1、基于不同燃油品质的内河船舶排放特性试验研究摘 要： 采用车载排放测试系统，对某内河船舶于苏州河某航段进行了分别燃用 B0（纯石化柴油）和B10（生物柴油-柴油混合燃料，生物柴油体积比 10%）的实船放对比试验，探究了燃油品质对内河船舶 PN（颗粒物数量） 、CO 、THC 和 NOX 排放的影响，结果表明： 内河船舶燃用 B0 和 B10 时的 PN 1随粒径分布相似，在离港、进港和低发动机负荷工况时呈双峰对数分布，在巡航及中、高发动机负荷工况时呈单峰对数分布； 内河船舶燃用 B0 和 B10 时， PN、THC、NO X 排放均随负荷变大而升高， 2而 CO 排放则先降低后升高； 内河船舶燃
2、用 B10 时 PN、CO 和 NOX 排放因子相对 B0 有所降低，离 3港、巡航、进港时 PN 排放因子分别降低 13.82%、8.21% 、46.44%，CO 排放因子分别降低20.87%、12.66%、7.52% ，NO X 排放因子分别降低 21.91%、21.63% 、39.20%，B10 的 THC 排放因子高于 B0，离港、巡航、进港时分别提高 33.68%、20.46% 、26.62% 。关键词：内河船舶；燃油品质；排放特性；车载排放测试系统Experimental study on the characteristics of emissions of inland shi
3、ps based on different fuel qualitiesAbstract: PEMS (portable emission measurement system) is used to conduct a real-navigation emissions test with marine pure diesel (B0 for short) and diesel-biodiesel blended fuel with volume ratio 10% (B10 for short) on an inland ship which usually works in Suzhou
4、 River for studying the influence of fuel qualities on PN, CO, THC and NOX emission characteristic of the ship. The study results show that the particle size distribution of the exhaust gas of the boat fueled with B10 is similar to that fueled with B0: double-peak logarithmic distribution when leavi
5、ng harbor, entering harbor condition and in low engine load conditions; single-peak logarithmic distribution when cruising and in middle/high engine load conditions. No matter the inland ship is fueled with B0 or B10, its PN, THC and NOX emission increase while its CO emission decreases as the engin
6、e load increasing. Compared with B0, the PM, CO and NOX emission factors of the ship are lower when fueled with B10. In harbor-leaving, cruise and harbor-entering conditions, the particulate number emission factors were reduced by 13.82%, 8.21% and 46.44% respectively, CO emission factors were reduc
