根据交通运输行业发展统计公报^[1]，截止2014年末，全国拥有水上运输船舶17.20×10⁴艘，其中内河运输船舶15.83×10⁴艘，沿海运输船舶11 048艘，远洋运输船舶2 603艘.水路运输为我国经济社会发展做出了巨大的贡献，同时也带来了较严重的环境污染问题.多位学者^[2~4]的研究表明： 2010年，货船水运在广东领海区域内的温室气体排放量为7.3×10⁶ t；2010年，上海港船舶排放的SO₂、NO_x和PM_2.5达到全市排放清单总量的12.0%、9.0%和5.3%；2012年，大连海域远洋船舶PM₁₀、NO_x、SO_x、CO和HC排放量分别为5 785、51 451、49 437、4 677和2 010 t，而CO₂排放量为2.9×10⁶ t.目前，国内外对水路运输船舶废气排放测算所采用的方法主要有两种^{[2, 4~6]}：根据船舶燃油消耗量采用自上而下的方法；根据船舶活动采用自下而上的方法.两种方法均需要获取有效的排放因子，即基于燃油的排放因子(质量排放量因子，kg ·t^-1)或基于做功的排放因子[比排放量因子，g·(kW ·h)^-1].目前仅有一些国际机构给出了一些参考值，如IMO、政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)、欧洲环境署(The European Environment Agency, EEA)、美国国家环境保护局(United States Environmental Protection Agency, USEPA)、瑞典环境科学研究院(Swedish Environmental Research Institute, IVL)、劳氏船级社(Lloyd's Register of Shipping, LR)、Entec公司和ICF国际咨询公司等.

各机构的排放因子主要来自国外多个学者针对多个国家或地区开展的船舶废气排放测算的基础研究. Trozzi等^[7]采用基于燃油消耗的方法进行了意大利2个港口的海运排放测算. Corbett等^[8]较早给出了船用柴油机的排放因子并为广大学者及研究机构所引用. Cooper^[9]根据6艘在港船舶的22台船用柴油机的排放测试，得出了在给定负荷范围内NO_x、CO、HC、CO₂、SO₂和PM的比排放量因子，并指出不同机型、不同负荷条件其排放因子差异较大. Hulskotte等^[10]统计了荷兰鹿特丹港船舶的活动情况，建立了各类船舶总吨与船舶燃油日消耗量间的拟合关系，并给出了各污染物基于柴油机类型和燃油品质的排放因子. Schrooten等^[11]考虑不同的国家、船舶类型和大小以及技术进展测算了各大气污染物的排放因子，相关研究结果为港口城市海运排放的准确预测和评价提供了有效手段.文献[12~15]对航运SO₂和PM排放进行了系统的研究. Eyring等^[16]对航运业的大气排放进行了系统的论述并对比了Entec、Corbett和Kohler、Endresen等机构或学者的排放因子，所用数据有明显的差异. Miola等^[17]、Blasco等^[18]对船舶废气排放建模方法和数据来源进行了综述，指出多个机构或学者的研究所使用的船舶大气污染物排放因子主要来源于IMO、IPCC、EEA等机构或文献[8, 9].

国内学者对各地区船舶排放的测算主要是引用国外的数据.文献[2, 19~22]对我国香港及珠三角地区的海运排放进行测算时使用的是Entec、LR、ICF及USEPA的排放因子.文献[3, 4, 23]综合了IPCC、Entec、IVL、ICF及USEPA的排放因子，确定了上海港及大连海域的船舶排放清单.文献[24]采用基于燃油消耗的方法开展了中国国际海运船队温室气体排放量测算，海运燃油CO₂排放因子根据IPCC指南^[25]取值3.13 t·t^-1.国内船舶排放因子的研究仅见文献[26, 27]以京杭大运河内的12艘货运船舶为样本，对我国内河运输船舶的排放因子进行了实船测试研究，初步形成了主机功率300 kW以下我国内河运输船舶不同运行工况下的排放参考数据.但是，大量的沿海及内河运输船舶配置的是较大功率的柴油机，这类船舶单船排放量更大.针对该类船舶通过开展实船测试来确定其排放技术水平和排放特征，可操作性及经济性均较差；而且受测试条件和测试样本数的限制，测试结果也难以具有普遍适用性.因此，为全面深入了解我国船舶及船用柴油机的排放技术水平和排放特征，本研究针对我国生产的满足IMO NO_x TierⅠ和TierⅡ标准的189台船用柴油机母型机的排放测试报告进行统计分析，得出我国各类型船用柴油机NO_x、CO、HC和CO₂排放因子，以期为有效计算我国水路运输船舶的实际排放提供可靠的基础数据.

