0 引　言

近年来我国航运业取得了巨大的成就，促进经济发展的同时也加剧了港口及周边地区的空气污染^[1]。据统计，船舶和港口活动产生的污染物排放量在港口污染物排放总量中的比重逐渐升高，尤其是远洋船舶的贡献率最大^[2,3]。发达国家的污染物排放法规体系较为成熟，而我国远洋船舶长期以来执行国际海事组织制定的防污染公约，未制定针对内河和沿海船舶的污染物排放标准。为了改善我国内河及沿海船机的污染物排放现状，2016年8月我国颁布了《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）》即GB 15097-2016，以下简称“国标”。国标规定船机及其后处理装置均要进行耐久性试验，确定劣化系数（修正值）。船机在进行国标型式检验时，排放测试结果应使用劣化系数（修正值）进行修正，修正后的结果若满足限值要求，型式检验结果才评判为合格^[4]。

与非道路用柴油机相比，船用柴油机一般功率较大，进气流量大，在排放测试过程中，船机企业无法提供恒温恒湿的试验室环境条件，环境参数会不断发生变化。有关船用柴油机耐久性试验排放特性的研究较少^[5]，而环境参数变化对柴油机排放影响的研究较多，主要集中在进气温度、进气湿度和增压空气温度等方面^{[6 − 10]}。另外，为了应对非标准环境条件下环境参数变化对NO_X排放测试结果带来的影响，国标给出了NO_X湿度修正系数的计算公式，对NO_X测试结果进行温湿度修正。该计算公式与国际海事组织防污染公约中的计算公式有较大不同^[11,12]，并且有研究表明其修正效果不理想^[13]。

本文首先根据前期完成的几组船用柴油机耐久性试验的特点，对试验方案的制定和实施过程进行梳理。然后结合某型中速船机的耐久性试验数据，对各污染物的修正计算结果进行简要分析，探讨环境因素变化对各污染物的修正系数、比排放量以及劣化趋势的影响程度。对接下来船机耐久性试验的实施有一定借鉴作用。

1 耐久性试验过程 1.1 耐久性试验方案的确定 1.1.1 耐久性试验要求

国标对耐久性试验的要求进行了详细说明，主要内容大致如下：

1）第一、二类船机需进行有效寿命约1/4时间的排放耐久性试验，即耐久性时间应不少于2500 h。试验可采用加速老化的方法，但加速老化需遵从等功率原则或等油耗原则。

2）排放测试应在磨合期结束时、耐久性试验结束时以及耐久性试验期间选择几个间隔点进行。当排放耐久试验没有覆盖整个排放耐久期时，排放耐久期结束时的排放值应根据试验期间确立的劣化趋势外插到耐久期结束点确定。有效寿命终点的排放值应根据周期性记录的排放试验结果按照最小二乘法确定，然后根据公式计算得出各污染物的劣化系数（修正值）^[4]。

1.1.2 耐久性试验方案的制定

试验方案的制定过程中主要包括试验循环、试验仪器、试验方法以及测试间隔点的选择等。

1）试验循环的选取

船用柴油机的试验循环均为稳态循环，试验循环的选取应根据该发动机系族的用途选定。若发动机作为恒定转速下的船用辅机使用，需选择D2循环作为试验循环；若发动机仅作为推进特性运行的船用主机使用，需选择E3循环作为试验循环。当该系族发动机用途较广泛，需选取相同时间段内，循环做功最高的试验循环，以使得试验获取的劣化系数可代表该系族的全部机型。

2）试验检测设备的选择

国标对气态污染物各组分析仪进行了相关介绍。因船机排放测试循环均为稳态循环，所以采样过程均采取直采方式，即直接从柴油机排气管中取样然后通入气体排放分析系统。

而颗粒物的测量较为复杂，需使用稀释系统、采样系统和称重系统等。国标认可的稀释系统分为全流稀释系统和部分流稀释系统，两者各有优缺点，并具有很高的相关性^[14]。考虑到船机功率普遍较高，全流稀释系统会因为场地的限制难以实现，故颗粒物的测量多采用部分流稀释全部取样系统。

