生物燃料的發(fā)展及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油性能的影響

秦曉東 徐惠昌 中村良知 楊道勝

摘要:介紹了近年來全球生物燃料的發(fā)展,統(tǒng)計(jì)了近年來燃料乙醇和生物柴油產(chǎn)量,并預(yù)測了今后生物燃料的發(fā)展趨勢。利用GFC氧化試驗(yàn)、TEOST MHT-4和HTCBT等實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和Caterpillar 1N、Mack T-12發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及實(shí)際行車試驗(yàn)考察了生物燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油性能產(chǎn)生的各種影響,同時(shí)介紹了國際主要OEM對(duì)生物燃料所持的立場與態(tài)度。

關(guān)鍵詞:生物燃料;燃料乙醇;生物柴油;發(fā)動(dòng)機(jī)油;性能

中圖分類號(hào):TE626.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

The Development of Biofuels and Possible Impacts on Engine Oil Performance

QIN Xiao-dong1, CHUI William1, NAKAMURA Yoshitomo2, YANG Dao-sheng1

(1. Infineum Beijing Representative Office, Beijing 100004, China; 2. Infineum Japan Ltd. Co., Tokyo 1000011, Japan)

Abstract:The global development of biofuels is reviewed. The statistic productions of fuel ethanol and biodiesel in recent year are collected and the development trends of biofuels are predicted. Some bench tests and engine tests such as GFC oxidation test, TEOST MHT-4, HTCBT, Caterpillar 1N, Mack T-12 and field test are employed to evaluate the possible impacts of biofuels on engine oil performance. The positions and attitudes of some global OEMs on biofuels are also introduced.

Key words:biofuel; fuel ethanol; biodiesel; engine oil; performance

0 前言

進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著世界范圍內(nèi)汽車的普及速度進(jìn)一步加快,車用燃料的需求量也日益增長。近年來石油價(jià)格日益高漲,2008年上半年原油價(jià)格甚至已突破了100美元/桶。同時(shí),石油作為不可再生資源,將會(huì)隨著人類的開采日益枯竭。并且石油燃燒的排放物給環(huán)境帶來污染,所生成的溫室氣體CO₂使全球變暖,破壞地球的生態(tài)平衡。為應(yīng)對(duì)這些危機(jī),近年來世界各國都加緊了對(duì)可再生能源的開發(fā)和利用。生物燃料作為石油燃料的替代品,具有清潔環(huán)保和可再生等特點(diǎn),主要是指通過生物資源生產(chǎn)的燃料乙醇和生物柴油。大力發(fā)展生物燃料,對(duì)于減少石油依賴及保障國家能源安全具有很大的意義,對(duì)于減輕環(huán)境污染更有特殊的作用。因?yàn)樯锶剂鲜恰疤计胶狻?Carbon Neutral) 燃料,可以降低因使用化石燃料帶來的溫室氣體(主要是CO₂)的過量排放。早在2003年歐洲議會(huì)通過了使用可再生能源指南,規(guī)定2005年要使其占消耗燃料的2%,2010年要達(dá)到5.7%,到2020年將達(dá)到10%[1-2]。美國2005年通過的“能源政策法案”規(guī)定2006年使用的可再生能源占全部燃料的2%左右,2012年將達(dá)到3.5%左右。2007年底更通過了“能源自主與安全法案”,要求通過使用生物燃料等手段在2017年減少以石油為來源的汽油用量的15%,并設(shè)定2022年的目標(biāo)為17%左右[3]。由于石油價(jià)格的上漲使生物燃料在價(jià)格上可與之競爭,因此目前已成為全球可再生能源開發(fā)利用的重要方向。而隨著生物燃料的進(jìn)一步推廣,使用生物燃料的汽車也越來越多,生物燃料對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)油性能的影響也逐漸顯現(xiàn)。