7、ed by 20.87%, 12.66% and 7.52% respectively, NOX emission factors were reduced by 21.91%, 21.63% and 39.20% respectively. THC emission factors of B10 is higher than B0, it increased 33.68%, 20.46% and 26.62% respectively in harbor-leaving, cruise and harbor-entering conditions.Key words: inland ship
8、; fuel quality; emission characteristics; PEMS0 引言长久以来，石化柴油都作为船舶的主要动力燃料存在，随着全球贸易的不断增长，其需求量不断增大，统计结果显示 2010 年我国港口燃油供油量达到 900 多万吨 12。此外，船舶排放是全球空气污染的重要来源之一 3。伏晴艳 4等对上海港船舶大气污染物排放清单做了研究，结果表明船舶对SO2、NO X、PM 2.5 排放贡献分别达到 12.0%、8.4% 、5.1%，严重危害周边居民的人体健康。随着石化燃料的日益短缺和人类环保意识的不断增强，发展船用清洁、替代燃料势在必行。生物柴油是得到国内外较大重视的优
9、质替代燃料，其理化特性与石化柴油相似 5，可不改变现行发动机结构直接作为燃料使用，同时能有效改善尾气排放。马林才 6等研究发现柴油机燃用生物柴油-柴油混合燃料时，发动机碳烟排放随生物柴油掺混比例的提高而不断降低，生物柴油可有效降低发动机颗粒物排放。陆小明等 7在一台增压中冷车用柴油机上进行的燃用生物柴油和柴油的台架试验中发现，燃用生物柴油时该柴油机烟度、THC、CO 均有所降低，NO X 略有增加；马林才等 8在柴油机燃用船用生物柴油的台架试验中发现，该柴油机在多种不同工况下 THC、颗粒物排放均有显著降低，燃用生物柴油对降低船舶排放具有极大潜力。张德福等 9研究发现，生物柴油良好的燃烧特性非
10、常适合短航线小型船舶使用。蒋更红 10等研究认为，目前船用生物柴油已不存在重大技术难题，已经具备投入实际运用的可行性。内河船舶对城市空气污染的影响较大，进行内河船舶燃用石化纯柴油和生物柴油的实船排放对比研究具有重要意义。本研究采用车载排放测试系统，对某工作于苏州河流域的内河船舶分别进行了燃用石化柴油（B0）以及生物柴油 -柴油混合燃料（B10）的实船排放对比试验，分析对比了燃油品质对内河船舶的常规气态物、颗粒物排放的影响，探究了生物柴油在内河船舶上的实际使用性能。1 试验设备与方案1.1 试验船舶试验船舶为一艘实际营运于苏州河（即：长江支流、黄浦江支流吴淞江上海段）流域的环卫船，其外貌如图 1
11、 所示。试验船舶吨位（总重/净载重）为 30/17t，主机为一台四缸柴油发动机，主机型号6135CaB3，排量 7L，标定功率 76kW，标定转速 1500r/min。图 1 试验船舶外貌1.2 试验燃料本研究使用了生物柴油与石化柴油的 2 种不同掺混比例的试验燃料，分别简称为 B0（纯内河船舶用石化柴油） 、B10（生物柴油体积比为 10%） 。表 1 所示为 2 种不同燃油油样的主要技术指标。表 1 试验燃油主要理化特性项目 B0 B10 检测方法密度/kgm -3 833.6 879.8 ASTM D4052十六烷值/- 49.8 50.8 ASTM D613低热值/ mJ kg-1 4
12、2.3 42.4 ASTM D240硫含量/ mg kg-1 245 62 ASTM D5453氧含量/ % - 1.18 ASTM D48151.3 试验设备试验涉及常规气态物排放物测试与颗粒物排放物测试。颗粒物排放测试采用美国 TSI 公司的EEPS-3090 颗粒数量及粒径分析仪，测量粒径范围为 5.6-560.0nm，可同步输出 32 个数据通道的颗粒数量和粒径分布数据；常规气态物排放测试采用日本 HORIBA 公司的 OBS-2200 车载气态排放物检测设备，该设备测试频率为 l0Hz，完全满足船舶实际航行排放的试验要求。试验同时配备一套高精度全球卫星定位系统(GPS)，逐秒记录船舶
