韋小紅 宿鵬浩

摘 要：為了評價餐廚廢棄油脂制生物柴油混合燃料在內(nèi)河船舶柴油機或遠洋商船輔助發(fā)電柴油機上應(yīng)用的可靠性，依據(jù)船用柴油機相關(guān)測試方法，對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）進行了100小時耐久性臺架試驗研究，并與燃燒純船用輕柴油的耐久性試驗結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明，在100h耐久性試驗期間內(nèi)，柴油機燃燒B10時的扭矩、油耗、排溫均較為穩(wěn)定;燃燒B10運行100h后，柴油機在推進特性、負荷特性、排放特性與燃燒船用輕柴油時相似。相對于燃燒船用輕柴油，燃燒B10時柴油機的調(diào)速性能略低于燃燒船用輕柴油時，但最高轉(zhuǎn)速波動幅度仍低于2.5%，且轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的時間與燃燒船用輕柴油時相近，表明燃燒B10時船舶具有良好的克服外界阻力矩波動的能力;柴油機燃燒B10運行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長期運行時保持氣缸密封性。B10在內(nèi)河船舶柴油機或遠洋商船輔助發(fā)電柴油機上具有良好的可靠性。

關(guān)鍵詞：船用柴油機;餐廚廢棄油脂制生物柴油;耐久性試驗;可靠性

將餐廚廢棄油脂（waste cooking oil，WCO）制成生物柴油進行循環(huán)利用，有利于避免WCO非法進入市場帶來的食品安全問題，并可緩解WCO處理及排放過程對環(huán)境造成的危害[1， 2]。目前，國內(nèi)外廣泛開展了WCO生物柴油在機動車柴油機上的研究，結(jié)果表明相對于礦物柴油，燃燒WCO生物柴油時柴油機可表現(xiàn)出相近的性能，同時尾氣排放更為環(huán)境友好 [3-12]。我國近年大力推進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使用，驗證了長期運行的可行性[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，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]。本實驗室前期實驗研究WCO生物柴油對船用輔機負荷特性、動力特性以及燃燒特性的影響，進而分析了對尾氣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)動機產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標之一，目前國內(nèi)外針對柴油機燃用生物柴油的可靠性研究僅集中于陸用柴油機[2， 13， 20]。鑒于驗證船用柴油機可靠性的試驗方法和測試項目與陸用柴油機存在一定差異，本文將依據(jù)船用柴油機相關(guān)行業(yè)標準，在上海海事大學(xué)發(fā)動機性能實驗室配備的6135G128ZCa型柴油機（可用于內(nèi)河船舶發(fā)動機或遠洋商船輔助柴油發(fā)電機）上對WCO生物柴油-船用輕柴油混合柴油（體積比例為1：9，記為B10）進行100小時耐久性臺架試驗研究，并與燃用純船用輕柴油進行對比，考察WCO生物柴油對船用柴油機性能和排放的影響，評估WCO生物柴油作為船用燃料長時間運行的可行性。

1 試驗用燃油、裝置與試驗方案

1.1試驗燃油

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

1.2 試驗裝置

試驗用柴油機為船用6135G128ZCa型柴油機，配有水渦流測功器W440及FCT-1300發(fā)動機測控系統(tǒng)，油耗由HZb2000型油耗測量儀（南通常通測試有限公司）進行測定，尾氣中的THC（Total Hydrocarbon）、CO和NOx用Sensors ECOSTAR PLUS氣體分析儀進行測定。

1.3 試驗方案

柴油機性能試驗參照中華人民共和國船舶行業(yè)標準《船用柴油機臺架試驗》（CB/T 3254.2-2013）進行，柴油機排放試驗參照《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法》（GB 15097-2016）、《船用柴油機氮氧化物排放試驗及檢驗指南》（中國船級社）進行。耐久性試驗進行10個循環(huán)共100h。柴油機運行期間對性能參數(shù)和排放參數(shù)進行測定，連續(xù)運轉(zhuǎn)時間不超過2小時的工況點測量一次，超過2小時的每2小時測量一次。B10與MGO柴油對比測試方案相同。

耐久性試驗前后，分別對柴油機燃燒WCO生物柴油和MGO柴油時的推進特性、負荷特性、調(diào)速特性、排放特性和氣缸部件進行測定，以全面分析WCO生物柴油在船用柴油機上可靠性。推進特性試驗方案為：柴油機在持續(xù)功率25%、50%、75%、100%額定功率的工況下測定扭矩和油耗。負荷特性測試方案為：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）逐步增加負荷，測定各工況點的油耗。