1 生物燃料的發(fā)展?fàn)顩r

1.1 燃料乙醇的發(fā)展?fàn)顩r

燃料乙醇主要是指以農(nóng)作物為原料,經(jīng)發(fā)酵、蒸餾、脫水后加入變性劑制得的無水乙醇。燃料乙醇以一定比例與普通汽油混合后可得到車用乙醇汽油。這是本世紀(jì)初面市的傳統(tǒng)產(chǎn)品,因當(dāng)時(shí)石油的大規(guī)模低成本開發(fā),其經(jīng)濟(jì)性未受重視。但自上世紀(jì)70年代中期以來四次較大的“石油危機(jī)”,特別是90年代以來排放規(guī)格的不斷變嚴(yán)及京都議定書對(duì)CO₂排放的要求使燃料乙醇工業(yè)在世界許多國家得到重視。巴西因其有豐富的生物乙醇資源從70年代初就大力推行燃料乙醇政策。美國在1995年推行新配方汽油,乙醇是其中選項(xiàng)之一。在2000年新配方汽油第二階段燃料乙醇的發(fā)展提上了日程[3]。近年來石油價(jià)格的飆升給生物乙醇也提供了大力發(fā)展的價(jià)格基礎(chǔ)。特別是2005年美國通過能源政策法案后,2006年美國的生物乙醇產(chǎn)量達(dá)到了1500萬t,比年初增長了25%,占其汽油總用量的3.5%。世界上其他一些國家也開始仿效,表1為近年來主要生產(chǎn)國及全球燃料乙醇的產(chǎn)量[4]。

從表1中可看出,目前美國是燃料乙醇生產(chǎn)的第一大國。乙醇年產(chǎn)量在2005年達(dá)到了1270萬t,比2001年產(chǎn)量已翻了一番,到2007年燃料乙醇產(chǎn)量達(dá)到了1950萬t。美國2007年《能源自主與安全法案》設(shè)定2022年單是傳統(tǒng)的玉米乙醇應(yīng)達(dá)到4500萬t,如果加上其他從生物廢料生產(chǎn)的燃料乙醇將接近8500萬t,占汽油消耗量的20%左右[3]。但是如果燃料乙醇年產(chǎn)量超過3600萬t,美國各界對(duì)于“要糧食還是要燃料”的爭論將會(huì)十分激烈。巴西在發(fā)展燃料乙醇方面也處于領(lǐng)先地位,產(chǎn)量僅次于美國。2007年產(chǎn)量已達(dá)到1500萬t。據(jù)報(bào)道,巴西目前有320家乙醇生產(chǎn)廠,今后5年內(nèi)還將增加50多家乙醇工廠。巴西目前使用的汽車燃料中兌有25%的乙醇,50%以上的汽車使用乙醇燃料,而該國生產(chǎn)的新一代汽車中越來越多的車輛可以完全使用乙醇為燃料。目前美國與巴西占據(jù)了全球燃料乙醇產(chǎn)量的75%以上。 中國也是燃料乙醇的重要生產(chǎn)國。2007年產(chǎn)量達(dá)到145萬t。目前全國有9個(gè)省全部或部分推廣使用乙醇汽油,據(jù)稱10年后中國燃料乙醇需求量保守估計(jì)每年也將達(dá)500萬t左右。歐盟也是燃料乙醇的主要生產(chǎn)國,其燃料乙醇主要是使用由生物乙醇制得的ETBE[5],在2008年預(yù)計(jì)生物乙醇將有很大的增長,產(chǎn)量將超過中國。

1.2 生物柴油的發(fā)展?fàn)顩r

生物柴油是指以油料作物、野生油料植物油脂以及動(dòng)物油脂、餐飲回收油等為原料油通過酯交換工藝制成的脂肪酸甲酯(FAME)再生性柴油燃料。近年來出于節(jié)能減排的需要以及石油價(jià)格飛漲等原因,使得西方國家為發(fā)展生物柴油而制訂一系列積極政策和措施。近年來生物柴油的投資規(guī)模增大,開工項(xiàng)目增多,生產(chǎn)能力急劇增長。表2[6]列出了近年來歐盟、美國及全球的生物柴油年產(chǎn)量及生產(chǎn)能力,表3列出了全球各地區(qū)對(duì)生物柴油的需求量。