13、的实际航速和地理位置。1.2 试验方案试验主要采用车载排放测试设备，研究内河船舶燃用不同品质燃油的实船排放特性。试验所用燃料包括：常规船用纯石化柴油、生物柴油-柴油混合燃料（生物柴油体积比为 10%） ，分别简称B0、B10。试验航行区域为苏州河内部分航段，苏州河年均流量仅 10 立方米/秒，流速较低，因此适宜进行实船排放试验 11。试验船舶在同一天内分别燃用 B0 和 B10 燃油从华漕加油站码头出发，沿苏州河向剑河路码头航行，全程约 7 km，航行线路如图 2 所示。试验时船舶满载，试验采用 7 种不同工况，如表 2 所示，各稳态工况的试验时间不低于 3 分钟。根据船舶主机按推进特性工作时
14、功率与转速的关系，试验通过控制发动机转速来改变发动机负荷 12。表 2 试验工况序号 试验工况1 离港2 巡航（约 1300r/min）3 进港4 25%发动机负荷（945r/min）5 50%发动机负荷（1200r/min）6 70%发动机负荷（1330r/min）7 95%发动机负荷（1480r/min）图 2 试验航线 2 试验结果与分析2.1 内河船舶颗粒物排放特性2.1.1 燃用纯柴油时颗粒物排放特性图 3 所示为试验船舶燃用 B0 时，不同工况下的 PN 排放的粒径分布特征。由图 3 可知，试验船舶的 PN 排放在巡航和 70%、95%负荷工况下随粒径大小呈对数单峰分布，峰值粒径均
15、为 34nm；在离港、进港和 25%、50%发动机负荷时则随粒径大小呈双峰对数分布：第一峰值粒径均为 10.8nm；第二峰值粒径略有不同，分别为 16.5nm（进港、25%、50%负荷）和 34nm（离港） ，以上结论基本与谭丕强 13等的研究结果相符。图 3 燃用 B0 纯柴油时不同工况的颗粒物数量排放特性2.2.2 燃油品质对颗粒物排放特性的影响图 4 所示为试验船舶燃用不同品质燃油时，不同工况下的 PN 排放对数浓度的粒径分布特征。由图4 可知，试验船舶燃用 2 种不同燃料的 PN 排放对数浓度随粒径的分布特征基本相似：试验船舶燃用B0 和 B10 时， PN 浓度在巡航、70%、95%
16、负荷工况下随粒径呈对数单峰分布，峰值粒径均为 34nm；离港、进港以及 25%、50%负荷工况下，随粒径呈双峰分布：第一峰值粒径均为 10.8nm；第二峰值粒径略有差异，燃用 B0 时分别为 16.5nm（进港、25% 。50%负荷）和 34nm（离港） ，燃用 B10 时分别为1 10 10 10010203040501 10 10 1001020304050对对/1013s-1对对/1013s-1 对 对对/nm 对/nm25%对 0 7%对 9519.1nm （进港、25%、50%负荷）和 39.2nm（离港） 。同时，由图 4 可知，试验船舶燃用 B10 时，各颗粒粒径段的 PN 浓度
17、相对燃用 B0 均有所降低，PN 浓度峰值粒径处的 PN 浓度下降尤其显著。由于燃用不同燃料时的排气流量变化不大，因此可知燃用 B10 课有效改善 PN 排放。图 4 2 种燃油的 PN 排放对数浓度粒径分布特征图 5 所示为不同工况下，试验船舶燃用 B0 和 B10 时的 PN 排放对数浓度的对比。由图 5 可知，试验船舶燃用 B10 时 PN 排放相比 B0 有所降低。如表 3 所示，大部分工况下，燃用 B10 时核态颗粒与聚集态颗粒数量均有所下降，仅聚集态颗粒物数量在低负荷（25%负荷、50% 负荷）时略微升高。其主要原因是： B10 燃油硫含量相对船用 B0 纯柴油较低，因此减少了依靠
18、吸收排气中的硫酸而形成的雪 1片型碳烟颗粒的数量 14； B10 燃油相对船用 B0 纯柴油含氧量更高，易氧化聚集态颗粒，因此聚集 2态颗粒数量降低； B10 燃油 3图 5 2 种燃油在不同工况下的 PN 排放相对船用 B0 纯柴油具有更高十六烷值，着火延迟期缩短 15，预混合燃烧率降低，因此预混燃烧期内生成的碳核总数减少，PN 排放得到改善。表 3 试验船舶燃用 B10 相对 B0 的 PN 排放因子变化试验工况 核态颗粒/% 聚集态颗粒 /% 总颗粒 /%离港 -14.80 -11.73 -13.82巡航 -8.32 -7.60 -8.21进港 -47.43 -28.74 -46.441