船用柴油机主要包括推进柴油机(主机，记作ME)和发电柴油机(副机，记作AE).其中，根据船舶大小和类型，可用作主机的有大型二冲程低速柴油机(记作SSD, 标定转速n_b≤300 r ·min^-1)、四冲程中速柴油机(记作MSD, 300 r ·min^-1＜n_b≤1 000 r ·min^-1)和四冲程高速柴油机(记作HSD, n_b＞1 000 r ·min^-1)；可用作副机的有MSD和HSD. IMO船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则^[28]及国家标准^[29]要求的船用柴油机排放台架测试项目为NO_x、CO、HC和CO₂，其中主机按E3工况运行，测量25%、50%、75%和100%标定负荷4个工况点；带调距桨恒速运转的主机按E2工况运行，标定转速下测量25%、50%、75%和100%标定负荷4个工况点；副机按D2工况运行，标定转速下测量10%、25%、50%、75%和100%标定负荷5个工况点. IMO技术规则^[28]仅要求对船用柴油机同一族/组母型机进行排放台架测试，同时也明确了难以实现在船运行期间的排放监测.不同母型机及其不同测试工况下的排放因子均存在差异，选择一台或几台母型机的测试结果也难以真实反映我国船用柴油机的排放水平.因此，通过收集、统计和分析大量的不同生产阶段、不同类型和不同型号的船用柴油机母型机排放测试报告，得到一个统计平均的结果才有可能比较准确反映我国船用柴油机总体的排放水平.

大连海事大学排放测试中心自2002年成立以来，累计针对我国生产的200余台船用柴油机母型机开展了排放测试工作，积累了丰富的测试经验和测试数据，为本研究的开展提供了可能.另外，本研究还从船用柴油机生产厂家以及多个船级社收集到部分船用柴油机母型机排放测试报告(由其他的排放测试中心出具的报告)作为补充，力求比较全面、真实反映我国船用柴油机的排放技术水平.针对IMO NO_x TierⅠ阶段的船用柴油机，共收集到我国不同柴油机生产厂家于2001～2010年(其中中、高速机仅有2005～2010年的数据)生产的船用柴油机母型机排放测试报告76份，其中低速主机17台；中速主机19台；高速主机11台；中速副机14台，另有3台中速机用作主机带调距桨恒速运转，也按副机运行工况分析；高速副机12台.针对IMO NO_x TierⅡ阶段的船用柴油机，共收集到我国不同柴油机生产厂家于2011～2015年生产的船用柴油机母型机排放测试报告113份，其中低速主机22台；中速主机11台；高速主机32台；中速副机5台，另有12台中速机用作主机带调距桨恒速运转，也按副机运行工况分析；高速副机25台，另有6台高速机用作主机带调距桨恒速运转，也按副机运行工况分析.低速机包括我国柴油机生产厂家许可生产的MAN公司缸径500、600、700和800 mm的S-MC-C、S-ME-B、S-ME-C、G-ME-C系列母型机和Wärtsilä公司缸径580、720 mm的RT-Flex和X系列母型机.低速机功率范围涵盖7 440～26 000 kW，转速范围为69.6～127 r ·min^-1. MAN公司和Wärtsilä公司的二冲程低速机占据了世界船用低速机市场超过90%的市场份额，而且本研究所统计的低速机型号基本涵盖了我国柴油机生产厂家引进生产的主流机型.中、高速机包括我国柴油机生产厂家许可生产的MAN公司L系列210、320船用柴油机及自主研发生产的缸径105～330 mm不同系列的船用柴油机.中、高速机功率范围涵盖132～4 500 kW，转速范围为620～2 230 r ·min^-1.中、高速机统计范围基本涵盖了我国自主研发生产的各系列柴油机，但还缺少我国引进生产的Wärtsilä、Daihatsu和Cummins等公司的部分中、高速机机型.因此，除了部分中、高速机母型机排放测试样本有欠缺，本研究的统计结果基本能反映我国生产的满足IMO NO_xTierⅠ和TierⅡ标准的船用柴油机的排放技术水平.