目前歐盟區(qū)是全球生物柴油最大的產(chǎn)地,主要以菜籽油為原料生產(chǎn)生物柴油,2007年已達(dá)到了550萬t,需求量為723萬t。預(yù)計(jì)2010年需求將達(dá)到1200萬t。亞太地區(qū)產(chǎn)量與需求量均居第二,其中日本與韓國生物柴油生產(chǎn)能力分別達(dá)到了40萬t和20萬t。泰國、馬來西亞等東南亞國家都在積極開發(fā)以棕櫚油和椰子油為原料的生物柴油。中國在2006年生物柴油產(chǎn)量接近15萬t,2008年有望達(dá)到20萬t,2020年計(jì)劃達(dá)到200萬t。美國近兩年生物柴油增長迅速,2006年產(chǎn)量達(dá)到83.2萬t,產(chǎn)能為其2.3倍;2007年產(chǎn)量為145萬t,產(chǎn)能為其4倍。2008年產(chǎn)量將達(dá)210萬t,而產(chǎn)能將急增為其5倍。目前全球?qū)τ谏锊裼偷男枨笠踩找嬖黾?在未來幾年內(nèi),增長非常迅速,預(yù)計(jì)到2010年對(duì)生物柴油的需求量將達(dá)到2000萬t左右,但是全球的生產(chǎn)能力預(yù)計(jì)2008年將是需求的2.5倍,而歐洲與北美占此產(chǎn)能的80%。

隨著產(chǎn)量的進(jìn)一步擴(kuò)大,生物燃料將會(huì)與糧食爭奪各種資源,矛盾將進(jìn)一步突出。特別是近來糧食價(jià)格飛漲與生物燃料過分?jǐn)U張有一定的關(guān)系。因此開發(fā)不與糧食爭奪資源的新一代生物燃料技術(shù)將受到歡迎,如使用農(nóng)作物下腳料的第二代燃料乙醇[4]及使用生物沼氣制油的BTL技術(shù),也有考慮使用非食用油料作物如海藻、麻風(fēng)籽等[7]制取生物柴油。

2 生物燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油性能的影響

隨著生物燃料的進(jìn)一步推廣,使用生物燃料的汽車也越來越多。生物燃料的性能與原來傳統(tǒng)的汽油和柴油的理化性質(zhì)都不太一樣,甚至使用不同生物原料生產(chǎn)的生物燃料之間性質(zhì)也不盡相同,所以其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油性能影響也與傳統(tǒng)燃料有所不同。

2.1 燃料乙醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油的影響

燃料乙醇目前直接混入汽油中一般加入5%~10%,如以生物乙醇制得的乙基丁基醚(ETBE)混入汽油可以加到15%[5]。對(duì)現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)油影響不大,但是提高添加比例的呼聲越來越高。歐洲主要發(fā)展生物乙醇制得的ETBE[5],而美國則大力發(fā)展乙醇直接混入的E85。這就不得不考慮其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)油的影響。

首先是燃料對(duì)潤滑油的稀釋問題。對(duì)于燃料乙醇來說,它是單沸點(diǎn)且蒸發(fā)潛熱更高,所以液體乙醇更容易到達(dá)氣缸壁然后被活塞環(huán)刮入潤滑油中。而且乙醇易與水完全混合,未燃燒的乙醇冷凝后與水混合后進(jìn)入潤滑油將可能導(dǎo)致油品乳化或與油相分離。這樣可能影響到潤滑油中添加劑的溶解性和性能。此外,乙醇燃燒后將產(chǎn)生比普通汽油多1/3的水,這也使得情況變得更差。

其次是乙醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油氧化性能的影響。潤英聯(lián)公司聯(lián)合福特公司與巴西石油公司幾年前也進(jìn)行了相關(guān)研究[8]。巴西是目前乙醇汽油應(yīng)用最廣的國家。大部分汽車是使用含25%乙醇的E25汽油,也有一部分車使用E85和純乙醇E100作為燃料(這部分車的發(fā)動(dòng)機(jī)是專門設(shè)計(jì)的,稱為靈活燃料汽車(FFV),既能使用E85或E100,也可以使用普通汽油)。當(dāng)時(shí)研究發(fā)現(xiàn)[8],在一些操作條件苛刻的四沖程小排量發(fā)動(dòng)機(jī)中(1000 mL),使用E25燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)油常出現(xiàn)油泥較多的問題。據(jù)分析,油泥的形成起始于進(jìn)入潤滑油中燃料的部分氧化產(chǎn)物。而巴西的汽油中烯烴含量較高,容易被氧化,這也加速了潤滑油中油泥的形成。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)來研究該油泥問題。研究中使用了1.0 L四沖程發(fā)動(dòng)機(jī),在高竄氣比的類似程序Ⅴ的操作條件下,所用燃料為含25%乙醇的汽油E25,試驗(yàn)潤滑油為API SL粘度SAE 20W-50礦物油,試驗(yàn)時(shí)間200 h以上。在前100 h內(nèi),按照試驗(yàn)條件:高竄氣比、低水溫、油溫和充分怠速,導(dǎo)致潤滑油粘度下降。100 h之后,粘度和戊烷不溶物均上升。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)潤滑油總酸值TAN和鐵含量都很高。但是換用含更多抗氧劑的API SM油的話,情況卻大有改善,比API SL油有更好控制油泥生成的能力。

