贾建雄，张世恒，王忠俊

(1.中国船级社 浙江分社，浙江 宁波 315000；2.武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

国际航行船舶发动机均采用《MARPOL73/78公约》[1]附则VI规定的排放标准，即IMO标准体系(以下称为《IMO标准》)，而各缔约国对航行在其辖区内的船舶的船机排放要求不尽相同。长期以来，中国国内航行船舶法规体系采用IMO标准体系，即针对130 kW及以上的船机进行排放污染物管控[2]。此标准体系较美国、欧盟等标准比较宽松、控制对象窄。根据国家打赢蓝天保卫战的部署，为落实《中华人民共和国大气污染防治法》制定的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)》[3](以下简称《国标》)将在国内全面强制实施，涵盖了37 kW至单缸排量小于30 L的船机，在适用范围、控制对象、限值体系、修正系数等方面与《IMO标准》体系存在诸多差异，现对其与《IMO标准》就船机排气污染物控制的实施差异予以分析，供船舶发动机制造、检测和检验相关法借鉴。

1 适用范围和要求的差异性分析

1.1 适用范围

《IMO标准》适用于输出功率超过130 kW的非应急柴油机(或经过重大改装的柴油机)。《国标》适用于额定净功率大于37 kW至单缸排量小于30 L的内河船、沿海船、江海直达船、海峡[渡]船和渔船装用的船机，适用范围扩大到了低功率船机，见表1。

表1 《IMO标准》与《国标》使用范围与要求比较

1.2 控制对象

《IMO标准》的控制对象只有氮氧化物(NOx)；《国标》控制对象除了NOx，还有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和颗粒物(PM)，控制对象有所扩宽。

1.3 排放认可和取证要求

单台船机在进行前期发证检验以获得主管机关(或授权组织)的柴油机国际防止空气污染证书(EIAPP证书)前，应进行型式检验以获得系族(组)的EIAPP证书。型式检验主要包括按照批准大纲进行基于台架试验的排放试验、试验结果核查和技术案卷建立、取证等几个阶段。《IMO标准》采用的试验循环为C1、D2、E2、E3，目前其执行NOx排放限值是IMO TierⅡ。型式试验满意并获得系族EIAPP后，再在船机安装上船前应进行前期发证检验，以确定具体单台机在装船前符合规则要求，检验合格后获得单机EIAPP证书。

《国标》要求较高，其要求应保证船机在规定的有效寿命期内，排气污染物排放符合限值要求。具体要求是在型式试验阶段前，在检测机构的有效监督下，首先对某一类机型完成耐久试验，并确定裂化系数(或劣化修正值)；之后在此基础上进行系族(组)源机的型式试验，型式试验满意并获得系族EIAPP。国标的试验循环与《IMO标准》基本一致，排放限值差别较大。

2 控制指标与限值体系的差异性分析

2.1 控制指标和试验用油差异

《IMO标准》的控制指标是NOx，而《国标》的控制指标包括CO、HC+NOx、CH4(仅适用于NG船机)、PM，《国标》对确定各项指标的分析仪的技术要求与《IMO标准》相同，新增PM检测仪配备要求见表2。按照《IMO标准》进行型式试验的燃油标准是使用ISO8217，2005中规定的具有适合柴油机类型的DM级船用燃料，而国标要求的试验用燃油较前者更苛刻，增加了十六烷值要求、40 ℃下的黏度改为20 ℃下密度，硫含量要求≤10 mg/kg等。

表2 《IMO标准》与《国标》分析仪要求比较

2.2 限值的差异

《IMO标准》与《国标》对排放限值要求做了详尽介绍。《国标》第一阶段技术内容主要参照欧盟对船机第一阶段的排放控制要求和美国EPA对内河船机第二阶段的排放控制要求，《国标》第二阶段的排放限值要求和对船机大修后的要求参照了美国第三阶段的排放控制水平。《国标》与国外内陆水域船机现行排放标准的比较，文献[4]从适用范围、排放限值和试验循环等方面进行了分析，得出了《国标》第一、二阶段限值在国际上所处的水平。

