0 引　言

黑碳是化石燃料及生物不完全燃烧产生的大气污染物^[1]，具有极其独特的理化性质^[2]。作为一种短期气候强迫因子，黑碳的温室效应被认为仅次于二氧化碳^[3]。此外，黑碳于大气中形成的气溶胶颗粒往往吸附了大量的多环芳烃、有机碳等对人体具有强烈毒害作用的物质^{[4 - 7]}，黑碳气溶胶随大气环流扩散至世界各地，对地球生态环境造成了极大危害。

由于温度异常上升使得北极海冰大量流失，冰架的衰退却为人类在北冰洋的航运活动提供了便利，与通过苏伊士运河的传统航线相比，北冰洋航线的开辟能显著缩短从亚洲至欧洲的航行距离^[8]。据估计，至2030年，世界近5%的海运贸易都将借由北极改道^[9]。目前，几乎所有的大型远洋船舶都以燃烧重油输出动力^[10]。船用重油粘度高、密度大、成分复杂，由于成本低廉而被广泛应用于航运业，然而使用重油所造成的环境污染却难以令人忽视。重油在发动机内的贫氧燃烧极易造成黑碳排放。作为颗粒物中最强的光吸收成分^[11]，黑碳在北极冰雪上的附着与沉积会加剧冰川融化^[12]，而冰川的融化则会吸引更多船舶加入到北极航线当中，这一恶性循环使得本就脆弱的北极生态遭受了持续而不可逆转的破坏。2018年，全球船舶共计贡献了约10万吨黑碳排放，相较于2012年的8.9万吨增长了12%^[13]。2015 − 2019年，北极地区的重油消耗量增加了75%，同期该地区的船舶黑碳排放增加了85%^[14]，而若要将全球变暖限制于1.5℃以内，全球黑碳排放水平至少比2010年低35%^[15]。

国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）长期致力于国际航运管理与海洋污染治理，船舶黑碳议题于2008年首次引起了该组织的关注^[16]，经过研讨，IMO最终于MEPC（Marine Environment Protection Committee） 68会议明确了黑碳的定义以及主要性质^[17]。在2017年于华盛顿举行的第四次研讨会上，与会者推荐了3种适用于船用发动机的黑碳排放测量方法，分别为激光诱导炽热仪、声光式烟度计以及滤纸式烟度计^[18]。此后各国应邀开展了各项船舶黑碳排放的测试与研究工作，并于2019年PPR6会议上提出了6项IMO应纳入考虑范围的黑碳控制政策，其中包括对新旧船舶在全球或区域性的黑碳排放限制，靠港时强制使用岸电以及禁止在北极使用重油等^[19]。然而当前世界各国对该议题的立场及态度仍存在分歧，PPR7会议决定根据MEPC 74的指示，成立通信小组进一步开展船舶黑碳排放的研究工作，包括推进标准化的黑碳排放抽样、调节和测量协议，对测量方法的不确定性进行分析，以保证黑碳测量数据的准确度与可比性，此外仍需积累黑碳排放数据以对潜在的黑碳减排技术进行可行性验证^[20]。

对于现役船舶而言，国际上普遍认同最简便易行的减排方法为更换燃料，其优势在于无须对船机进行改造或额外加装后处理设备^{[21, 22]}。醚、醇类以及生物柴油等清洁燃料被认为具有较好的燃烧和减排效果，可与传统柴油以任意比例掺混使用^[23]。因此本文以MAN 6S35ME-B9低速二冲程船舶柴油机为试验对象，测量了其在不同稳态工况下燃用轻柴油、重油及不同比例生物柴油（与轻柴油进行掺混，体积比分别为50%、30%以及10%）时的性能参数及排放物浓度，并结合试验数据对其黑碳排放特性进行分析。本文研究结果可为船舶黑碳排放控制技术的研发与相关政策的制定提供参考。

