DOI 编码：10.13646/j.cnki.42-1395/u.2020.12.050
船用柴油机燃用餐厨废弃油脂制生物柴油的耐久性试验研究
韦小红，宿鹏浩
（上海海事大学商船学院，上海 201306）
摘 要：为了评价餐厨废弃油脂制生物柴油混合燃料在内河船舶柴油机或远洋商船辅助发电柴油机上应用的可靠性，依据船用柴油机相关测试方法，对地沟油生物柴油与船用轻柴油的混合油（体积比为 1:9，记为 B10）进行了 100 小时耐久性台架试验研究，并与燃烧纯船用轻柴油的耐久性试验结果进行了对比。结果表明，在 100h 耐久性试验期间内，柴油机燃烧 B10 时的扭矩、油耗、排温均较为稳定；燃烧 B10 运行 100h 后，柴油机在推进特性、负荷特性、排放特性与燃烧船用轻柴油时相似。相对于燃烧船用轻柴油，燃烧 B10 时柴油机的调速性能略低于燃烧船用轻柴油时，但最高转速波动幅度仍低于 2.5%，且转速恢复稳定的时间与燃烧船用轻柴油时相近，表明燃烧 B10 时船舶具有良好的克服外界阻力矩波动的能力；柴油机燃烧 B10 运行 100h 后，活塞环搭扣间隙变化较小，表明燃烧生物柴油有利于在柴油机长期运行时保持气缸密封性。B10 在内河船舶柴油机或远洋商船辅助发电柴油机上具有良好的可靠性。
关键词：船用柴油机；餐厨废弃油脂制生物柴油；耐久性试验；可靠性
中图分类号：U664.121 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）12-0135-03
将餐厨废弃油脂（waste cooking oil，WCO）制成生物柴油进行循环利用，有利于避免 WCO 非法进入市场带来的食品安全问题，并可缓解WCO 处理及排放过程对环境造成的危害 [1, 2]。目前，国内外广泛开展了 WCO 生物柴油在机动车柴油机上的研究，结果表明相对于矿物柴油，燃烧 WCO 生物柴油时柴油机可表现出相近的性能， 同时尾气排放更为环境友好 [3-12]。我国近年大力推进地沟油生物柴油的应用，如上海市将 WCO 生物柴油在公交车上试点使用，验证了长期运行的可行性 [13]，并且可以降低 90% 的气态污染物和 46% 的PM2.5 排放（对比燃用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对供油的顾虑，WCO 生物柴油公交车的推广遇到了较大阻力 [15]。
全球商船每年消耗约 6000 万桶原油 [16]，如果能将
WCO 生物柴油用于船用柴油机，将避免约 300 万吨/ 年WCO 流回餐桌 [17]。目前，国内外关于 WCO 生物柴油船用的研究开展十分有限 [16]。本实验室前期实验研究 WCO 生物柴油对船用辅机负荷特性、动力特性以及燃烧特性的影响，进而分析了对尾气 NOx、SO2 及温室气体排放特性的影响，初步确证了 WCO 生物柴油作为传统船用燃油替代物的可行性和优越性 [18, 19]。
可靠性是发动机产品质量的重要指标之一，目前国内外针对柴油机燃用生物柴油的可靠性研究仅集中于陆用柴油机 [2, 13, 20]。鉴于验证船用柴油机可靠性的试验方法和测试项目与陆用柴油机存在一定差异，本文将依据船用柴油机相关行业标准，在上海海事大学发动机性能实
验室配备的 6135G128ZCa 型柴油机（可用于内河船舶发
动机或远洋商船辅助柴油发电机）上对 WCO 生物柴油 - 船用轻柴油混合柴油（体积比例为 1:9，记为 B10）进行100 小时耐久性台架试验研究，并与燃用纯船用轻柴油进行对比，考察 WCO 生物柴油对船用柴油机性能和排放的影响，评估 WCO 生物柴油作为船用燃料长时间运行的可行性。
1 试验用燃油、装置与试验方案
1.1 试验燃油
试验用燃油为WCO 生物柴油和船用轻柴油（Marine Gasoil，MGO）。试验中将 WCO 生物油与 MGO 柴油按体积比为 1:9 混合（记为B10），测试WCO 生物油在船用柴油机上使用的可靠性。
1.2 试验装置