3）加速老化方法的选择

船用柴油机一般功率较大，若按照2500 h进行耐久性试验的成本非常高，故耐久性试验多采用加速老化的方法。而加速老化需遵从等功率原则或等油耗原则。其中等功率原则指试验可按照特定的负荷进行，耐久试验结束时累计运行总时间内的做功总和应不少于按照选取的基准试验循环进行试验的做功总和。以E3循环为例，按每循环运行时间为100 min计算，各工况点的运行时间及无量纲功如表1所示。

若耐久性试验均按照100%负荷进行，则加速老化运行总时间如表2所示。

而采用等油耗原则需测量试验机型各负荷工况点的油耗量，与等功率原则相比，可操作性较差，所以船机耐久性试验多选取基于等功率原则的加速老化方法。

4）排放测试间隔点的确定

根据最小二乘法的拟合原理，若要获取试验期间的排放劣化趋势，应选择3个以上的间隔点。从原理上讲间隔点数量越多越好，但排放测试间隔点过多，不同间隔点之间的排放特性的变化不明显，而且会增加试验成本，所以排放测试间隔点的数量应适当并均匀分布。而非道路用柴油机耐久性试验选取5个以上的测试间隔点较具有代表性^[15]，所以可以借鉴非道路用柴油机的做法，试验期间等间隔地选取6个排放测试间隔点。若依照E3循环的做功量进行计算，试验均按照100%负荷进行，各测试间隔点与基准试验循环的对应关系如表3所示，可根据现场实际情况进行略微调整。

1.2 耐久性试验方案的实施

1）台架试验条件控制

试验过程中台架布置需满足国标要求，另外试验发动机配置具体要求如下：①在额定转速和全负荷，增压空气温度应保持在制造企业规定的最大增压空气温度的±5K 范围内；②冷却介质温度应不低于293 K（20 ℃）；③进气压力降应在制造企业规定的上限值的±300 Pa范围内；④排气背压应在制造企业规定的上限值的±650 Pa范围内；⑤气态污染物取样点处废气温度要求大于190℃。

2）试验过程控制

船机试验台架大多未安装进气空气调节系统，环境参数会不断变化，非标准环境条件下测试结果均需进行温湿度修正。为了避免环境参数的剧烈变化，在试验过程中可根据环境因素变化情况对排放测试间隔点进行微调。

排放测试时一个测试循环应按照规定的顺序连续完成，当船机未达到稳定状态之前，不进行颗粒物的采样和气态污染物的测量，但颗粒物采样和气态污染物测量的完成时间应一致。

3）颗粒物采样注意事项

①采样滤纸的荷重与取样时间和稀释比有关。国标对采样滤纸压力降的增加量有明确要求，所以在耐久性试验过程中需根据采样时的滤纸压力降对稀释比和采样时间进行适当调整。

②滤纸称重的要求十分严格，主要是滤纸称重前后稳定时间的控制。首先，在试验前滤纸需放入称重室稳定1 h以上方可称重；若滤纸离开称重室8 h内没使用，在使用前必须重新稳定称重。其次，试验完成后应将滤纸送回称重室稳定至少1 h，方可称重，但不得超过80 h。

1.3 船机耐久性试验特点

国标实施已久，各船机企业进行的耐久性试验也较多，虽然各企业的船机机型特点和排放特性差异较大，但是在试验过程中存在一些共同特点。大致如下：

1）试验过程中环境因素变化幅度较大，虽均采用加速老化的方法，但试验的时间跨度仍较长。另外不同试验机型选择的时间跨度又不同，环境因素变化特点的差异性较大。

2）排放测试结果按照国标给出的修正系数进行修正计算，部分测试节点的计算结果存在较大差异，即代表修正系数不能完全消除环境因素变化对排放结果带来的影响。

2 某型中速船机试验数据分析

以某型中速船机的耐久性试验数据为例，对不同测试节点污染物修正计算结果加以对比，来分析环境因素变化对各污染物劣化趋势的具体影响。该机型采用D2循环，排放测试节点为6次。其中，HC和CO比排放量受修正系数影响较小，所以仅对NO_X和PM比排放量的变化情况进行对比。另外结合各工况点的加权系数情况，选取具有排放代表性的75%负荷工况点和25%负荷工况点进行分析。