《IMO标准》的限值指标是以转速为基准，《国标》限值指标是以发动机单缸排量为基准。以2款机型为例对比NOx的限值差异，见表3。《国标》HC+NOx限值指标为7.2 g/(kW·h)，该发动机实际测试HC为0.28 g/(kW·h)，扣除该计算值，对NOx排放满足小于6.92 g/(kW·h)才能算合格；而依照《IMO标准》根据转速计算出来的氮氧化物NOx限值为7.85 g/(kW·h)，两者相差约1 g/(kW·h)，如果该机碳氢化合物排放有提高，则相差更大，《国标》限值更为苛刻。某6300型柴油机若按照《国标》进行排放检测，则属于第2类船机，其各项指标限值CO为5.0 g/(kW·h)，HC+NOx为11.0 g/(kW·h)，PM为0.5 g/(kW·h)。单纯考虑NOx限值，由于该机实测碳氢化合物为1.18 g/(kW·h)，扣除该值，则NOx排放满足小于9.82 g/(kW·h)才能算合格；若按照《IMO标准》进行排放检测，则NOx排放限值为9.6 g/(kW·h)。因此,《国标》限值略微高于《IMO标准》限值，两者相差不大。

表3 实证法比较限值的差异

2.3 试验结果评判差异

在执行《IMO标准》进行排放型式试验和结果评判时，仅针对现场测试结果与规则要求的NOx排放进行比较，即仅需直接针对系族(组)源机按照船级社批准的试验大纲进行型式试验，若得出的NOx总加权排放量满足限值要求，则评判合格，船级社给相应系族(组)的船机颁发排放认可证书。

执行《国标》进行型式试验和结果评判时，试验结果应考虑源机的劣化系数指标。首先应确定劣化系数(或劣化修正值)，再将型式试验得出的CO、HC、NOx和PM总加权比排放量，乘以事先取得的劣化系数(安装排气后处理系统的船机)，或加上事先取得的劣化修正值(未安装排气后处理系统的船机)，若得出的结果满足限值要求则评判合格，船级社给相应系族(组)的船机颁发系族(组)排放认可证书。

3 NOx修正系数差异辨析

《IMO标准》和《国标》均规定NOx温度和湿度修正计算的标准环境条件：参考温度为25 ℃时湿度为10.71 g/kg。在进行发动机排放测试时，实验室的环境温度会因季节、天气等因素与标准要求存在较大差异。由于NOx排放与环境大气条件有关，因此，在非标条件下进行排放测试时，NOx排放质量流量计算所使用的NOx质量浓度必须用湿度修正系数进行修正，然后根据所得排放质量流量和相应的加权系数求出加权后的NOx排放值。2个标准规定的修正系数存在差异。

目前满足现行排放控制法规的柴油机基本上为带中间冷却器的增压柴油机，现仅以增压中冷柴油机为例，分析《IMO标准》与《国标》NOx修正系数差异。

3.1 NOx修正系数公式的差异

1)《IMO标准》的修正系数KH为

(1)

2)《国标》规定的修正系数KH为

(2)

3.2 修正系数考虑因素的差异

《IMO标准》和《国标》的修正系数首先都考虑了进气的温湿度条件(见表4)，进气温度和进气湿度对柴油机的燃烧和排放均有较大影响，并且进气湿度越大，影响也越大[5]。

表4 《IMO标准》与《国标》NOx修正系数考虑因素比较

另外《IMO标准》考虑了船机在运行过程中关于中冷器冷却水温可能对NOx排放产生的影响，在NOx修正系数中增加了增压空气温度(即进机温度)与海水温度 25 ℃时的增压空气参考温度的修正，见式(1)。而《国标》修正系数考虑了燃油消耗量与进气空气流量的比值(即燃空比)的因素，燃空当量比对发动机的燃烧温度、燃烧压力和燃烧速率有很大影响[6]，进而影响NOx的生成；其并未考虑船用柴油机在实际运行过程中中冷器冷却水水温变化对中冷后进机空气的影响，但是规定了中冷器冷却介质温度应不低于20 ℃，并规定增压空气的温度应保持在制造企业规定的最大增压温度(即100%负荷时增压温度)的±5 K范围内。《IMO标准》对最大增压空气温度无明确要求，但是在实际测试控制过程中，发动机最恶劣排放与进机空气温度有直接关联[7]，若要得到发动机的最恶劣排放，一般也将最大增压空气温度控制在发动机最大空气温度的上限。