由于船用柴油机体积、重量较大，在生产车间进行现场台架测试时也难以获得比较理想的试验条件，不排除在测试过程中出现粗大误差的可能.多台柴油机不同测试工况下的测试结果中可能会出现部分柴油机与其它柴油机测试结果明显不一致的异常数据.异常数据的出现会极大地降低数据的质量，导致统计分析结果发生显著变异.因此，异常数据的识别和剔除具有重要意义.本研究采用格拉布斯(Grubbs)准则法对异常数据进行统计识别和剔除.将同一类型柴油机同一测试工况下的各废气成分基于燃油的排放因子和基于做功的排放因子分别组成一个数据集，设显著性水平α为0.05(相当于置信度为95%)，将每一数据集中疑似最大异常值和疑似最小异常值与查表得到的格拉布斯临界值进行比较，若识别为异常数据，则予以剔除；重复识别与剔除异常数据，直至余下数据的最大值或最小值均小于格拉布斯临界值为止.采用该方法得出的统计识别结果与主观判断的结果基本吻合.

各类型船用柴油机废气排放因子随机型、生产年份和燃油品质而异，但船舶废气排放测算过程中难以对进出港船舶主机、副机的具体信息进行准确统计.因此，为便于编制船舶排放清单时对本研究统计分析结果的应用，本研究并不按转速对柴油机类型进行详细区分，仅将柴油机类型分为二冲程(记作2S)主机、四冲程(记作4S)主机和四冲程副机，依据收集到的满足IMO NO_x TierⅠ和TierⅡ标准的船用柴油机母型机排放测试报告进行废气排放因子的综合分析.

采用基于燃油消耗的方法测算船舶废气排放量时，除了要求能统计出船舶消耗的燃油总量外，另一个很重要的工作就是确定基于燃油的排放因子.根据柴油机排放台架测试过程中测量得到的燃油质量流量以及经测量和计算得到的各废气成分的质量流量，计算得到每台柴油机在每一测试工况下的各废气成分基于燃油的排放因子.

采用基于燃油消耗的方法一般均没有考虑船舶主、副机运行工况，但柴油机在不同的运行工况其各成分废气排放因子存在差异.而且对于不同的母型机，不同测试工况下的排放因子也并没有明显一致的变化规律.选择某一测试工况下的排放因子或将各测试工况下的排放因子进行简单的平均难以科学反映该母型机的排放水平.因此，本研究将文献[28, 29]给定的确定NO_x排放水平的方法同样用于计算CO、HC和CO₂排放因子，利用不同试验循环的加权系数将各测试工况点的测试结果进行加权处理，计算得到加权平均的结果用来反映该母型机的排放水平.该方法可表达为：

(1)

(2)

式中，EF^f为基于燃油的排放因子，kg ·t^-1；ME为主机；AE为副机；k为废气成分；P为标定功率(表示柴油机负荷的大小，不参与计算，无单位).

对各船用柴油机母型机在各测试工况下的质量排放量因子按式(1)、(2)进行加权处理，然后按柴油机类型取算术平均值，得到各类型柴油机NO_x、CO、HC和CO₂基于燃油的排放因子，如表 1所示.其中NO_x排放因子均低于IMO研究报告^{[5, 6]}由各国专家达成的共识性数据，这是因为IMO数据主要来源于Entec、IVL等机构早期的研究，而对于本研究的分析对象，NO_x排放技术水平已经有了较大的提高；CO和HC排放因子分别比IMO数据偏高和偏低，也没有明显的规律性；CO₂排放因子介于IMO确定的使用船用蒸馏油时的数据(3 206 kg ·t^-1)和使用船用残渣油时的数据(3 114 kg ·t^-1)之间，这是因为IMO数据是根据燃油碳含量及CO₂和碳分子量理论计算得来的，与实际测量值通常会存在一定的差异.

