化程度，推算出實(shí)船柴油機(jī)整個(gè)生命周期的污染物排放值應(yīng)能達(dá)到排放限值要求。IMO則僅要求試驗(yàn)樣機(jī)在型式認(rèn)可試驗(yàn)達(dá)標(biāo)[19-20]。為進(jìn)一步探索不同噴油方式在柴油機(jī)整個(gè)生命周期的劣化程度的影響，將上述兩型柴油機(jī)分別按要求進(jìn)行劣化試驗(yàn)，測(cè)得其劣化修正值。試驗(yàn)所選用的柴油機(jī)和實(shí)驗(yàn)儀器與試驗(yàn)1一致，另外增設(shè)24 h無死角視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

按照新標(biāo)準(zhǔn)附件BD的要求，柴油機(jī)在正常的工作條件下，試驗(yàn)時(shí)間為2500 h。試驗(yàn)過程中，定期進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，如更換柴油濾芯、機(jī)油濾芯等部件，不能對(duì)排放關(guān)鍵零部件進(jìn)行維護(hù)或替換。

對(duì)CO、HC+NOx、PM每種污染物分別確定劣化修正值。對(duì)于HC+NOx的劣化修正值，根據(jù)排放耐久性試驗(yàn)過程中測(cè)量的HC+NOx總量來計(jì)算確定，分別計(jì)算HC和NOx有效壽命期終點(diǎn)的排放試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果及分析

2.1 排氣污染物測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩柴油機(jī)經(jīng)過優(yōu)化和調(diào)試后，所測(cè)的CO、HC+NOx、PM的比排放量都達(dá)到了新標(biāo)準(zhǔn)一階段的要求，如表4、5所示。從具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，兩型柴油機(jī)排放指標(biāo)超出排放限值的裕度較小，兩型柴油機(jī)都未能通過優(yōu)化達(dá)到二階段的排放要求。具體地，兩柴油機(jī)的CO排放控制的很好，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值要求；HC+NOx的實(shí)際比排放量雖未達(dá)到二階段要求，但與限值差距較??；兩柴油機(jī)的PM比排放量距離限值差距較大。

表4 1號(hào)漁船柴油機(jī)排放試驗(yàn)結(jié)果 g/(kW·h)

表5 2號(hào)漁船柴油機(jī)排放試驗(yàn)結(jié)果 g/(kW·h)

將兩型柴油機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?，電控單體泵比機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(duì)HC+NOx和CO的影響不大。

2.2 劣化試驗(yàn)結(jié)果分析

劣化試驗(yàn)的結(jié)果表明，電控單體泵柴油機(jī)相對(duì)于機(jī)械泵柴油機(jī)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(duì)劣化程度的影響巨大，采用電控單體泵可使柴油機(jī)的劣化曲線更為平緩，能大幅延長(zhǎng)柴油機(jī)的有效壽命。由于機(jī)械式噴油泵的機(jī)械設(shè)定無法兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)各種不同工況下特點(diǎn),特別是瞬態(tài)工況無法控制，且無法從機(jī)械上做到自動(dòng)調(diào)節(jié)各缸的噴油量平衡。其噴油正時(shí)由預(yù)先設(shè)計(jì)好型線的提前器決定，其提前角只隨轉(zhuǎn)速而線性變化，不能實(shí)現(xiàn)理想的變化規(guī)律[21-24]。電控單體泵將油泵柱塞驅(qū)動(dòng)與柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪軸整合，實(shí)現(xiàn)油泵到噴油器的燃油管路最短化[25-26]。柴油機(jī)工作時(shí)則通過發(fā)動(dòng)機(jī)周圍安裝眾多的傳感器以偵測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，通過電子系統(tǒng)對(duì)氣缸的噴油量、噴油正時(shí)進(jìn)行精確、柔性的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)漁船柴油機(jī)劣化修正值