1 材料与方法 1.1 试验对象

试验对象为MAN公司生产的6S35ME-B9型低速二冲程船舶柴油机，其主要技术规格如表1所示。

1.2 试验测试仪器

测控系统为江苏启东市联通测功器有限公司生产的NCK 2000，该系统可自动测量发动机的转速、扭矩、油耗以及多路温度、压力等参数（各性能参数的记录频率为0.1 Hz）；油耗仪为德国RHEONIK公司生产的RHE 08科氏质量流量计，最大量程为50 kg/min；角标仪Tacho signal amplifier A用于记录曲柄转角，同时使用KISTLER 6613CQ13缸压传感器记录发动机气缸内随曲柄转角变化的瞬时压力；使用CAI 700 HFID排放分析仪测量尾气中的NOx、CO等气态污染物浓度。试验中同时使用滤纸式烟度计（Filter-type Smoke Meter，FSN）与声光式烟度计（Photoacoustic Smoke Meter，PAS）测量发动机尾气中的黑碳排放浓度，设定滤纸式烟度计单次抽取5 L尾气，同时测量10个样本，声光式烟度计的测量频率为1 Hz，每个工况的采样时间为3～10 min。根据测量原理，滤纸式烟度计的直接测量对象为尾气中的烟度值R_FSN，根据国际标准ISO 8178-3^[24]，黑碳的质量浓度换算式为：

$eBC=\frac{1}{0.405}\times R_{FSN}\times 5.32\times {e}^{0.306 2\times R_{FSN}}。$

(1)

式中：$eBC$为黑碳的质量浓度，mg/m³；$R_{FSN}$为滤纸式烟度计测得的烟度值。

试验测试系统的布置如图1所示。

1.3 试验方法 1.3.1 试验燃料

试验中共选用6种燃料，分别为国Ⅵ 0#轻柴油（D100），掺混生物柴油Bio50、Bio30以及Bio10，低硫重油（Low Sulfur Fuel Oil, LSFO）和高硫重油（High Sulfur Fuel Oil, HSFO）。其中，生物柴油由国Ⅵ -10#纯轻柴油与国产二代纯生物柴油按比例掺混而成，生物柴油的体积比分别为50%、30%与10%。表2为各燃料的主要燃油品质参数。

1.3.2 试验内容

1）准备及启动：D100及生物柴油由于无须预热，启动至工况稳定需约1 h，而LSFO与HSFO由于常温下粘度较高，输入管路前需对其进行预热，启动至工况稳定需约4 h。起动试验需记录环境温度，燃油、机油、冷却水温度及启动时间等。

2）稳态工况试验：试验工况的选取参照中国船级社《船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南》中规定的用于按推进特性运行的船用主机试验循环（E3循环）及用于恒速船用主机的试验循环（E2循环）。由于本次试验燃料种类较多，试验时间较长，所选试验工况与上述指南规定的有所不同，即将额定功率限制于常用功率3250 kW。具体试验工况见表3。

3）试验要求：6种燃料均按照上述工况进行测试。试验前需对排放测试设备进行标定，检查设备的零点、满量程点及线性度。每一测试工况至少稳定运转5 min后，从柴油机排气中连续取样测量，并将测量数据储存于数据获取系统中，分析排气时的记录时间不小于10 min。在排放数据测量的同时，应记录发动机的相关性能参数。

2 结果与讨论 2.1 燃用不同燃料的黑碳排放特性分析

图2为同一稳态工况下黑碳排放浓度随燃料种类的变化趋势。图2(a)～图2(d)为E3循环工况，图2(e)～图2(g)为E2循环工况。可知，各工况下生物柴油的黑碳排放浓度均低于纯柴油，大多工况下由于Bio50的生物柴油掺混比例最高，其黑碳排放浓度也最低，相较于高负荷工况，在低负荷工况下这一现象更为显著。重油的黑碳排放浓度均远高于轻油，而HSFO的黑碳排放浓度均高于LSFO。