2.1 环境因素变化情况

耐久性试验过程中各环境参数变化如图1所示。可知，不同测试节点的环境温湿度变化较大。进气温度最高的节点6比温度最低的节点5高约80%；相对湿度最高的节点2比湿度最低的节点1高约37%；增压空气温度除节点1和节点6部分负荷点偏差稍大，其余负荷时偏差均较小。另外，同一测试节点不同负荷时的环境参数变化较小。

2.2 修正系数分析

试验过程中不同排放测试节点的干/湿基校正系数和NO_X湿度修正系数变化如图2所示。可知：干/湿基校正系数在不同测试节点的变化不大，偏差均在1%以内，所以环境因素变化对干/湿基校正系数的影响较小。

而NO_X湿度修正系数的变化幅度较大，主要体现在进气温湿度变化剧烈的节点1、节点2、节点5和节点6。该系数主要与进气温湿度有关，目的是为了消除温湿度变化对NO_X排放所带来的影响，理论上NO_X湿度修正系数可消除温湿度变化带来的影响。

2.3 比排放量分析

试验期间各污染物排放浓度及比排放量的变化如图3所示。

由图3（a）可知：不同负荷时的NO_X排放浓度在各排放测试节点的变化趋势基本一致，并且随着柴油机负荷减小而降低，这是因为D2循环负荷减小，循环喷油量减少，缸内的最高燃烧温度降低，不利于NO_X的生成。

NO_X比排放量的变化趋势与排放浓度的变化趋势基本一致，但在不同测试节点时的偏差依旧存在，尤其是在节点1和节点6，虽然NO_X湿度修正系数有较强的修正作用，但没有完全消除温湿度变化对排放结果带来的影响。

由图1和图3（b）可知，PM排放量与进气温度无明显的相关关系，但与进气相对湿度变化有较明显的正相关关系，即PM比排放量对湿度的敏感性更高。这是因为进气湿度提高使缸内反应条件恶化，碳烟颗粒会大量吸附燃烧室内的多余水分，导致颗粒物排放量的上升。

2.4 劣化趋势分析

将各污染物在不同排放测试节点的加权比排放量按照最小二乘法进行线性拟合，得出各污染物在试验期间的排放劣化趋势，并将劣化趋势延伸至有效寿命终点（10000 h），如图4所示。

国标规定对于HC+NO_X的劣化修正值，应根据试验过程中测量的HC+NO_X总比排放量来确定，如图4（a）所示。但对船机而言，HC排放量均较低，HC+NO_X的劣化趋势主要受NO_X的劣化趋势影响，而NO_X比排放量受NO_X湿度修正系数影响较大，故HC+NO_X的劣化趋势主要受NO_X湿度修正系数的影响。图4（a）中，HC+NO_X的劣化修正值为0，即耐久性试验过程中HC+NO_X排放越来越低。然而随着耐久性试验的进行，受喷油器积碳等因素的影响缸内燃烧状况会恶化，导致NO_X生成量增加；而HC生成机理较复杂，不会随着燃烧状况恶化而出现跳跃性变化，故HC+NO_X排放越来越低的现象明显有悖于柴油机长期运行后其排放状态的变化情况。图4（a）中劣化趋势受节点6的影响较大，而节点6温湿度变化剧烈，NO_X湿度修正系数虽略高，但比排放量依然偏低，即NO_X湿度修正系数的修正作用不足。

另外，图4（b）中，各节点PM比排放量与劣化趋势线的偏差较大，即线性拟合效果较差。主要因为不同测试节点PM比排放量的偏差较大，尤其是节点1、节点5和节点6，同样与环境因素变化幅度大有一定关系。

3 结　语

在GB15097-2016实施之前，船用柴油机从未进行过耐久性试验。为了确保船机耐久性试验的顺利进行，借鉴了部分非道路用柴油机耐久性试验的做法。但船机具有其自身特点，耐久性试验过程中环境参数难以实现定值控制，排放测试结果需加以修正，温湿度变化剧烈的测试间隔点难以通过NO_X湿度修正系数消除其对排放结果的影响。为了减少试验过程中环境因素不确定性的影响，制定合理的试验方案为基础，需选取适当的时间跨度进行耐久性试验，避免选取温湿度骤变的季节。另外对试验过程及时调整也是获取合理劣化趋势的关键，尤其是对排放测试间隔点的调整，应确保各排放测试间隔点的环境因素偏差尽量小。