试验用柴油机为船用 6135G128ZCa 型柴油机，配有水涡流测功器 W440 及FCT-1300 发动机测控系统，油耗由HZb2000 型油耗测量仪（南通常通测试有限公司）进行测定，尾气中的 THC（Total Hydrocarbon）、CO 和 NOx 用 Sensors ECOSTAR PLUS 气体分析仪进行测定。
1.3 试验方案
柴油机性能试验参照中华人民共和国船舶行业标准
《船用柴油机台架试验》（CB/T 3254.2-2013）进行，柴油机排放试验参照《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法》（GB 15097-2016）、《船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南》（中国船级社）进行。耐久性试验进行 10 个循环共 100h。柴油机运行期间对性能参数和排放参数进行测定，连续运转时间不超过 2 小时的工况点测量一次，超过 2 小时的每 2 小时测量一次。B10 与MGO 柴油对比测试方案相同。
耐久性试验前后，分别对柴油机燃烧 WCO 生物柴油和MGO 柴油时的推进特性、负荷特性、调速特性、排放特性和气缸部件进行测定，以全面分析WCO 生物柴油在船用柴油机上可靠性。推进特性试验方案为：柴油机在持续功率 25%、50%、75%、100% 额定功率的工况下测定扭矩和油耗。负荷特性测试方案为：在额定转速
（1500rpm）下，按额定功率的25%（40.5kW）、50%（81kW）、75%（121.5kW）、90%（145.8kW）、100%（162kW）、
110%（178.2kW）逐步增加负荷，测定各工况点的油耗。在负荷特性试验中测定柴油机尾气中各污染物浓
度。调速特性试验方案为：突增负载试验中转速为额定值的 63%（945rpm）， 初始功率为 5kWh（50N•m）， 突增 50% 负载至 20.5kWh（205N•m），转速稳定后再突增负载至 40.5kWh（408N•m）；突卸负载试验从额定工况（1500rpm、156.6kWh、990N•m）开始，突卸负载至 78.8kWh（500N•m），稳定后再突卸负载至 19.6kWh
（125N•m）。
2 试验结果与分析
2.1 耐久性试验期间运行稳定性
100 小时耐久试验期间，柴油机在功率为 85% 标定功率 (132kW•h) 、转速为 1420rpm 的工况下扭矩和有效油耗（effective fuel consumption，EFC）的测试结果。在功率和转速恒定的情况下，柴油机在燃烧两种燃油时扭矩波动均低于 1%，表明燃烧两种燃油时柴油机可以保持长时间稳定运行。油耗在柴油机运行 20 小时后趋于稳定， 此后柴油机在燃烧两种燃油时均保持稳定的油耗。这说明在耐久试验中，B10 和MGO 柴油的燃烧同样稳定，柴油机长期运行的燃油消耗率没有恶化。此外，柴油机在燃用 B10 时的油耗略高于燃烧 MGO 柴油时，这是由于生物柴油的热值低于 MGO 柴油。
耐久试验期间排温的测试结果。排温（Texhaust）与环境空气温度（Tambient）显著正相关，排温随环境温度改变而发生波动，由于测试B10 期间环境温度变化较大， 因此排温波动较大。燃烧相同燃油时，环境温度相近时则排温相近，这说明耐久性试验中柴油机的排气温度有良好的稳定性。此外，环境温度相近时，B10 排温低于MGO 排温，这是由于生物柴油的热值低于MGO 柴油， 单位时间热释放率较低。
2.2 柴油机耐久性试验前后性能、排放对比
2.2.1 推进特性
无论燃烧B10 还是MGO 柴油，100h 耐久试验后该柴油机在各工况下的扭矩都非常稳定。 经耐久试验后该柴油机燃烧 B10 和MGO 柴油时的油耗均略有上升，但上
升幅度均低于 2%。上述结果表明，相对于MGO 柴油， B10 表现出相近的推进特性，油耗略有增加但长期运行后油耗恶化趋势相似。
2.2.2 调速特性