3 結(jié)論

綜合兩試驗(yàn)來看，目前中國(guó)已符合現(xiàn)行《漁業(yè)船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2019)》排放要求的漁船柴油機(jī)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化調(diào)整后，基本可以達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到二階段要求的關(guān)鍵因素。因此新標(biāo)準(zhǔn)一階段生效后對(duì)漁船柴油機(jī)行業(yè)影響較小。當(dāng)新標(biāo)準(zhǔn)二階段生效時(shí)，現(xiàn)有的漁船柴油機(jī)機(jī)型幾乎都無法滿足該排放要求?？赡軐?dǎo)致漁船船東無法選到符合原有使用習(xí)慣，又滿足排放要求的漁船柴油機(jī)。

劣化試驗(yàn)結(jié)果顯示，CO、HC+NOx、PM的比排放量以及柴油機(jī)的劣化修正值都與柴油機(jī)的燃油噴射方式密切相關(guān)，因此為使?jié)O船柴油機(jī)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(shù)是通過控制噴油器電磁閥開啟時(shí)刻、持續(xù)時(shí)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(xù)時(shí)間從而控制共軌油管內(nèi)的燃油壓力，改善排放指標(biāo)。目前只有少數(shù)國(guó)外的幾家企業(yè)掌握了這一技術(shù)，而國(guó)內(nèi)柴油機(jī)企業(yè)差距較大。

對(duì)于某些柴油機(jī)型，僅進(jìn)行高壓共軌燃油噴射技術(shù)優(yōu)化可能仍無法滿足二階段要求，可通過柴油機(jī)后處理設(shè)備(SCR)、廢氣再循環(huán)(EGR)、柴油機(jī)顆粒催化(DPF)等輔助設(shè)備改善漁船柴油機(jī)排放。目前商船上已有較為成熟的技術(shù)和設(shè)備，可有效提高柴油機(jī)的排放指標(biāo)。值得一提的是，這些輔助設(shè)備是針對(duì)商船研發(fā)配套，通常較為復(fù)雜，設(shè)備體積大，需要的安裝和維護(hù)的空間大[30-31]，這對(duì)空間小、設(shè)備多的漁船并不友好。另外，現(xiàn)有的這些柴油機(jī)輔助設(shè)備多是用于功率較大的中速機(jī)和低速機(jī)，配套用于功率較小的漁船柴油機(jī)的較少[32-34]。

漁船柴油機(jī)實(shí)際排放污染物的濃度一方面跟柴油機(jī)本身的性能和配置有關(guān)，另一方面跟柴油機(jī)實(shí)際燃用的柴油質(zhì)量密切相關(guān)。新標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)船柴油機(jī)在其全生命周期內(nèi)排放均須達(dá)標(biāo)，因此規(guī)定上述兩試驗(yàn)中采用為新標(biāo)準(zhǔn)附件D中規(guī)定的基準(zhǔn)柴油。新標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)日常燃用輕油的柴油機(jī)具體使用的柴油提出要求，即應(yīng)使用符合GB 252—2015普通柴油的柴油或新標(biāo)準(zhǔn)附錄D中描述的基準(zhǔn)柴油。因此對(duì)漁船實(shí)際使用的柴油質(zhì)量的監(jiān)管顯得尤為重要。經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多地漁民實(shí)際使用的燃油多為價(jià)格便宜的劣質(zhì)柴油。此種燃油為小煉油廠生產(chǎn)，多種成分均不符合GB 252—2015或新標(biāo)準(zhǔn)中的基準(zhǔn)燃油的要求。燃油劣質(zhì)柴油會(huì)使符合排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)的實(shí)際排氣污染物超標(biāo)，同時(shí)也給柴油機(jī)本身帶來嚴(yán)重的損傷，使柴油機(jī)劣化加速，縮短柴油機(jī)的有效生命周期。劣質(zhì)柴油剩余的油渣處理難度大，回收價(jià)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(píng)估新標(biāo)準(zhǔn)二階段生效日期