燃料乙醇的另一個(gè)問題是腐蝕[9]。它不僅使燃料系統(tǒng)腐蝕而且不完全燃燒后產(chǎn)生的乙醛和乙酸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各部件腐蝕性也增加。ETBE也有同樣問題只是比乙醇輕而已。因此有必要在燃料及發(fā)動(dòng)機(jī)油中額外加入抗腐蝕劑[10]。

目前OEM對(duì)使用燃料乙醇的態(tài)度不盡相同。美國三大汽車公司十分積極推出能使用E85的耐腐蝕的靈活燃料汽車(FFV),2007年末美國已經(jīng)擁有600多萬輛靈活燃料汽車。三大汽車公司于2008年3月末聯(lián)合發(fā)出倡議,希望在2012年美國的FFV或能使用E85的汽車保有量達(dá)到50% 。美國目前允許含乙醇10%的E10使用在普通汽車上。 而歐洲大多數(shù)OEM仍然堅(jiān)持只允許E5的使用,而且主要是發(fā)展ETBE。日本OEM則相對(duì)保守,多數(shù)OEM只允許3%的乙醇E3使用,對(duì)于燃料乙醇或ETBE直接混入汽油尚在爭論,日本國內(nèi)也缺少相關(guān)資源。即使是在美國的日本OEM也只有尼桑少量生產(chǎn)FFV。

2.2 生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油的影響

生物柴油比普通柴油密度與表面張力要高,餾分更重、更窄、揮發(fā)度更高,特別是粘度比普通柴油要更大。生物柴油粘度一般為3.5~5.0 mm2/s,比普通柴油2.0~3.5 mm2/s的粘度高出約15%~75%[9-10]。因此從燃料噴嘴霧化時(shí)將形成更大的小液滴,使霧化變差。李博士[11]使用菜籽油甲酯與0#柴油比較其燃燒霧化效果,發(fā)現(xiàn)生物柴油霧化的效果只有0#柴油的一半。這表明液滴直徑變大與空氣的霧化變差。因此使用生物柴油,將更容易出現(xiàn)不完全燃燒現(xiàn)象。加之生物柴油的餾程在320~350 ℃,比普通柴油高且餾程很窄,因此未燃燒的生物柴油進(jìn)入潤滑油后更容易在油底殼保留并累積。潤滑油實(shí)際被燃料稀釋的程度一般取決于操作條件、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和燃料性質(zhì)。一般來說,直接噴射柴油機(jī)比間接噴射柴油機(jī)的燃料稀釋問題要嚴(yán)重,因?yàn)楹笳呦鄬?duì)來說更少地依賴于燃料的霧化程度。對(duì)于一些老式的直噴柴油機(jī),如果使用純生物柴油將出現(xiàn)很嚴(yán)重的燃料稀釋問題。據(jù)報(bào)道[12-13],早在上世紀(jì)80年代,Siekmann和Blackburn都發(fā)現(xiàn),使用純生物柴油B100的直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)油被燃料稀釋比高達(dá)20%,導(dǎo)致油品變質(zhì)加速,需要大幅度降低換油周期。即使是新一代發(fā)動(dòng)機(jī)縮小了氣缸間隙仍然有相當(dāng)嚴(yán)重的燃料稀釋問題。Thomos Sem[14]在2004年使用B100的大豆油甲酯在Yanmar 2.1 L直噴柴油機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),400 h后油底殼中含生物柴油8%,粘度下降了3 mm2/s,而使用普通柴油粘度卻沒有下降。Sadeghi-Jorabci[15]使用含菜籽油甲酯的生物柴油在巴士上進(jìn)行實(shí)際行車實(shí)驗(yàn),在16000 km時(shí)油中含17.3%的生物燃料,粘度由14 mm2/s降到8.7 mm2/s,且含有鉻和鉛金屬元素。而使用普通柴油只有5%的燃料稀釋, 粘度降到13.3 mm2/s后恒定。

