船用柴油機(jī)燃用餐廚廢棄油脂制生物柴油的耐久性試驗(yàn)研究

韋小紅 宿鵬浩

摘 要：為了評(píng)價(jià)餐廚廢棄油脂制生物柴油混合燃料在內(nèi)河船舶柴油機(jī)或遠(yuǎn)洋商船輔助發(fā)電柴油機(jī)上應(yīng)用的可靠性，依據(jù)船用柴油機(jī)相關(guān)測(cè)試方法，對(duì)地溝油生物柴油與船用輕柴油的混合油（體積比為1：9，記為B10）進(jìn)行了100小時(shí)耐久性臺(tái)架試驗(yàn)研究，并與燃燒純船用輕柴油的耐久性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在100h耐久性試驗(yàn)期間內(nèi)，柴油機(jī)燃燒B10時(shí)的扭矩、油耗、排溫均較為穩(wěn)定;燃燒B10運(yùn)行100h后，柴油機(jī)在推進(jìn)特性、負(fù)荷特性、排放特性與燃燒船用輕柴油時(shí)相似。相對(duì)于燃燒船用輕柴油，燃燒B10時(shí)柴油機(jī)的調(diào)速性能略低于燃燒船用輕柴油時(shí)，但最高轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度仍低于2.5%，且轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間與燃燒船用輕柴油時(shí)相近，表明燃燒B10時(shí)船舶具有良好的克服外界阻力矩波動(dòng)的能力;柴油機(jī)燃燒B10運(yùn)行100h后，活塞環(huán)搭扣間隙變化較小，表明燃燒生物柴油有利于在柴油機(jī)長期運(yùn)行時(shí)保持氣缸密封性。B10在內(nèi)河船舶柴油機(jī)或遠(yuǎn)洋商船輔助發(fā)電柴油機(jī)上具有良好的可靠性。

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī);餐廚廢棄油脂制生物柴油;耐久性試驗(yàn);可靠性

將餐廚廢棄油脂（waste cooking oil，WCO）制成生物柴油進(jìn)行循環(huán)利用，有利于避免WCO非法進(jìn)入市場(chǎng)帶來的食品安全問題，并可緩解WCO處理及排放過程對(duì)環(huán)境造成的危害[1， 2]。目前，國內(nèi)外廣泛開展了WCO生物柴油在機(jī)動(dòng)車柴油機(jī)上的研究，結(jié)果表明相對(duì)于礦物柴油，燃燒WCO生物柴油時(shí)柴油機(jī)可表現(xiàn)出相近的性能，同時(shí)尾氣排放更為環(huán)境友好 [3-12]。我國近年大力推進(jìn)地溝油生物柴油的應(yīng)用，如上海市將WCO生物柴油在公交車上試點(diǎn)使用，驗(yàn)證了長期運(yùn)行的可行性[13]，并且可以降低90%的氣態(tài)污染物和46%的PM2.5排放（對(duì)比燃用90#柴油）[14]。然而，由于缺乏配套的混油站、加油站以及公交公司對(duì)供油的顧慮，WCO生物柴油公交車的推廣遇到了較大阻力[15]。

全球商船每年消耗約6000萬桶原油[16]，如果能將WCO生物柴油用于船用柴油機(jī)，將避免約300萬噸/年WCO流回餐桌[17]。目前，國內(nèi)外關(guān)于WCO生物柴油船用的研究開展十分有限[16]。本實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)驗(yàn)研究WCO生物柴油對(duì)船用輔機(jī)負(fù)荷特性、動(dòng)力特性以及燃燒特性的影響，進(jìn)而分析了對(duì)尾氣NOx、SO2及溫室氣體排放特性的影響，初步確證了WCO生物柴油作為傳統(tǒng)船用燃油替代物的可行性和優(yōu)越性[18， 19]。