3.3 修正系数的计算分析

为了更直观地表现《IMO标准》和《国标》标准修正系数的差异，以G6300和G6210机型为例，分别进行辅机循环(D2)、主机循环(E3)测试，按《IMO标准》与《国标》修正系数计算式(1)和式(2)计算得到各个工况点修正系数及最终NOx比排放量。

图1是G6300辅机测试循环，试验环境条件相同情况下(各工况点进气温度31.1～31.8 ℃范围)《国标》与《IMO标准》修正系数的对比。

图1 G6300辅机D2循环修正系数对比

由图1可见，不同运行工况下，《IMO标准》修正系数比《国标》修正系数均约高2.0%～4.0%，这主要是因为环境条件状态一致，而该款发动机增压空气参考温度在各工况点下均比实际进入发动机内空气温度即中冷器出口空气温度高，且实际增压器入口环境温度也高于标准温度25 ℃，整体修正计算公式中后2项为负数，导致分母偏低，计算出来的修正系数略微偏高。

在图2 G6300主机循环中，这种影响依然存在，但《IMO标准》修正中，还有一项关于空滤器入口绝对湿度Ha与增压空气绝对湿度的比较，在个别工况点环境条件和运行状态变化后《国标》修正高于《IMO标准》修正。

图2 G6300主机E3循环修正系数对比

G6210辅机、主机测试循环，在较低的进气温度环境(15.5～16.4 ℃)《国标》与《IMO标准》修正系数的对比见图3、4，均体现出《IMO标准》修正大于《国标》修正情况。

图3 G6210辅机循环D2修正系数对比

图4 G6210主机循环E3修正系数对比

图5 G6300NOx比排放量对比

比较G6300NOx最终比排放量计算值，存在《IMO标准》计算结果会高于《国标》计算，见图5。主机循环因个别工况点《国标》修正高于《IMO标准》修正，NOx最终比排放量《国标》与《IMO标准》几乎相同。主要是因为加权后NOx比排放量不仅受到各工况点修正系数的影响，还与加权系数和各工况点的排放分担率有关，分担率较大的工况点对NOx排放值的影响较大[8]。

分析认为，《国标》第一阶段NOx的控制要求与《IMO TierⅡ》处于同一水平，其中单缸排量小于20 L的船机，《国标》的控制要求比《IMO TierⅡ》严格；单缸排量大于20 L小于30 L的船机，《国标》的控制要求和《IMO TierⅡ》的要求大致相当。第二阶段的控制重点PM，第二阶段PM指标有较为显著的下降(更苛刻)，和第一阶段相比，PM下降了40%～60%，HC+NOx总体降低了20%以上，基本达到《IMO TierⅢ》的排放控制水平。

4 颗粒物的测试技术要求

与《IMO标准》相比，《国标》最大的差异是新增了PM这一指标。《国标》对颗粒物测试和限值要求做了详细说明，包括颗粒物测试系统要求、颗粒物取样与称重要求、测试过程要求等。

4.1 颗粒物测试系统要求

颗粒物测量需要使用稀释系统，稀释系统分为全流稀释系统和部分流稀释系统。部分流稀释系统可分为全部取样部分流稀释系统和部分取样部分流稀释系统。《国标》推荐的部分流稀释系统如下：等动态系统、带质量浓度测量的流量控制系统和带流量测量的流量控制系统，为了实现部分流稀释系统的优点，必须注意避免在输送管中损失颗粒物。而全流稀释系统分为单级稀释和双级稀释。稀释系统的流量能力应足以完全消除水在稀释和取样系统中的凝结，并使紧靠滤纸保持架上游处的稀释排气温度不超过 325 K(52 ℃)。