图3为声光式烟度计的测试结果。可知，同一工况下使用不同燃料时，黑碳排放浓度变化趋势与滤纸式烟度计的测试结果相近，不同之处在于声光式烟度计的测量结果方差较大，原因在于二者测量原理不同，声光式烟度计常用于测量瞬态工况下的黑碳浓度，其测量频率高，结果一致性相对较低。

为了定量比较轻油相对于重油黑碳排放的减排效果，结合表3中的工况加权系数对黑碳排放下降率进行计算，计算方法如下式：

$\begin{split} {BC}_{Ei}=& 0.2 \cdot {eBC}_{Ei1}+0.5 \cdot {eBC}_{Ei2}+\\ &0.15 \cdot {eBC}_{Ei3}+0.15 \cdot {eBC}_{Ei4} ，\end{split}$

(2)

$Declinerate\_Ei=\left(\frac{{BC}_{Ei\_{\rm{heavy}}}-{BC}_{Ei\_{\rm{light}}}}{{BC}_{Ei\_{\rm{heavy}}}}\right)\times 100{\text{%}}。$

(3)

式中：${BC}_{Ei}$为循环工况加权后的黑碳排放浓度，$i$为2或3，代表E2或E3循环。

黑碳排放下降率的计算结果如表4所示。

滤纸式烟度计与声光式烟度计的测试结果均证明掺混一定比例的生物柴油对于降低船舶柴油机黑碳排放产生了积极效果，原因在于：1）生物柴油中的含氧量明显高于轻柴油与重油，一定程度上抑制了部分工况下由于缸内混合气过浓而导致的局部贫氧燃烧过程，进而使排放性能得到了有效改善；2）生物柴油与轻柴油的粘度、密度以及多环芳烃等大分子含量相对重油更低，对燃烧过程起到了促进作用，缸内燃料燃烧时预混燃烧比例增大，放热迅速而充分，故燃用轻质燃料时的黑碳排放浓度相较燃用重油时明显下降。

图4为燃用不同燃料时，黑碳排放浓度随发动机负荷的变化趋势。可知，随发动机负荷的上升，缸内燃烧状况趋于稳定，黑碳排放浓度逐渐下降，2种烟度计的测试结果呈现出相近的趋势，低负荷时发动机的黑碳排放浓度与高负荷时的浓度差异最高可达十数倍。然而，发动机燃用重油时，2种烟度计的黑碳排放浓度测试结果出现了明显差异：由图4(e)和图4(f)，在中高负荷工况下（50%～100%负荷），滤纸式烟度计的测量值明显高于声光式烟度计，使用LSFO和HSFO时二者的平均偏差率分别为36.7%和42.6%。另外，重油测试结果的标准差相较其余4种轻质燃料明显更大。

2.2 气态污染物与黑碳排放的关联性分析

图5将使用同种燃料时的黑碳排放浓度（滤纸式烟度计测量）与NOx排放浓度随负荷的变化趋势进行了对比。可知，随着负荷上升，黑碳排放浓度下降，而NOx排放浓度升高，二者呈现出显著的“trade-off”趋势，原因在于NOx的生成条件为高温、富氧及高温持续时间，随着发动机负荷升高，其缸内平均燃烧温度更高，持续的高温以及相对高浓度的氧气氛围使得黑碳生成过程受到了抑制，同时导致了更高的NOx排放。使用生物柴油时的NOx排放浓度相较于D100、LSFO和HSFO在各试验工况下均明显更高，说明燃料中额外的氧元素参与了缸内燃烧过程。氧浓度增加，同时缸内燃烧温度上升使自由基活性增加，从而促进了以热力型主导的NOx生成反应，导致NOx排放浓度上升。

图6为使用相同燃料时，黑碳与CO排放浓度随负荷的变化趋势对比。可知，随着负荷的上升，与黑碳类似，CO排放浓度同时呈现出逐渐下降的趋势。CO为碳氢燃料在燃烧过程中生成的重要中间产物，当可燃混合气过浓，OH自由基主要被H夺走束缚于H₂O中^[25]，导致CO难以被充分氧化，从而留存在尾气中被排出气缸，最终导致CO排放浓度上升。使用生物柴油时CO排放浓度相对D100及重油更低，原因在于生物柴油含氧量更高，在可燃混合气较浓的工况下，燃料中氧元素的加入有效抑制了缺氧导致的黑碳及CO生成过程，使二者的排放浓度明显降低。