19、 10 10 101 10 10 101 10 10 101 10 10 100204060801 10 10 101 10 10 10020406080 95%对对/nm50%对对/nmB0对 B10对对70%对/nm 对对/#cm-3 对对/nm对对/nm25%对对对/#cm-3对/nm25%负荷 -12.84 22.84 -10.1450%负荷 -19.68 17.04 -18.1070%负荷 -22.30 -36.53 -23.3695%负荷 -21.17 -11.95 -19.642.2 内河船舶气态排放物排放特性2.2.1 不同工况下 CO 排放特性图 6 所示为 B0 和 B10
20、 的 CO 排放因子随发动机负荷的变化规律。从图中可看出，随着负荷变大，B0 的 CO 排放因子呈下降的趋势， B10 的 CO 排放因子则基本稳定在 20mg/s，其原因是： 低负荷 1时，缸内混合气较稀、温度较低，局部熄火区域较多 14，因此 B0 的 CO 排放因子随负荷升高呈下降趋势； B10 与 B0 相比，其本身含氧量较高，有助于混合气燃烧， CO 排放因子随负荷变化不大。 2由图 6 可知，相对 B0，B10 的 CO 排放因子在 25%、50%、75%和 95%发动机负荷下分别降低49.44%、47.44%、40.63% 和 40.815%，其原因是： B10 的十六烷值较高，
21、故滞燃期较短，从而减少 1了产生于滞燃期内的过稀混合气区域，降低了 CO 排放； 由于 B10 含氧量高，有助于混合气充分燃 2烧，因此 CO 排放有所改善。图 6 不同发动机负荷下 2 种燃油的 CO 排放因子 图 7 不同航行工况下 2 种燃油的 CO 排放因子图 7 所示为不同航行工况下 2 种不同燃油的 CO 排放因子。从图中可看出，试验船舶巡航时 CO 排放因子较低，其原因是：巡航时发动机一般处于中等负荷工况（接近 70%发动机负荷） ，而离港、进港时航速较低处于低负荷工况，因此巡航的 CO 排放因子低于离港、进港。此外，由图 7 可见 B10 的 CO排放因子较低，在离港、巡航、进
22、港时分别比 B0 降低 20.87%、12.66%和 7.52%。2.2.2 不同工况下 THC 排放特性图 8 所示为 B0 和 B10 的 THC 排放因子随发动机负荷的变化规律。从图中可看出，随着发动机负荷变大，2 种燃油的 THC 排放因子均不断提高，主要原因是： 随着船舶发动机负荷增加，喷油量变 1大，过量空气系数降低而缸内压力增大，导致被压入燃烧室内火焰不易传播的间隙中的混合气增多14，加重了缸内局部缺氧的情况，导致 THC 排放随负荷变大而不断恶化； 按推进特性运行的船舶 2发动机转速随负荷变大而提高，较高的发动机转速造成较不均匀的混合气，因此 THC 排放因子随负荷提高而变大。
23、由图 8 可知，在 25%和 50%负荷工况处，B10 的 THC 排放因子分别比 B0 降低了 16.56%和2.54%，在 70%和 95%负荷工况处则比 B0 提高了 12.85%和 4.72%，其原因是： B10 具有较高十六烷 1值，滞燃期较短 15，有助于混合气充分燃烧和未燃 HC 的氧化，因此在低负荷时 B10 的 THC 排放因子较低； B10 燃油具有较高的运动粘度，中高负荷工况时循环喷油量较大，此时燃用 B10 极易发生油 2束撞壁黏附的现象 17，油束撞壁所形成的壁面油膜经过部分氧化后随废气排出 14，导致中高负荷时B10 的 THC 排放因子高于 B0。02468102
