基于MARPOL公约附则VI的船用柴油机排放测试研究

第１０卷第１期　２０１１年３月　南通航运职业技术学院学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＮＡＮＴＯＮＧ　ＶＯＣＡＴＩＯＮＡＬ＆ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＳＨＩＰＰＩＮＧ　ＣＯＬＬＥＧＥ　ＶｏＩ．１０　Ｎｏ．１　Ｍａｒ．２０１　１　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７ｌ—＿９８９１．２０１１．Ｏ１．Ｏ１１　

基于ＭＡＲＰＯＬ公约附则ＶＩ的船用柴油机排放测试　

研究　

宋岩　（南通航运职业技术学院轮机工程系，江苏　南通２２６０１０）　

摘要：文章在ＭＡＲＰＯＬ￣附则ＶＩ修正案的基础上，以Ｚ６１５０ＺＬＣＺ．５型柴油机为例，通过对该机型柴油机ＮＯｘ　排放的现场测试，评价其Ｎｏ）ｃ排放水平，并对影响排放测试结果的因素进行分析研究。　关键词：船用柴油机；排放测试；ＭＡＲＰＯＬ／Ａｘ约附则ｖＩ　中图分类号：Ｕ６６４．１２１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１．９８９１（２０１１）０１．００３９．０５　

０　引言　《Ｍ　ＯＬ７３／７８公约》附则ＶＩ的实施及其修正案在２００８年通过，对船用柴油机的发展产生了多方面的　

影响。附则ｖＩ规定每一台安装在２０００年１月１日或以后建造的船舶上，输出功率超过１３０ｋＷ的柴油机，以　及每一台在２０００年１月１日或以后经过重大改装的、输出功率超过１３０ｋＷ的柴油机，均应使其废气排放达到　附则Ⅵ第１３条（３）（ａ）款的标准，其规定的Ｎｏｘ排放的最高限值如图１所示。同时，附则ＶＩ第１２条要求禁止　

消耗臭氧层物质的行为。　

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０　２００　４００　６００　８００　１０００　１２００　１４００　１６００　１８００　２０００　２２００　发动机额定转速ｎ（ｒｐｍ）　图１　船用柴油机最大允许ＮＯ　排放量　本文在新版ＭＡＲＰＯＬ公约附则Ⅵ的基础上，对柴油机测试实例进行了分析研究。以Ｚ６１５０ＺＬＣＺ．５型　柴油机为例，通过对该机型柴油机Ｎｏｘ排放的现场测试，来评价其Ｎｏｘ排放水平，并对影响排放测试结果的　

因素进行分析和对比。　

１　柴油机测试试验　１．１柴油机的性能基本参数如下　

机型：Ｚ６１５０ＺＬＣＺ．５；气缸直径（ｒａｍ）：１５０；活塞行程（Ｊ１１Ｉ１１）：１９０；功率（ｋｗ）：２４０；转速（ｒ／ｍｉｎ）：ｌ　０００；　

平均有效压力（ＭＰａ）：１．４２９；压缩比：１４．０：１；喷油提前角ＣＡ（。）：１５。；气缸爆发压力（ＭＰａ）：ｌ１．１。　

收稿日期：２０１０—１１—２５　作者简介：宋岩（１９７２一），女，辽宁锦州人，南通航运职业技术学院轮机工程系副教授。

　南通航运职业技术学院学报　

１．２试验条件　试验用柴油机的配置如下：（１）功率系统：由于排放量测量是基于未修正的制动功率，柴油机应仅配有试　验台运转所必须的附属设备，对于非必须的附属设备，应从试验台上拆除，对于不能拆除的非必须附属设备，　应确定它们在试验转速下的功率，以计算未修正的制动功率；（２）进气系统：试验用柴油机的进气系统应能提　供制造厂规定的空气进气节流，达到柴油机实际工作情况下的最大空气流量；（３）排气系统：试验用柴油机的　

排气系统应能提供制造厂规定的在柴油机运行条件下的背压，并产生柴油机应用的最大额定功率；（４）冷却　

系统：该系统应具有足够能力以维持柴油机在制造厂规定的正常运行温度之下；（５）供油系统：该系统应具有　足够能力以维持柴油机在最大额定功率下各缸充足供油。［１　

试验用燃油应使用ＩＳＯ　８２１７中规定的具有适合柴油机类型的ＤＭ级船用燃料。燃料温度符合柴油机制　

造厂规定，测量温度为常温，测量位置为燃油进机前。　

１．３测量系统　排气管直径为２４０ｒａｍ，取样管直径为１０ｍｍ，取样管长度为１０ｍ，取样管距排气口距离为２．４　ｍ，取样管　

加热温度为１９１℃。排气系统及测点布置按中国船级社《船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南》（以下　简称“指南”）的要求，安装在排气系统气流稳定处，并确保取样管的排气温度至少为３４３Ｋ（７０℃），确保安装　在排气口出口的上部０．５ｍ或３倍于排气管直径处。探头一端封闭，在探头的轴向上等间距取５个不同向平　