可靠性是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，目前國內(nèi)外針對(duì)柴油機(jī)燃用生物柴油的可靠性研究僅集中于陸用柴油機(jī)[2， 13， 20]。鑒于驗(yàn)證船用柴油機(jī)可靠性的試驗(yàn)方法和測(cè)試項(xiàng)目與陸用柴油機(jī)存在一定差異，本文將依據(jù)船用柴油機(jī)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在上海海事大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室配備的6135G128ZCa型柴油機(jī)（可用于內(nèi)河船舶發(fā)動(dòng)機(jī)或遠(yuǎn)洋商船輔助柴油發(fā)電機(jī)）上對(duì)WCO生物柴油-船用輕柴油混合柴油（體積比例為1：9，記為B10）進(jìn)行100小時(shí)耐久性臺(tái)架試驗(yàn)研究，并與燃用純船用輕柴油進(jìn)行對(duì)比，考察WCO生物柴油對(duì)船用柴油機(jī)性能和排放的影響，評(píng)估WCO生物柴油作為船用燃料長時(shí)間運(yùn)行的可行性。

1 試驗(yàn)用燃油、裝置與試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)燃油

試驗(yàn)用燃油為WCO生物柴油和船用輕柴油（Marine Gasoil，MGO）。試驗(yàn)中將WCO生物油與MGO柴油按體積比為1：9混合（記為B10），測(cè)試WCO生物油在船用柴油機(jī)上使用的可靠性。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用柴油機(jī)為船用6135G128ZCa型柴油機(jī)，配有水渦流測(cè)功器W440及FCT-1300發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，油耗由HZb2000型油耗測(cè)量儀（南通常通測(cè)試有限公司）進(jìn)行測(cè)定，尾氣中的THC（Total Hydrocarbon）、CO和NOx用Sensors ECOSTAR PLUS氣體分析儀進(jìn)行測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)方案

柴油機(jī)性能試驗(yàn)參照中華人民共和國船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《船用柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)》（CB/T 3254.2-2013）進(jìn)行，柴油機(jī)排放試驗(yàn)參照《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》（GB 15097-2016）、《船用柴油機(jī)氮氧化物排放試驗(yàn)及檢驗(yàn)指南》（中國船級(jí)社）進(jìn)行。耐久性試驗(yàn)進(jìn)行10個(gè)循環(huán)共100h。柴油機(jī)運(yùn)行期間對(duì)性能參數(shù)和排放參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不超過2小時(shí)的工況點(diǎn)測(cè)量一次，超過2小時(shí)的每2小時(shí)測(cè)量一次。B10與MGO柴油對(duì)比測(cè)試方案相同。

耐久性試驗(yàn)前后，分別對(duì)柴油機(jī)燃燒WCO生物柴油和MGO柴油時(shí)的推進(jìn)特性、負(fù)荷特性、調(diào)速特性、排放特性和氣缸部件進(jìn)行測(cè)定，以全面分析WCO生物柴油在船用柴油機(jī)上可靠性。推進(jìn)特性試驗(yàn)方案為：柴油機(jī)在持續(xù)功率25%、50%、75%、100%額定功率的工況下測(cè)定扭矩和油耗。負(fù)荷特性測(cè)試方案為：在額定轉(zhuǎn)速（1500rpm）下，按額定功率的25%（40.5kW）、50%（81kW）、75%（121.5kW）、90%（145.8kW）、100%（162kW）、110%（178.2kW）逐步增加負(fù)荷，測(cè)定各工況點(diǎn)的油耗。

在負(fù)荷特性試驗(yàn)中測(cè)定柴油機(jī)尾氣中各污染物濃度。調(diào)速特性試驗(yàn)方案為：突增負(fù)載試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速為額定值的63%（945rpm），初始功率為5kWh（50N·m），突增50%負(fù)載至20.5kWh（205N·m），轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后再突增負(fù)載至40.5kWh（408N·m）;突卸負(fù)載試驗(yàn)從額定工況（1500rpm、156.6kWh、990N·m）開始，突卸負(fù)載至78.8kWh（500N·m），穩(wěn)定后再突卸負(fù)載至19.6kWh（125N·m）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 耐久性試驗(yàn)期間運(yùn)行穩(wěn)定性