4.2 颗粒物取样与称重要求

测量颗粒物质量需要有颗粒物取样系统、颗粒物取样滤纸、微克天平和控制温度及湿度的称重室。

1)颗粒物的取样可以使用2种方法：单滤纸方法和多滤纸方法。为了避免控制循环的影响，推荐取样泵在整个测试循环中运转，对单滤纸方法应该使用旁通系统。取样必须尽可能在每个工况的最后进行，每个工况的取样时间，对单滤纸方法最少20 s，对多滤纸方法最少60 s；对没有旁通功能的系统，每个工况的取样时间最少必须60 s。

2)颗粒物取样滤纸、微克天平和称重室的要求《国标》也做了明确规定。其中称重室在颗粒物取样滤纸预处理和称重期间应保持在295 K(22 ℃)±3K，湿度应保持在露点温度为282.5 K(9.5 ℃)±3 K和相对湿度45±8(%)。

3)颗粒物称重要求。测量颗粒物质量过程中，滤纸的称重至关重要，为了消除静电效应，滤纸应在称重之前中和。

(1)滤纸的预处理要求。试验前至少1 h，每张(对)滤纸应该放在一个有盖但不密封的培养皿中，放入称重室进行稳定。稳定结束后，应称量每张(对)滤纸的净质量并记录，因分析天平的精确度和分辨率较高，需多次读稳定数值取平均。记录结束把这张(对)滤纸放置在有盖的培养皿中或滤纸保持架上直到试验需要，如果这张(对)滤纸在离开称重室的 8 h内没有使用，在使用前必须重新稳定、称重。

(2)参比滤纸的称量要求。在对取样滤纸(对)称重后的4 h内，应同时称重2张未经使用的参比滤纸或参比滤纸对，参比滤纸(对)的尺寸和材料应与取样滤纸相同。在取样滤纸2次称重期间，如果参比滤纸(对)的平均质量的改变量超过推荐滤纸最小荷重的±5%(滤纸对±7.5%)，则所有的取样滤纸作废，重做排放试验。如称重室不符合《国标》要求温湿度条件，但参比滤纸(对)称重符合要求，则船机制造企业可选择承认取样滤纸的质量，或否定该试验，在调整称重室控制系统后，重做试验。

(3)测试后滤纸的称重要求。试验完成后，应将滤纸送回称重室稳定至少1 h，然后才可称重，但不得超过80 h。

(4)滤纸荷重要求。对于单滤纸方法，滤纸荷重应不小于推荐的最小荷重；对于多滤纸方法，所有滤纸荷重之和应不小于推荐的最小荷重和工况数的平方根的乘积。例如，滤纸直径为47 mm进行D2循环测试，则5个工况点滤纸荷重之和应不小于1.118 mg。

4.3 颗粒物测试过程注意事项

1)试验开始前完成测试系统泄漏检查，并完成系统流量计校准检查。对于多滤纸方法，每次更换滤纸后应进行系统泄漏检查。

2)调整合适的稀释比和取样时间，总稀释比不低于4。保证每个试验工况滤纸表面温度不超过325 K(52 ℃)，滤纸压力降的增加量不超过25 kPa，并且保证滤纸荷重满足要求。

5 结论

1)《国标》在适用范围上增加了37～130 kW功率段的船机；在控制指标上增加了CO、HC和PM；在限值上《国标》第一阶段NOx的控制要求与《IMO TierⅡ》处于同一水平，《国标》第二阶段PM和HC+NOx限值要求均显著下降，基本达到《IMO TierⅢ》的排放控制水平；在排放认可和取证要求方面，《国标》要求更高。

2)《国标》在NOx修正系数方面与《IMO标准》考虑不尽相同。《国标》考虑到了燃空比的影响，但是未充分考虑船机工作环境对NOx排放的影响，虽然对中冷器冷却介质温度和进机温度提出了要求，但在修正系数计算过程未有明显体现，使得修正系数与《IMO标准》出现差异，进而使实际排放测试过程NOx计算结果比《IMO标准》略低。

3)《国标》增补了颗粒物限制指标，对颗粒物测试系统、颗粒物取样与称重、颗粒物测试过程等方面作出了明确要求。