面，每个径向平面按中国船级社《指南》的要求开孔，探头伸入排气管内长度至少应为排气管内径的８０％，排　

气系统及测点布置简图如图２所示，取样机构及取样管简图如图３所示。　

图２　排气系统及测点布置简图　

阳一ｎ　输入端　

图３取样机构及取样管简图　取样管　

加执浦　Ｉ　分析仪　计算机　～，…　ｒ　ＨＰ●‘　

Ｉ标准气体卜＿＿　

图４

测量系统简要说明　第１期　宋岩：基于ＭＡＲＰＯＬ公约附则ＶＩ的船用柴油机排放测试研究　４１　

气体排放测试设备采用日本ＨＯＲＩＢＡ公司生产的ＭＥＸＡ－－１５００ＤＳ气体分析仪，该仪器符合中国船级　

社《指南》韵要求。测量系统结构组成如图４所示。　柴油机转速、功率、油耗以及各处温度压力等参数的测量仪表按中国船级社《指南》的要求进行校准并确　

保在有效期内。取样系统温度如表１所示。　表１取样系统温度　

１．４试验内容及程序　（１）试验前准备工作。对试验环境条件进行测量，主要包括环境温度、压力和湿度，并计算试验环境参　数ｆａ，确认０．９３＜ｆａ＜１．０７；柴油机起动后，应进行暖机，使各系统参数达到规定的温度和压力值；测量系统设　

备进行测试前必须充分预热，按说明书的要求预热时间至少２小时；对排放测试设备进行标定和校准，包括　零位校准（将零位标准气输入排放测试设备，观察排放测试设备各个读数的显示值，待其稳定后全部置零）和　

满量程校准（将各种满量程标准气输入排放测试设备，观察排放测试设备各个读数的显示值，按标准气体浓　

度进行校准）。　（２）泄漏试验。在进行测试之前，应对系统进行泄漏试验，即将测试管探头与柴油机排气系统脱开并将　

探头端部封闭，开启分析仪取样泵，初步稳定后，所有流量表的读数应为零，各测量气体的浓度也趋于零。若　

不为零，应检查取样管路并消除泄漏。　（３）测试。在每次测试之前，应对排放测试系统进行零位和满量程校准，然后进行取样测量，并做好对测　量数据的记录。测量结束后，对系统重新标定，然后对系统进行自动清洗。此外，还应按照试验数据的记录　

表对每个测量工况点的所有数据进行详细记录。　

１．５试验循环　根据柴油机的用途及中国船级社《指南》的规定，对于按推进特性运行的船用主机和副机，规定其试验模　

式为Ｅ３。因此本次试验采用的试验模式如表２所示。　表２试验模式　

各测量参数应在工况稳定ｌ５分钟后进行；达到各缸爆发压力在规定值的土０．３ＭＰａ内；取样点排气温度　稳定在额定值的士５℃内；柴油机转速要求在额定值的士３％ｒ／ｍｉｎ内；扭矩在士２％Ｎ．ｍ范围内。　

１．６测试结果　测试所得环境和废气排放数据如表３所示。从表３可以看出，该船用柴油机的排放已经全面达到了　Ｍ　０Ｌ公约附则ＶＩ要求的排放标准。　

２　影响排放测试结果的因素分析　

如同在任何测试中一样，实测所得的数据与被测量量的真实值之间难免存在一定的误差，而这必将影响　到柴油机排放的最终计算结果。下面从环境条件、废气组分浓度两方面来分析其对排放计算结果的影响。　

２．１环境条件的影响　

在新版“指南”中试验条件参数由原来的０．９８＜ｆａ＜１．０２，改为０．９３＜ｆａ＜１．

０７，这是充分考虑到东亚地　４２　南通航运职业技术学院学报　２０１１钽　

区的气候特点所作的变更，以我国北方地区为例，一年当中有半年左右最高气温低于２０＂Ｃ，大气相对湿度一　般低于８０％。如按旧版技术规则，就意味着一年内相当长的时间将不能进行柴油机台架试验的ＮＯ　排放测　