因此使用生物柴油將不可避免會(huì)帶來燃料稀釋,由于生物柴油主要是含有不飽和脂肪酸的酯類,很容易被氧化。透過活塞環(huán)進(jìn)入油底殼被氧化后將進(jìn)一步促進(jìn)潤滑油的氧化,形成油泥、不溶物和酸性物質(zhì),從而使油品粘度、TAN增加和TBN下降,活塞積炭增多,清凈性降低[14]。

如果燃料稀釋程度高的話將降低油品粘度和油膜厚度,導(dǎo)致出現(xiàn)磨損。同時(shí),對(duì)于生物柴油來說,其中的自由脂肪酸和甘油將會(huì)導(dǎo)致燃料噴射系統(tǒng)的腐蝕。生物柴油降解產(chǎn)生的羧酸產(chǎn)物也將增加腐蝕。之前有一些研究報(bào)道[16-18],在使用生物柴油后,機(jī)油被燃料稀釋,導(dǎo)致粘度大幅下降,機(jī)油中的金屬含量也有一定程度的上升[19],但性能優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機(jī)油對(duì)生物柴油的負(fù)面影響有所減輕[20]。

2.2.1 關(guān)于生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油影響的實(shí)驗(yàn)[21]

潤英聯(lián)公司使用了目前最新模擬實(shí)驗(yàn),發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)和行車實(shí)驗(yàn)全面地考察了生物柴油對(duì)不同性能級(jí)別發(fā)動(dòng)機(jī)油的氧化安定性、低溫流動(dòng)性、清凈性、腐蝕與磨損等影響。

2.2.1.1 模擬實(shí)驗(yàn)

(1)GFC氧化試驗(yàn)

它是歐洲工業(yè)界用來評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)油氧化安定性的方法。試驗(yàn)條件如下:300 mL油,溫度170 ℃,無催化劑,通以10 L/h流量的空氣,時(shí)間為144 h和188 h。試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行分析。試驗(yàn)油樣分別采用純發(fā)動(dòng)機(jī)油、純機(jī)油分別混入10%B0(即普通柴油)、10%B50(生物柴油和普通柴油各占50%)和10%的B100(純生物柴油)。同時(shí)采用兩種發(fā)動(dòng)機(jī)油進(jìn)行試驗(yàn),一種為中檔油(滿足ACEA A3-02,B3-98性能要求),另一種為高檔油(滿足ACEA E6-04,MB p228.51性能要求)。圖1是GFC氧化試驗(yàn)后粘度增長結(jié)果,圖2是其總酸值TAN增長結(jié)果。

從圖1可以看出,經(jīng)過144 h氧化后,加入10%各種柴油的中檔油40 ℃粘度均增加,且隨著生物柴油的比例增大而增大,B100最大至30.8 mm2/s。且在188 h試驗(yàn)后,全部中檔油的樣品幾乎成了固體,無法流動(dòng)。與此相對(duì)照的是,高檔油在加入10%各種柴油進(jìn)行試驗(yàn)后,其40 ℃粘度增長也是隨其中生物柴油的比例增大而增長,但總的來說增長幅度較小。經(jīng)188 h后,僅加入10%B100的高檔油樣成了固體,其他樣品仍能流動(dòng)。這一點(diǎn)也可以從圖2得到佐證。加入各種柴油的中檔油其總酸值TAN均大幅增加,尤以加入純生物柴油B100的增加幅度最大。而高檔油其總酸值雖然也有所增長,但增幅相對(duì)較小。

(2)TEOST MHT-4試驗(yàn)