通过突增、突卸负载试验对柴油机的调速特性进行测试，柴油机外部负载发生变化将导致转速发生波动， 并在一定时间后重新达到平衡。突增负载时，柴油机转速将下降；而突卸负载时，柴油机转速将增高。当扭矩由 50N•m 突增至 205N•m，燃烧 B10 时转速最大降幅为7N•m，而燃烧 MGO 柴油时转速最大降幅为 4N•m，燃烧B10 时的转速波动高于燃烧 MGO 柴油；当扭矩由 205N•m 突增至 408N•m，燃烧 B10 与燃烧MGO 柴油时的转速最大降幅相近，均为 3N•m。突卸负载试验与突增负载试验显示出相似的规律，即耐久性试验前，当扭矩由 990N•m 突降至 500N•m，燃烧 B10 时转速最大降幅为 25N•m，而燃烧 MGO 柴油时转速最大降幅为 13N•m，燃烧 B10 时的转速波动高于燃烧MGO 柴油；当扭矩由 500N•m 突增至125N•m，燃烧 B10 与燃烧 MGO 时的转速最大降幅相近， 均为 5N•m。上述结果表明，燃烧 B10 时船舶克服外界阻力矩波动时保持稳定工作的能力略低于燃烧 MGO 柴油。尽管如此，B10 时由负载突变引起的最高转速波动率低于 2.5%，且突增或突卸负载后，燃烧 B10 燃油时转速恢复稳定的时间与燃烧 MGO 柴油时相近，表明燃烧 B10 时船舶仍具有很强的克服外界阻力矩波动的能力。
2.2.3 排放特性
耐久性试验前后分别测定了 4 个工况下尾气中THC、CO 和 NOx 浓度。柴油机运行 100h 后，燃烧两种燃油时的THC 排放均小幅度增加，但增幅均小于 1%， 说明耐久性试验后柴油机燃烧略有恶化。柴油机在低负荷（功率为 25% 额定功率）时，即燃烧不充分时，耐久性试验后尾气中 THC 浓度增幅最大，且该 B10 尾气增幅低于MGO 尾气。这是由于尾气中THC 主要来自燃料的不完全燃烧 [3, 5, 8]，而 MGO 柴油的可挥发成分含量高于WCO 生物柴油。这说明燃烧 B10 具有缓解柴油机长期运行后尾气中 THC 排放增加的优势。
运行 100h 后该柴油机燃烧两种燃油时CO 排放均小幅度增加，增幅均小于1%，这与THC 排放变化规律相似， 再次说明耐久性试验后柴油机燃烧略有恶化。此外，低负荷条件下，B10 尾气中CO 浓度低于MGO 尾气，原因是生物柴油氧元素含量和辛烷值均较高，在低负荷（低温） 条件下可促进燃料的完全燃烧，因此 CO 产生量较小 .
各工况下柴油机 NOx 排放。燃烧两种燃油各运行100h 后尾气中 NOx 浓度均低于耐久性开始时，主要原因是，相对于耐久性试验开始时，燃烧两种燃油的耐久性试验结束时的环境温度均较低，较低的环境温度使耐久性试验结束时的排温也较低，而较低的排温反映了较低的缸内温度，从而减少了尾气中热力学NOx 的形成。燃烧MGO 柴油时，耐久性试验后尾气中 NOx 浓度降幅高于燃烧 B10 时，这是因为燃烧 MGO 柴油时耐久性试验前后环境温度温差比燃烧 B10 时大。此外，燃烧两种燃油时， 耐久性试验结束时的环境温度相近，而尾气中NOx 浓度也很接近，说明相对于燃烧 MGO 柴油，燃烧 B10 没有增加 NOx 排放，这与以往研究中低比例生物柴油混合油不会增加 NOx 排放的结果一致。
3 结 论
本文在船舶柴油机上对B10（WCO 生物柴油：MGO 柴油= 1:9）进行了 100 小时的耐久试验，并与MGO 柴油的耐久性试验结果进行了对比分析，结论如下：
（1） 在 100h 耐久性试验期间，船用柴油机燃烧 B10 时，扭矩、油耗、排温均较为稳定，表明B10 在船用柴油机上具有较好的可靠性；
（2） 燃烧 B10 运行 100h 后，该柴油机在推进特性、负荷特性、排放特性、气缸磨损等四个方面上的变化与燃烧 MGO100h 后相似；
（3） 燃烧 B10 时，突增或突卸负载后转速变化幅度略高于燃烧 MGO 柴油时，但最高转速波动率低于 2.5%， 且转速恢复稳定的时间与燃烧MGO 时相近，表明燃烧B10 时船舶具有良好的克服外界阻力矩波动的能力。
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文献来源：国家科技图书文献中心（National Science and Technology Library [NSTL]