表 1 (Table 1)

表 1 基于燃油的排放因子1)/kg ·t-1 Table 1 Fuel-based emission factors/kg ·t-1 柴油机类型 EFfNOx EFCOf EFHCf EFfCO23) x±s N 数据[6] x±s N 数据[6] x±s N 数据[6] x±s N TierⅠ ME 2S 76.55±11.15 17 87.18 6.13±4.66 16 2.77 2.24±1.62 17 3.08 3 159.01±48.90 14 4S 41.72±12.16 30 60.47/—2) 4.45±2.28 29 2.51 1.42±0.66 26 2.33 3 156.52±22.05 30 AE 4S 36.87±13.75 29 57.27/45.812) 5.25±1.93 28 2.38 1.99±0.83 28 1.76 3 143.30±21.52 29 TierⅡ ME 2S 69.49±8.25 22 78.46 4.30±2.69 22 2.77 1.25±0.37 20 3.08 3 165.63±27.47 21 4S 35.90±8.47 43 52.09/—2) 3.01±1.49 39 2.51 1.43±1.06 38 2.33 3 141.94±21.19 41 AE 4S 30.67±7.98 45 49.34/36.122) 3.86±2.45 44 2.38 1.58±1.14 46 1.76 3 141.15±21.01 40 1)台架测试所用轻柴油碳含量为85.51%～86.83%；x为平均值；s为标准差；N为样本量；2)斜线“/”前后数据分别为中速机和高速机NOx基于燃油的排放因子；3)燃油碳含量为85%～87.5%时对应的数据为3 114~3 206[6]

表 1 基于燃油的排放因子1)/kg ·t-1 Table 1 Fuel-based emission factors/kg ·t-1

采用基于船舶活动的方法确定船舶废气排放量时，需要根据具体船型的主、副机功率需求和运行时间，结合基于做功的排放因子进行计算.根据柴油机排放台架测试过程中测量得到的各工况运行功率以及经测量和计算得到的各废气成分的质量流量，计算得到每台柴油机在每一测试工况下的各废气成分基于做功的排放因子.它们在主、副机不同负荷工况下的数值大小如图 1～3所示.

图 1

Fig. 1

图 1 二冲程主机基于做功的排放因子-负荷关系 Fig. 1 Relationships of energy-based emission factors against engine load for 2-Stroke main engines

图 2

Fig. 2

图 2 四冲程主机基于做功的排放因子-负荷关系 Fig. 2 Relationships of energy-based emission factors against engine load for 4-Stroke main engines

图 3

Fig. 3

图 3 副机基于做功的排放因子-负荷关系 Fig. 3 Relationships of energy-based emission factors against engine load for auxiliary engines

对各船用柴油机母型机在各测试工况下的比排放量因子按式(1)、(2)中的加权系数进行加权处理，然后按柴油机类型取算术平均值，得到各类型柴油机NO_x、CO、HC和CO₂基于做功的排放因子，如表 2所示. NO_x排放因子在IMO NO_x TierⅠ和TierⅡ标准的限值要求内，也比其他研究^{[3, 4, 20, 23]}的使用值普遍偏低；主机CO₂排放因子低于文献[3, 4, 23]的使用值，而主要由我国自主研发生产的四冲程中、高速副机CO₂排放因子高于相关文献的使用值，说明我国自主研发生产的柴油机的经济性水平还有进一步提升的空间；CO和HC排放因子与同类研究^{[3, 4, 15, 23]}的取值(数据主要来源于Entec、IVL、ICF及USEPA等机构早期的研究)也存在一定的差异.文献[9]对实船22台副机的测试表明，NO_x排放因子实测值为9.6～20.2g ·(kW ·h)^-1，CO排放因子实测值为0.33～1.71g ·(kW ·h)^-1，HC排放因子实测值为0.07～0.41g ·(kW ·h)^-1，CO₂排放因子实测值为653～803g ·(kW ·h)^-1，表 2中的统计分析结果与文献[9]各排放因子的实测值水平相当.