100小時(shí)耐久試驗(yàn)期間，柴油機(jī)在功率為85%標(biāo)定功率（132kW·h） 、轉(zhuǎn)速為1420rpm的工況下扭矩和有效油耗（effective fuel consumption，EFC）的測(cè)試結(jié)果。在功率和轉(zhuǎn)速恒定的情況下，柴油機(jī)在燃燒兩種燃油時(shí)扭矩波動(dòng)均低于1%，表明燃燒兩種燃油時(shí)柴油機(jī)可以保持長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。油耗在柴油機(jī)運(yùn)行20小時(shí)后趨于穩(wěn)定，此后柴油機(jī)在燃燒兩種燃油時(shí)均保持穩(wěn)定的油耗。這說明在耐久試驗(yàn)中，B10和MGO柴油的燃燒同樣穩(wěn)定，柴油機(jī)長期運(yùn)行的燃油消耗率沒有惡化。此外，柴油機(jī)在燃用B10時(shí)的油耗略高于燃燒MGO柴油時(shí)，這是由于生物柴油的熱值低于MGO柴油。

耐久試驗(yàn)期間排溫的測(cè)試結(jié)果。排溫（Texhaust）與環(huán)境空氣溫度（Tambient）顯著正相關(guān)，排溫隨環(huán)境溫度改變而發(fā)生波動(dòng)，由于測(cè)試B10期間環(huán)境溫度變化較大，因此排溫波動(dòng)較大。燃燒相同燃油時(shí)，環(huán)境溫度相近時(shí)則排溫相近，這說明耐久性試驗(yàn)中柴油機(jī)的排氣溫度有良好的穩(wěn)定性。此外，環(huán)境溫度相近時(shí)，B10排溫低于MGO排溫，這是由于生物柴油的熱值低于MGO柴油，單位時(shí)間熱釋放率較低。

2.2 柴油機(jī)耐久性試驗(yàn)前后性能、排放對(duì)比

2.2.1 推進(jìn)特性

無論燃燒B10還是MGO柴油，100h耐久試驗(yàn)后該柴油機(jī)在各工況下的扭矩都非常穩(wěn)定。 經(jīng)耐久試驗(yàn)后該柴油機(jī)燃燒B10和MGO柴油時(shí)的油耗均略有上升，但上升幅度均低于2%。上述結(jié)果表明，相對(duì)于MGO柴油，B10表現(xiàn)出相近的推進(jìn)特性，油耗略有增加但長期運(yùn)行后油耗惡化趨勢(shì)相似。

2.2.2 調(diào)速特性

通過突增、突卸負(fù)載試驗(yàn)對(duì)柴油機(jī)的調(diào)速特性進(jìn)行測(cè)試，柴油機(jī)外部負(fù)載發(fā)生變化將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)，并在一定時(shí)間后重新達(dá)到平衡。突增負(fù)載時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速將下降;而突卸負(fù)載時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速將增高。當(dāng)扭矩由50N·m突增至205N·m，燃燒B10時(shí)轉(zhuǎn)速最大降幅為7N·m，而燃燒MGO柴油時(shí)轉(zhuǎn)速最大降幅為4N·m，燃燒B10時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)高于燃燒MGO柴油;當(dāng)扭矩由205N·m突增至408N·m，燃燒B10與燃燒MGO柴油時(shí)的轉(zhuǎn)速最大降幅相近，均為3N·m。突卸負(fù)載試驗(yàn)與突增負(fù)載試驗(yàn)顯示出相似的規(guī)律，即耐久性試驗(yàn)前，當(dāng)扭矩由990N·m突降至500N·m，燃燒B10時(shí)轉(zhuǎn)速最大降幅為25N·m，而燃燒MGO柴油時(shí)轉(zhuǎn)速最大降幅為13N·m，燃燒B10時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)高于燃燒MGO柴油;當(dāng)扭矩由500N·m突增至125N·m，燃燒B10與燃燒MGO時(shí)的轉(zhuǎn)速最大降幅相近，均為5N·m。上述結(jié)果表明，燃燒B10時(shí)船舶克服外界阻力矩波動(dòng)時(shí)保持穩(wěn)定工作的能力略低于燃燒MGO柴油。盡管如此，B10時(shí)由負(fù)載突變引起的最高轉(zhuǎn)速波動(dòng)率低于2.5%，且突增或突卸負(fù)載后，燃燒B10燃油時(shí)轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間與燃燒MGO柴油時(shí)相近，表明燃燒B10時(shí)船舶仍具有很強(qiáng)的克服外界阻力矩波動(dòng)的能力。