2.3 性能参数分析

图7和图8分别为不同工况下的发动机扫气压力与排气温度。可知，扫气压力与排气温度随负荷的升高而上升，而2种重油的扫气压力与排气温度明显高于其余4种轻质燃料，重油的排气温度在100%负荷时最高可达370℃，轻油排气温度最高为350℃。重油排气温度更高，说明尾气中蕴含的能量相对更高，涡轮增压器压比上升，故扫气压力升高。

图9将分别燃用不同燃料时的发动机燃油消耗率进行了对比。可知，与使用D100时相同，在使用其余燃料进行试验时，发动机负荷上升，燃油消耗率也随之下降，而其中生物柴油Bio50、Bio30和Bio10的燃油消耗率在各工况下均偏高，3种生物柴油相较于D100的燃油消耗率的平均升高率分别为5.81%、3.63%和3.61%，生物柴油的净热值比纯柴油相对较低，故燃烧释放出等量的热量时需要消耗更多燃料。

图10为燃用各燃料时，发动机处于推进特性循环75%负荷工况下的缸内压力随曲轴转角变化的曲线图。可知，由于该低速机的喷油时刻位于上止点后，缸压呈现出明显的双峰形，左侧峰值与上止点相对应，将峰值局部进行缩放后发现重油的压缩峰值明显高于其余燃料，这一现象与扫气压力相对应，由于燃用重油时扫气压力更大，单位时间内的进气量更多，故活塞到达上止点时，其压缩压力更大。而从右侧燃烧峰值可以看出生物柴油的最高爆发压力比D100与重油更大，而放热时刻也更加靠前，说明使用生物柴油时，由于生物柴油中包含的氧参与燃烧，使得缸内燃料过程进行的更加充分，其缸压曲线面心前移意味着此时燃料放热迅速，能量转换效率更高。而重油由于粘度高、成分复杂、燃烧缓慢，导致燃烧持续期延长，后燃期比例升高，能量利用效率低下，相当一部分燃料在活塞的膨胀行程进行燃烧，难以对外输出有效功，而作为余热排出缸外，故燃用重油时发动机的排气温度相对更高。

3 结　语

1）燃用轻柴油D100以及生物柴油时，各试验工况下测得的黑碳排放浓度相较重油LSFO和HSFO显著降低，并且随着生物柴油掺混比例的增加，黑碳减排效果越明显。

2）2种烟度计的测量结果在测试重油的黑碳排放浓度时出现了明显差异。在中高负荷工况下（50%～100%负荷），滤纸式烟度计的测量值明显高于声光式烟度计，使用LSFO和HSFO时二者的平均偏差率分别为36.7%和42.6%。

3）随着负荷上升，黑碳排放浓度下降，NOx排放浓度升高，二者呈现出显著的“trade-off”趋势，使用生物柴油时NOx排放浓度相较D100、LSFO和HSFO在各试验工况下均明显更高；同时，与黑碳类似，CO排放浓度也呈现出逐渐下降的趋势，而使用生物柴油时CO排放浓度相对D100及重油更低。

4）燃用生物柴油时，发动机缸内最大爆发压力明显高于D100与重油，放热时刻靠前，证明此时缸内燃料燃烧过程进行的更加充分，缸压曲线面心前移意味着此时燃料放热迅速，能量转换效率更高，使用重油时由于重油粘度较高、燃烧缓慢，导致燃烧持续期延长，后燃期比例升高，能量利用效率低下，故燃用重油时发动机的排气温度相对更高，但由于生物柴油净热值较低，燃用生物柴油时燃油消耗率偏高，Bio50、Bio30和Bio10相较D100在各试验工况下，燃油消耗率的平均升高率分别为5.81%、3.63%和3.61%。