新標(biāo)準(zhǔn)二階段要求將于2022年7月1日正式生效，而中國(guó)當(dāng)前主流柴油機(jī)仍為機(jī)械式噴油泵和少量電控單體泵機(jī)型，無法滿足二階段排放要求，尤其是PM方面。為保證行業(yè)的有序發(fā)展，建議主管機(jī)關(guān)根據(jù)我國(guó)柴油機(jī)行業(yè)的實(shí)際技術(shù)水平，對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)二階段的生效日期設(shè)置合理過渡期，以便各有關(guān)單位和科研機(jī)構(gòu)有更充足的時(shí)間研發(fā)出真正適合漁船柴油機(jī)的技術(shù)和后處理設(shè)備，并盡量降低新標(biāo)準(zhǔn)給漁船柴油機(jī)制造行業(yè)帶來的沖擊。

4.2 鼓勵(lì)研發(fā)先進(jìn)的燃油噴射方式，促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)

政府和漁船主管機(jī)關(guān)應(yīng)出臺(tái)有關(guān)政策推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，鼓勵(lì)和引導(dǎo)漁船柴油機(jī)企業(yè)和科研院所增強(qiáng)合作，聯(lián)合開發(fā)新的燃油噴射技術(shù)和適用于漁船柴油機(jī)的后處理設(shè)備，促進(jìn)漁船設(shè)計(jì)單位和漁船建造企業(yè)根據(jù)漁船柴油機(jī)后處理系統(tǒng)布置要求開發(fā)新船型或?qū)鹘y(tǒng)的漁船船型進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于高壓共軌燃油噴射技術(shù)，建議采取“走出去”和“請(qǐng)進(jìn)來”相結(jié)合的策略，組織專家學(xué)者多去國(guó)外學(xué)習(xí)交流，鼓勵(lì)柴油機(jī)企業(yè)與掌握關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)外企業(yè)聯(lián)合開發(fā)。全行業(yè)的相關(guān)部門共同努力，推動(dòng)行業(yè)向前發(fā)展。

4.3 優(yōu)化現(xiàn)有尾氣處理輔助設(shè)備

現(xiàn)有多種優(yōu)秀的漁船柴油機(jī)機(jī)型已經(jīng)在漁船上廣泛使用，將這些優(yōu)秀機(jī)型廢棄重新研發(fā)新的機(jī)型，需要較長(zhǎng)的研發(fā)周期，也造成了一定程度的浪費(fèi)。因此為這些優(yōu)秀機(jī)型配套適用的后處理設(shè)備是另一條行之有效的出路。建議在現(xiàn)有的后處理設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化、衍生，推出適用于較小功率的高速柴油機(jī)且占據(jù)空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最好能做成分體式，可以在機(jī)艙棚內(nèi)分散布置的型式。建議主管機(jī)關(guān)根據(jù)漁船行業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)，制定漁船柴油機(jī)尾氣輔助設(shè)備的認(rèn)可指南，為各科研單位和制造企業(yè)指明設(shè)備研發(fā)的方向。

4.4 提高漁民的環(huán)保意識(shí)，加強(qiáng)漁船加油監(jiān)管力度

對(duì)于漁民來說，漁船最大的日常支出是柴油的費(fèi)用，由于劣質(zhì)柴油與符合標(biāo)準(zhǔn)的柴油價(jià)格差距大，加之我國(guó)漁民普遍文化水平不高環(huán)保意識(shí)淡漠，在利益驅(qū)使下，漁民購(gòu)買燃油時(shí)往往優(yōu)先考慮劣質(zhì)柴油。因此一方面，需大力宣傳教育，切實(shí)提高漁民的環(huán)保意識(shí)，使其認(rèn)識(shí)到購(gòu)買使用劣質(zhì)柴油造成的危害，主動(dòng)抵制并監(jiān)督他人使用劣質(zhì)柴油。另一方面，為確保實(shí)船柴油機(jī)使用達(dá)標(biāo)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(dǎo)漁民去正規(guī)站點(diǎn)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(jiān)部門利用信息技術(shù)手段，比如對(duì)漁船柴油機(jī)是否冒黑煙的漁船進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)取證、事后處罰等多種方式綜合監(jiān)管。還可考慮設(shè)立舉報(bào)獎(jiǎng)勵(lì)制度，充分調(diào)動(dòng)群眾的積極性，讓每個(gè)漁民都成為“藍(lán)天衛(wèi)士”。