TEOST MHT-4試驗(yàn)是API SL及SM規(guī)格中用于評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)油生成沉積物傾向的。使用的油樣除取消加入純生物柴油B100外其余同GFC實(shí)驗(yàn)。圖3為TEOST MHT-4試驗(yàn)結(jié)果。從圖3可以看出,加有普通柴油的實(shí)驗(yàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)油本身結(jié)果接近,但加入生物柴油B50的中檔發(fā)動(dòng)機(jī)油其沉積物增幅最大,而高檔油的沉積物增長幅度相對(duì)較小。

(3)HTCBT高溫腐蝕模擬試驗(yàn)

HTCBT(高溫腐蝕模擬試驗(yàn))是目前ACEA E7和API CI-4、CJ-4規(guī)格中測定腐蝕的試驗(yàn)。結(jié)果見圖4與圖5。

從圖中可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)油中混入10%普通柴油,其HTCBT試驗(yàn)銅、鉛與純發(fā)動(dòng)機(jī)油試驗(yàn)結(jié)果相比幾乎沒有變化。但混入10%B50和B100的話,對(duì)于性能稍差的中檔油,試驗(yàn)后銅、鉛含量都大幅度升高。而對(duì)于性能優(yōu)異的高檔油,試驗(yàn)后銅、鉛含量變化不大。這說明發(fā)動(dòng)機(jī)油中混入生物柴油,確實(shí)會(huì)對(duì)銅、鉛金屬產(chǎn)生一定的腐蝕。而發(fā)動(dòng)機(jī)油性能的高低對(duì)于減少其腐蝕具有重要的作用。性能好的發(fā)動(dòng)機(jī)油能控制生物柴油帶來的腐蝕,在一定程度上保護(hù)了發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

潤英聯(lián)公司也考查了不同原料生產(chǎn)的生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油腐蝕方面的影響,仍然采用HTCBT試驗(yàn),其結(jié)果見圖6和圖7。

從圖6和圖7可以看出,原料不同影響差別也較大。以棕櫚油為原料的生物柴油對(duì)銅、鉛的腐蝕相對(duì)較小,而以大豆油為原料的生物柴油對(duì)銅、鉛的腐蝕相對(duì)較大,菜籽油居中,目前歐洲生物柴油主要是以菜籽油為原料,美國則主要用大豆油,而東南亞國家的生物柴油主要來源于棕櫚油。

(4)不同原料生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油低溫性能的影響

采用15W-40發(fā)動(dòng)機(jī)油不加與加入10%各類不同來源的生物柴油(菜籽油、大豆油和棕櫚油)及普通柴油測定其-20 ℃的CCS和-25 ℃的MRV。結(jié)果表明,在CCS的測定中各種柴油加入發(fā)動(dòng)機(jī)油后粘度均比不加時(shí)降低60%以上,只有棕櫚油只降低30%左右。MRV測定表明只有棕櫚油不降反而升高6%,其余均降低70%以上。所以棕櫚油甲酯只適合在熱帶使用,且最好只用單級(jí)油,因?yàn)槎嗉?jí)油若粘度指數(shù)改進(jìn)劑選擇不當(dāng),則使用后的油可能出現(xiàn)無法泵送的情況。

2.2.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)

所有實(shí)驗(yàn)均使用含大豆油甲酯30%的B30生物柴油與普通柴油對(duì)比。

(1)Caterpillar 1N清凈性試驗(yàn)(CJ-4規(guī)格油使用)

使用符合CJ-4規(guī)格與ACEA E6規(guī)格的兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)油,結(jié)果如表4。

從表4可見,使用B30與普通柴油相比對(duì)CJ-4油的清凈性沒有影響,均通過。對(duì)清凈性更好的E6油也是如此。只有在E6油中混入生物柴油使其含量達(dá)5%時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的頂環(huán)岸重炭以及頂環(huán)槽充炭不合格,但活塞清凈性仍然合格?？梢娚锊裼蛯?duì)CJ-4和E6這樣高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)油影響不大。

(2)Mack T-12發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

Mack T-12是CJ-4規(guī)格中帶廢氣循環(huán)(EGR)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn),用于評(píng)定由煙炱引起的軸瓦及缸套磨損、油耗與氧化性能。此處也使用CJ-4試驗(yàn)油,燃料為B30生物柴油與普通柴油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

表5 Mack T-12生物柴油試驗(yàn)結(jié)果

從表5可見生物柴油使?jié)櫥椭械你U含量增加而超標(biāo),但其余指標(biāo)與普通柴油類似。

2.2.1.3 潤英聯(lián)的生物柴油行車實(shí)驗(yàn)