表 2 (Table 2)

表 2 基于做功的排放因子1)/g ·(kW ·h)-1 Table 2 Energy-based emission factors/g ·(kW ·h)-1 柴油机类型 EFeNOx EFCOe EFHCe EFeCO2 x±s N 数据[4] x±s N 数据[3, 4, 23] x±s N 数据[3, 4, 23] x±s N 数据[3, 4, 23] TierⅠ ME 2S 13.64±2.10 17 17.0 1.11±0.85 16 1.4 0.40±0.29 17 0.6 562.50±9.40 16 620 4S 8.86±2.69 30 13.0 0.90±0.42 28 1.1 0.31±0.15 27 0.5 666.79±24.41 30 683 AE 4S 8.67±3.30 29 13.0 1.35±0.55 27 1.1 0.50±0.21 28 0.4 745.18±47.52 28 683 TierⅡ ME 2S 11.75±1.33 22 15.3 0.74±0.48 22 1.4 0.21±0.06 20 0.6 534.04±9.82 21 620 4S 7.51±1.72 43 11.2 0.61±0.28 38 1.1 0.31±0.23 40 0.5 655.86±23.50 40 683 AE 4S 6.83±1.72 46 11.2 0.80±0.35 39 1.1 0.41±0.32 43 0.4 715.46±66.32 44 683 1)x为平均值；s为标准差；N为样本量

表 2 基于做功的排放因子1)/g ·(kW ·h)-1 Table 2 Energy-based emission factors/g ·(kW ·h)-1

根据图 1～3，主机NO_x、CO₂排放因子与负荷关系以及副机NO_x、CO、HC和CO₂排放因子与负荷关系均有较一致的变化趋势；二冲程主机与四冲程主机的CO排放因子与负荷的变化规律并不完全一致；主机HC排放因子的分布比较离散，部分值出现较大的偏离.主、副机各废气成分排放因子的变化规律又各有不同.为了便于采用基于船舶活动的方法测算不同负荷工况下各废气成分排放量，本研究采用两种统一的表达式对各废气成分基于做功的排放因子与柴油机负荷间的关系进行拟合；另外，为简化表达式，这里也不详细区分柴油机生产年份，而将满足IMO NO_x TierⅠ和TierⅡ标准的船用柴油机合并考虑，这主要会对NO_x排放因子带来一定的误差，而对CO、HC和CO₂排放因子的影响并不显著.

主机NO_x和HC排放因子与柴油机负荷间的关系以及副机NO_x、CO、HC、CO₂排放因子与柴油机负荷间的关系采用幂函数进行拟合，其关系可表达为：

(3)

主机CO和CO₂排放因子与柴油机负荷间的关系采用二次多项式进行拟合，其关系可表达为：

(4)

式中，EF^e为基于做功的排放因子，g ·(kW ·h)^-1；FL为柴油机负荷，%；i、j为废气成分编号；a、b、c为方程系数.

其中各种拟合公式的系数列于表 3中.对带调距桨定速运转的中、高速主机排放因子与负荷之间的关系可按公式(3)计算.需要说明的是，这里基于做功的排放因子与柴油机负荷之间的幂函数或二次多项式关系只是统计平均的结果，某一具体机型可能并不一定满足这样的对应关系.

表 3 (Table 3)

表 3 排放因子拟合公式的系数1) Table 3 Coefficients of fitting formulas for emission factors 排放因子 /g·(kW·h)-1 系数 ME AE 2S 4S 4S EFeNOx a 11.667 6.847 6.964 b 0.140 0.328 0.109 R2 0.923 0.997 0.965 Sig. 0.039 0.002 0.003 EFCOe a 4.560 1.640 0.475 b 7.828 2.670 0.846 c 3.850 1.713 — R2 0.994 0.993 0.876 Sig. 0.074 0.083 0.019 EFHCe a 0.281 0.281 0.238 b 0.157 0.197 0.685 R2 0.875 0.997 0.964 Sig. 0.065 0.002 0.003 EFeCO2 a 160.240 191.320 606.693 b 238.028 290.666 0.240 c 625.830 759.007 — R2 0.995 0.999 0.913 Sig. 0.072 0.031 0.011 1)R2为决定系数；Sig.为显著性水平