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

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 耐久性試驗期間運行穩(wěn)定性

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

耐久試驗期間排溫的測試結(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，由于測試B10期間環(huán)境溫度變化較大，因此排溫波動較大。燃燒相同燃油時，環(huán)境溫度相近時則排溫相近，這說明耐久性試驗中柴油機的排氣溫度有良好的穩(wěn)定性。此外，環(huán)境溫度相近時，B10排溫低于MGO排溫，這是由于生物柴油的熱值低于MGO柴油，單位時間熱釋放率較低。

2.2 柴油機耐久性試驗前后性能、排放對比

2.2.1 推進特性

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

2.2.2 調(diào)速特性

通過突增、突卸負載試驗對柴油機的調(diào)速特性進行測試，柴油機外部負載發(fā)生變化將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速發(fā)生波動，并在一定時間后重新達到平衡。突增負載時，柴油機轉(zhuǎn)速將下降;而突卸負載時，柴油機轉(zhuǎn)速將增高。當扭矩由50N·m突增至205N·m，燃燒B10時轉(zhuǎn)速最大降幅為7N·m，而燃燒MGO柴油時轉(zhuǎn)速最大降幅為4N·m，燃燒B10時的轉(zhuǎn)速波動高于燃燒MGO柴油;當扭矩由205N·m突增至408N·m，燃燒B10與燃燒MGO柴油時的轉(zhuǎn)速最大降幅相近，均為3N·m。突卸負載試驗與突增負載試驗顯示出相似的規(guī)律，即耐久性試驗前，當扭矩由990N·m突降至500N·m，燃燒B10時轉(zhuǎn)速最大降幅為25N·m，而燃燒MGO柴油時轉(zhuǎn)速最大降幅為13N·m，燃燒B10時的轉(zhuǎn)速波動高于燃燒MGO柴油;當扭矩由500N·m突增至125N·m，燃燒B10與燃燒MGO時的轉(zhuǎn)速最大降幅相近，均為5N·m。上述結(jié)果表明，燃燒B10時船舶克服外界阻力矩波動時保持穩(wěn)定工作的能力略低于燃燒MGO柴油。盡管如此，B10時由負載突變引起的最高轉(zhuǎn)速波動率低于2.5%，且突增或突卸負載后，燃燒B10燃油時轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的時間與燃燒MGO柴油時相近，表明燃燒B10時船舶仍具有很強的克服外界阻力矩波動的能力。

2.2.3 排放特性

耐久性試驗前后分別測定了4個工況下尾氣中THC、CO和NOx濃度。柴油機運行100h后，燃燒兩種燃油時的THC排放均小幅度增加，但增幅均小于1%，說明耐久性試驗后柴油機燃燒略有惡化。柴油機在低負荷（功率為25%額定功率）時，即燃燒不充分時，耐久性試驗后尾氣中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具有緩解柴油機長期運行后尾氣中THC排放增加的優(yōu)勢。

運行100h后該柴油機燃燒兩種燃油時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后柴油機燃燒略有惡化。此外，低負荷條件下，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，在低負荷（低溫）條件下可促進燃料的完全燃燒，因此CO產(chǎn)生量較小.

各工況下柴油機NOx排放。燃燒兩種燃油各運行100h后尾氣中NOx濃度均低于耐久性開始時，主要原因是，相對于耐久性試驗開始時，燃燒兩種燃油的耐久性試驗結(jié)束時的環(huán)境溫度均較低，較低的環(huán)境溫度使耐久性試驗結(jié)束時的排溫也較低，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，耐久性試驗后尾氣中NOx濃度降幅高于燃燒B10時，這是因為燃燒MGO柴油時耐久性試驗前后環(huán)境溫度溫差比燃燒B10時大。此外，燃燒兩種燃油時，耐久性試驗結(jié)束時的環(huán)境溫度相近，而尾氣中NOx濃度也很接近，說明相對于燃燒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增加NOx排放的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文在船舶柴油機上對B10（WCO生物柴油：MGO柴油= 1：9）進行了100小時的耐久試驗，并與MGO柴油的耐久性試驗結(jié)果進行了對比分析，結(jié)論如下：

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

（2）燃燒B10運行100h后，該柴油機在推進特性、負荷特性、排放特性、氣缸磨損等四個方面上的變化與燃燒MGO100h后相似;

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

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