24、5 50 70 95CO/10-2gs-1发 动 机 负 荷 /%B0B100246810怠 速 离 港 巡 航 进 港CO/10-2gs-1航 行 工 况B0B10012345怠 速 离 港 巡 航 进 港THC/10-2gs-1航 行 工 况B0B1001234525 50 70 95THC/10-2gs-1发 动 机 负 荷 /%B0B10图 8 不同发动机负荷下 2 种燃油的 THC 排放因子 图 9 不同航行工况下 2 种燃油的 THC 排放因子图 9 所示为不同航行工况下 2 种不同燃油的 THC 排放因子。从图 9 可看出，试验船舶巡航时 THC排放因子较高，其原因是：巡航时发动
25、机一般处于中、高负荷工况（接近 70%负荷） ，而离港、进港时航速较低处于低负荷工况，因此巡航时 THC 排放因子高于离港、进港。B10 的 THC 排放因子较高，在离港、巡航、进港时分别比 B0 提高 33.68%、20.46% 和 26.62%。2.2.3 不同工况下 NOX排放特性图 10 所示为 B0 和 B10 的 NOX 排放因子随发动机负荷的变化规律。从图 10 可看出，随着发动机负荷变大，2 种燃油的 NOX 排放因子均不断变大，其原因是：NO X 生成条件为高温、富氧和高温持续时间 18，柴油机工作环境为富氧，循环喷油量随负荷提高而变大，从而造成缸内温度升高，NO X 排放恶
26、化。由图 10 可知，相对于 B0 燃油， B10 燃油的 NOX 排放因子在 25%、50%、75% 和 95%发动机负荷下分别降低 34.57%、28.75%、31.26%和 25.28%，其原因是：B10 燃油相对船用 B0 纯柴油十六烷值较高，滞燃期较短 15，从而降低了缸内温度，因此 B10 的 NOX 排放因子小于 B0。图 10 不同发动机负荷下 2 种燃油的 NOX 排放因子 图 11 不同航行工况下 2 种燃油的 NOX 排放因子图 11 所示为不同航行工况下 2 种不同燃油的 NOX 排放因子。从图 11 可看出，试验船舶巡航的NOX 排放因子较高，其原因是：巡航时发动机一
27、般处于中、高负荷工况（接近 70%发动机负荷） ，此时缸内温度较高，NO X 易生成，而离港、进港时航速较低处于低负荷工况，缸内温度较低，因此巡航的NOX 排放因子高于离港、进港。此外，相比 B0 ，B10 的 NOX 排放因子较低，在离港、巡航、进港时分别降低 21.91%、21.63%和 39.20%。3 结论（1）内河船舶燃用 B0 和 B10 时，PN 随粒径分布特征相似：低负荷下随粒径大小呈双峰对数分布，中、高负荷下则呈单峰分布；PN 峰值粒径和 PN 排放速率都随负荷提高而不断变大。燃用 B10 时各粒径段的 PN 浓度均相对 B0 有所降低，PN 浓度峰值粒径处的 PN 浓度下降
28、尤为显著。此外，船舶巡航时颗粒物数量排放显著高于离港、进港。0246825 50 70 95NOX/mgs-1发 动 机 负 荷 /%B0B1002468怠 速 离 港 巡 航 进 港NOX/mgs-1航 行 工 况B0B10（2）内河船舶燃用 B0 和 B10 时，CO、THC、NO X 排放因子随发动机负荷变化规律基本相同：CO 排放因子随负荷变大而先降低后升高，THC、NO X 排放因子随负荷变大而不断升高。此外，船舶巡航时 THC、NO X 排放因子较离港、进港更高，而 CO 排放则在巡航时处于较低水平。（3）内河船舶燃用 B10 时 PN、CO 和 NOX 排放因子相对燃用 B0 有
29、所改善；离港、巡航、进港时 PN 排放因子分别降低 13.82%、8.21%、46.44%，CO 排放因子分别降低20.87%、12.66%、7.52% ，NO X 排放因子分别降低 21.91%、21.63% 、39.20%。B10 的 THC 排放因子高于 B0，离港、巡航、进港时分别提高 33.68%、20.46% 、 26.62%。参考文献1 尤成德. 我国船舶燃料供应市场分析与展望J. 水运管理,2008,03:19-22.2 李源,秦琦,祁斌,等. 2013 年世界船舶市场评述与未来展望J. 船舶,2014,01:1-12.3 Blasco J, Durn-Grados V, Ha
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