试。新版技术规则所对应的柴油机进气温度调整为１０＂Ｃ．３５＂Ｃ，相对湿度为４０％．８０％，缓解了旧版试验条件　过于苛刻的情况。　

表３环境和废气排放数据　

（１）环境温度的影响。排放测试中的环境温度包括柴油机进气温度和相对进气湿度。进气温度的高低　

决定了进气饱和蒸汽压力的高低，进而影响到进气相对湿度，应用新版技术规则碳平衡法计算中，湿废气质　

量流量与进气绝对湿度成正比，而ＮＯ　排放则根据湿废气质量流量计算得到，可见进气温度对ＮＯ　排放的计　算结果有一定的影响。　

按新版技术规则规定，柴油机进气温度的测量应采用干湿球温度计，并应尽可能放置在柴油机进气口附　近，且测量偏差允许范围为士２℃。但在实际测量时，由于干湿球温度计的位置会有所差别，从而产生读数的　

偏差，对进气温度的测量有影响。为评估这一影响的大小，在Ｚ６１５０ＺＬＣＺ．５型柴油机上进行Ｅ３测试循环，　在其他试验条件不变的情况下，进气温度测试偏差分别为士１℃、士２℃和土５℃，ＮＯ　排放计算误差结果如表４　

所示。由表４可见，ＮＯ　排放计算误差随着进气温度测量偏差的减小而减小，当进气温度偏差为５￣Ｃ时，ＮＯ　

排放计算误差为３．４４％。由此可见，严格根据法规的要求选择合适的测量位置及保证读数的精度非常重要。　表４　环境温度测量偏差引起的柴油机ＮＯ×排放误差　

（２）

相对进气湿度的影响。相对进气湿度影响绝对进气湿度的大小，而湿废气质量流量与绝对进气湿度　第ｌ期　宋岩：基于ＭＡＲＰ０Ｌ公约附则ＶＩ的船用柴油机排放测试研究　４３　

成正比，所以相对湿度的大小也必然影响到ＮＯ　排放的计算结果。按新版技术规则规定，相对湿度的测量偏　

差允许范围为士３％。在其他试验条件不变的情况下，进气湿度测试偏差分别取士１％、土３％，柴油机按Ｅ３测试　

循环，ＮＯ　排放计算误差结果如表５所示．。　表５环境湿度测量偏差引起的柴油机ＮＯｘ排放误差　

由表５可见，由相对湿度测试偏差所引起的ＮＯ　排放计算误差相对较小，在进气湿度测量偏差为士３％　

时，ＮＯ　排放计算误差最大仅为士０．４４％。　２．２排气组分浓度的影响　气体分析仪的测量误差会对排气组分浓度的测量结果产生影响，如果废气组分浓度测量的不准确，会直　

接影响排放计算结果的准确性。因此，新版技术规则规定废气成分分析仪总的测量误差包括对其他气体的　交叉灵敏度，应不超过读数的士５％或满刻度的士３．５％，对小于ｌＯＯｐｐｍ的浓度，测量误差应不超过＋４ｐｐｍ。在　

Ｚ６１５０Ｚ　Ｃ　５型柴油机上进行Ｅ３循环试验，在其它测试条件不变的情况下，ＣＯ：干浓度、ＮＯ　湿浓度测量分别　存在－４－１％、士２％、土５％的偏差，ＣＯ干浓度、ＨＣ湿浓度分别存在￣４ｐｐｍ的偏差时（在允许误差范围内），分析其对　

ＮＯ　排放计算结果的影响，如表６Ｎ示。计算结果显示，ＣＯ干浓度、ＨＣ、ＮＯｘ湿浓度的测试偏差对排放计算　结果的影响较小，而ＣＯ：干浓度的测试偏差对结果的误差影响较大，因此应着重控制ＣＯ：干浓度测试偏差。　

表６　ＣＯ　浓度偏差引起的ＮＯ×排放误差　

３结束语　ＭＡＲＰＯＬ公约附则ｖＩ的实施是一项十分复杂且技术含量很高的工作，它涉及到测试、计算、检验、发证　

以及对现有柴油机的重新调整、试验工作。提高船用柴油机台架排放测试精度，对于我国船用柴油机的排放　

控制和相关法规的顺利执行有着十分重要的意义。除上述影响因素外，燃油成分、燃油流量等都对Ｎｏｘ排放　计算结果有一定影响，在测试时应加以注意。　

参考文献：　【１】中国船级社．船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南【Ｍ】．北京：人民交通出版社，２０００．　【２】陈军．船用柴油机排放测试与计算分析研究【Ｄ】．武汉：武汉理工大学，１９９９．