表 3 排放因子拟合公式的系数1) Table 3 Coefficients of fitting formulas for emission factors

在台架测试、数据收集和统计分析的过程中，不可避免地会存在测量误差、数据缺失或数据代表性不足等问题，使得统计分析得到的排放因子存在一定的不确定性.将本研究的统计分析结果用于船舶废气排放测算时，通过定性分析可确定以下几个方面的因素可能导致测算结果存在误差： ①限于数据的可获得性，还缺少部分机型的样本(尤其对于2000年以前我国生产的船用柴油机的排放测试数据，国内完全是空白)，数据的代表性还有一定的欠缺；②不同的机型，其排放水平可能存在较大的差异，即使是同一族/组的机型，其排放水平也并不完全一致，因此，统计平均的结果与具体船舶发动机的排放水平可能存在差异；③本研究的统计结果反映的是新机出厂时的排放水平，柴油机装船使用一定年限后，排放技术水平可能会发生变化，导致测算结果存在误差；④船用柴油机母型机排放台架测试所用燃油均为轻柴油，而实际营运船舶主要使用船用燃料油，这将导致测算结果存在误差(但台架测试表明柴油机燃用轻柴油或船用燃料油其NO_x、CO、HC、CO₂排放因子并不存在显著差异，燃油品质的影响主要体现在硫含量的不同而导致SO₂和PM排放因子存在较大差异)；⑤本研究中没有对中速机和高速机进行区分，这主要会导致NO_x排放测算存在误差.

(1)通过对大量的船用柴油机母型机排放测试报告的统计分析，能比较全面、准确地获知我国船用柴油机的排放技术水平.对我国生产的船用柴油机母型机排放测试报告的统计分析表明：满足IMO NO_xTierⅠ标准的二冲程主机、四冲程主机和四冲程副机基于燃油的NO_x排放因子分别为76.55、41.72和36.87 kg ·t^-1，CO排放因子为4.45～6.13 kg ·t^-1，HC排放因子为1.42～2.24 kg ·t^-1，CO₂排放因子为3 143.30～3 159.01 kg ·t^-1；满足IMO NO_xTierⅡ标准的二冲程主机、四冲程主机和四冲程副机基于燃油的NO_x排放因子分别为69.49、35.90和30.67 kg ·t^-1，CO排放因子为3.01～4.30 kg ·t^-1，HC排放因子为1.25～1.58 kg ·t^-1，CO₂排放因子为3141.15～3165.63 kg ·t^-1.

(2)我国生产的满足IMO NO_xTierⅠ标准的各类型船用柴油机基于做功的NO_x排放因子为8.67～13.64g ·(kW ·h)^-1，CO排放因子为0.90～1.35g ·(kW ·h)^-1，HC排放因子为0.31～0.50g ·(kW ·h)^-1，CO₂排放因子为562.50～745.18g ·(kW ·h)^-1；我国生产的满足IMO NO_x TierⅡ标准的各类型船用柴油机基于做功的NO_x排放因子为6.83～11.75g ·(kW ·h)^-1，CO排放因子为0.61～0.80g ·(kW ·h)^-1，HC排放因子为0.21～0.41g ·(kW ·h)^-1，CO₂排放因子为534.04～715.46g ·(kW ·h)^-1.各类型主、副柴油机基于做功的排放因子与柴油机负荷密切关系.其中，主机NO_x和HC排放因子以及副机NO_x、CO、HC、CO₂排放因子随柴油机负荷的减小而增大，其与柴油机负荷间的关系可采用幂函数进行拟合；主机CO和CO₂排放因子与柴油机负荷间的关系可用二次多项式进行拟合.

(3)通过对国外文献采用的排放因子进行简单的修正难以真实反映我国船用柴油机的排放水平，尤其对于我国沿海及内河运输船舶使用的柴油机形式多样，更是需要收集更多的样本，分类型、分工况进行大量的试验研究，为我国船舶排放清单的编制提供可靠的基础数据.