2.2.3 排放特性

耐久性試驗(yàn)前后分別測(cè)定了4個(gè)工況下尾氣中THC、CO和NOx濃度。柴油機(jī)運(yùn)行100h后，燃燒兩種燃油時(shí)的THC排放均小幅度增加，但增幅均小于1%，說明耐久性試驗(yàn)后柴油機(jī)燃燒略有惡化。柴油機(jī)在低負(fù)荷（功率為25%額定功率）時(shí)，即燃燒不充分時(shí)，耐久性試驗(yàn)后尾氣中THC濃度增幅最大，且該B10尾氣增幅低于MGO尾氣。這是由于尾氣中THC主要來自燃料的不完全燃燒[3， 5， 8]，而MGO柴油的可揮發(fā)成分含量高于WCO生物柴油。這說明燃燒B10具有緩解柴油機(jī)長期運(yùn)行后尾氣中THC排放增加的優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)行100h后該柴油機(jī)燃燒兩種燃油時(shí)CO排放均小幅度增加，增幅均小于1%，這與THC排放變化規(guī)律相似，再次說明耐久性試驗(yàn)后柴油機(jī)燃燒略有惡化。此外，低負(fù)荷條件下，B10尾氣中CO濃度低于MGO尾氣，原因是生物柴油氧元素含量和辛烷值均較高，在低負(fù)荷（低溫）條件下可促進(jìn)燃料的完全燃燒，因此CO產(chǎn)生量較小.

各工況下柴油機(jī)NOx排放。燃燒兩種燃油各運(yùn)行100h后尾氣中NOx濃度均低于耐久性開始時(shí)，主要原因是，相對(duì)于耐久性試驗(yàn)開始時(shí)，燃燒兩種燃油的耐久性試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的環(huán)境溫度均較低，較低的環(huán)境溫度使耐久性試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的排溫也較低，而較低的排溫反映了較低的缸內(nèi)溫度，從而減少了尾氣中熱力學(xué)NOx的形成。燃燒MGO柴油時(shí)，耐久性試驗(yàn)后尾氣中NOx濃度降幅高于燃燒B10時(shí)，這是因?yàn)槿紵齅GO柴油時(shí)耐久性試驗(yàn)前后環(huán)境溫度溫差比燃燒B10時(shí)大。此外，燃燒兩種燃油時(shí)，耐久性試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的環(huán)境溫度相近，而尾氣中NOx濃度也很接近，說明相對(duì)于燃燒MGO柴油，燃燒B10沒有增加NOx排放，這與以往研究中低比例生物柴油混合油不會(huì)增加NOx排放的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文在船舶柴油機(jī)上對(duì)B10（WCO生物柴油：MGO柴油= 1：9）進(jìn)行了100小時(shí)的耐久試驗(yàn)，并與MGO柴油的耐久性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)論如下：

（1）在100h耐久性試驗(yàn)期間，船用柴油機(jī)燃燒B10時(shí)，扭矩、油耗、排溫均較為穩(wěn)定，表明B10在船用柴油機(jī)上具有較好的可靠性;

（2）燃燒B10運(yùn)行100h后，該柴油機(jī)在推進(jìn)特性、負(fù)荷特性、排放特性、氣缸磨損等四個(gè)方面上的變化與燃燒MGO100h后相似;

（3）燃燒B10時(shí)，突增或突卸負(fù)載后轉(zhuǎn)速變化幅度略高于燃燒MGO柴油時(shí)，但最高轉(zhuǎn)速波動(dòng)率低于2.5%，且轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間與燃燒MGO時(shí)相近，表明燃燒B10時(shí)船舶具有良好的克服外界阻力矩波動(dòng)的能力。

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