潤英聯(lián)在美國的River Valley進(jìn)行了生物柴油行車試驗(yàn)。車隊(duì)包括11臺(tái)裝有Mack E7 314 kW(427 hp)發(fā)動(dòng)機(jī)和10臺(tái)裝有Cummins ISX 331 kW(450 hp)發(fā)動(dòng)機(jī)的重型卡車。 在一直用2#柴油燃料運(yùn)行了14個(gè)月和約22.53萬km(14萬mile)后,將卡車切換使用含20%生物柴油的燃料。所用機(jī)油為API CJ-4發(fā)動(dòng)機(jī)油。圖8和圖9為行車試驗(yàn)后廢油分析。圖10和圖11為試驗(yàn)性能。

從結(jié)果來看,兩種發(fā)動(dòng)機(jī)使用普通柴油和20%的生物柴油,廢油中鐵含量相差并不大,銅含量也無異常,但鉛含量均大幅升高。但從圖10來看發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦實(shí)際運(yùn)行狀況仍然良好。所以廢油中鉛并非來自軸瓦而有可能來自燃料油箱。兩種發(fā)動(dòng)機(jī)使用生物柴油后,機(jī)油的氧化度均有一定程度的升高,其中Mack發(fā)動(dòng)機(jī)升幅相對(duì)較大。但圖10來看油泥并未增加。但是圖11的冠岸重炭兩車均上升。這也說明生物柴油的引入將在一定程度上加劇機(jī)油的氧化。但由于CJ-4油的性能水平高,所以一定程度上抵消了生物柴油帶來的負(fù)面影響。 2.2.2 主要OEM對(duì)生物柴油的立場[22](見表6)

大多數(shù)OEM均接受B5,但對(duì)更高用量的生物柴油均持謹(jǐn)慎態(tài)度。

3 結(jié)論

(1)近年來,由于節(jié)能減排的要求以及石油價(jià)格的高漲,歐美均出臺(tái)了許多鼓勵(lì)使用生物燃料的政策。因此包括燃料乙醇和生物柴油在內(nèi)的生物燃料發(fā)展迅速,全球生物燃料的產(chǎn)量和需求量及生產(chǎn)能力都不斷增長。在未來幾年里,這一增長趨勢仍將繼續(xù)。但隨著需求的擴(kuò)張與糧食爭奪資源加劇,急需開發(fā)新的生物燃料來源和技術(shù)。

(2)生物燃料與普通石化燃料的性質(zhì)有所不同,其添加比例較低時(shí),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油性能的影響較為有限,但以高比例加入石化燃料中使用時(shí),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油的影響逐漸顯現(xiàn)。

(3)生物燃料對(duì)潤滑油的稀釋程度比石化燃料要高,這將導(dǎo)致機(jī)油粘度降低,帶來發(fā)動(dòng)機(jī)磨損問題。同時(shí),生物燃料的引入帶來發(fā)動(dòng)機(jī)油的污染造成腐蝕、氧化、油泥和沉積物使發(fā)動(dòng)機(jī)油性能變差。

(4)潤英聯(lián)公司所進(jìn)行的模擬試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和行車試驗(yàn)表明,大比例添加量的生物柴油對(duì)潤滑油的氧化、腐蝕及低溫性能存在一定程度的負(fù)面影響。性能優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機(jī)油在很大程度上能降低生物柴油帶來的各方面負(fù)面的影響。

(5)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車OEM對(duì)生物燃料的應(yīng)用問題比較關(guān)注。對(duì)低比例生物燃料,大多數(shù)OEM都能批準(zhǔn)用于目前未經(jīng)改造的普通發(fā)動(dòng)機(jī)。但對(duì)高比例調(diào)合的生物燃料,大多數(shù)OEM目前都持謹(jǐn)慎態(tài)度。

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收稿日期:2008-08-06。

作者簡介:秦曉東(1975-),男,碩士,2001年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程與工藝專業(yè),潤英聯(lián)北京市場技術(shù)服務(wù)代表,主要從事潤滑油添加劑的技術(shù)研究及推廣工作,已公開發(fā)表論文數(shù)篇。