生物柴油在船用柴油機(jī)上的適用性研究

楊智遠(yuǎn)，魏海軍，賀獻(xiàn)忠，魏立隊(duì)，李精明，劉竑

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306)

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生物柴油在船用柴油機(jī)上的適用性研究

楊智遠(yuǎn)，魏海軍，賀獻(xiàn)忠，魏立隊(duì)，李精明，劉竑

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306)

摘要:為驗(yàn)證生物柴油在船舶柴油機(jī)上的適用性，在不改變柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，利用船用柴油機(jī)對(duì)生物油與0#柴油體積比為1∶4的生物柴油(記為BD20)及0#柴油進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)，測試了船用柴油機(jī)生燃用生物柴油的負(fù)荷特性、動(dòng)力特性，分析了柴油機(jī)排放物中的NOx、SO2及溫室氣體等排放特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，生物柴油BD20在80％額定工況動(dòng)力特性下的油耗率比0#柴油機(jī)低1.4％，CO排放濃度降低17％;負(fù)荷特性下BD20的油耗率與油耗量均升高2％，而SO2排放濃度比0#柴油低約30％。可見，生物柴油可作為0#柴油的替代物在船舶柴油機(jī)上推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:生物柴油;特性分析;臺(tái)架試驗(yàn);排放測試;適用性

2013年，據(jù)美國石油業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)，地球上尚未開采的原油儲(chǔ)藏量已不足兩萬億桶，可供人類開采不超過95年的時(shí)間。因此生物柴油作為石油燃料的替代物，已經(jīng)引起了世界各國的廣泛關(guān)注［1］。生物柴油是用未加工過的或者使用過的植物油以及動(dòng)物脂肪通過不同的化學(xué)反應(yīng)制備出來的一種被認(rèn)為是環(huán)保的生質(zhì)燃料［2－4］。生物柴油具有自身的優(yōu)點(diǎn)，但動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降，NOx排放增加［5－7］，與常規(guī)柴油相比，生物柴油的滯燃期較短，預(yù)混燃燒比例較小，最大爆發(fā)壓力降低，燃燒終點(diǎn)推遲［8－11］。生物柴油可以在不改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，獲得與柴油接近的動(dòng)力性能和比柴油優(yōu)越的排放性能(NOx排放除外)，同時(shí)具有減少CO2排放的優(yōu)點(diǎn)，并且可以與柴油以任意比例混合［12－13］。

本文研究目的是通過生物柴油與普通柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用特性進(jìn)行對(duì)比研究，以確定生物油與0#柴油體積比為1∶4的生物柴油(BD20)能否在船用柴油機(jī)上推廣使用。

1　試驗(yàn)方案及測試設(shè)備

為充分了解生物柴油對(duì)船用柴油機(jī)性能和排放物的影響，指定柴油機(jī)6135型船舶柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)給定配比的生物柴油樣品和國Ⅳ－0#柴油進(jìn)行了相關(guān)柴油機(jī)運(yùn)行特性對(duì)比試驗(yàn)。

1.1試驗(yàn)方案

1)負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn);

2)動(dòng)力特性對(duì)比試驗(yàn);

3)研究柴油機(jī)在上述運(yùn)行工況下，對(duì)燃油排放物中的NOx和SO2，溫室氣體等進(jìn)行濃度測試(ppm)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

試驗(yàn)使用0#柴油及生物柴油，其中生物柴油的體積百分?jǐn)?shù)為20％，記為BD20，其理化性能參數(shù)如表1所示。

表1　試驗(yàn)用燃料的理化性能指標(biāo)Table 1 The performance index of fuel

1.2測試裝置及儀器儀表

試驗(yàn)采用的主體設(shè)備為6135型船用柴油機(jī)，如圖1所示，其特性參數(shù)如表2所示。對(duì)于柴油機(jī)尾氣的排放成分分析，試驗(yàn)采用德國的便攜式煙氣分析儀TESTO 350，其測量參數(shù)如表3所示。

圖1　試驗(yàn)用6135型船舶柴油機(jī)Fig.1 6135 marine engine

表2　6135型船舶柴油機(jī)參數(shù)Table 2 The parameters of 6135 marine engine

表3　TESTO 350參數(shù)Table 3 The parameters of TESTO 350

2　測試結(jié)果及分析

2.1動(dòng)力特性試驗(yàn)對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)測取不同工況點(diǎn)下柴油機(jī)的各主要性能參數(shù)，繪制柴油機(jī)的動(dòng)力特性曲線。

2.1.1耗油量變化對(duì)比

動(dòng)力特性耗油量曲線如圖2所示。柴油機(jī)燃用BD20的動(dòng)力特性耗油量與0#柴油相比，基本上持平，且呈略高現(xiàn)象。在低速區(qū)域，BD20的耗油量基本和0#柴油一致，隨著速度的增加，該耗油量呈上升趨勢。

圖2　動(dòng)力特性工況耗油量數(shù)據(jù)Fig.2 Fuel consumption data on dynamic characteristics

2.1.2耗油率變化對(duì)比

耗油率曲線如圖3所示。動(dòng)力特性耗油率均隨著轉(zhuǎn)速的增加，呈下降趨勢，在額定轉(zhuǎn)速85％工況時(shí)，BD20出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，兩者均呈現(xiàn)出明顯的下降減緩趨勢。就兩者耗油率整體比較而言，0#柴油低于BD20。

圖3　動(dòng)力特性工況耗油率數(shù)據(jù)Fig.3 Fuel consumption rate on dynamic characteristics

2.1.3輸出功率及扭矩的變化對(duì)比

0#柴油和BD20生物柴油應(yīng)用于船舶柴油機(jī)，其動(dòng)力特性功率和扭矩的對(duì)比曲線如圖4所示。從圖中可以看到，它們的變化基本是一致的，都是隨著轉(zhuǎn)速的上升而呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

圖4　動(dòng)力特性工況功率-扭矩?cái)?shù)據(jù)Fig.4 The power and torque on dynamic characteristics

2.2負(fù)荷特性試驗(yàn)對(duì)比

在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，將柴油機(jī)負(fù)荷從20％增加至額定負(fù)荷的100％，測取柴油機(jī)的運(yùn)行特性參數(shù)。繪制柴油機(jī)負(fù)荷特性曲線，它是評(píng)定柴油機(jī)性能好壞的重要依據(jù)，是柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性基本特征。

2.2.1耗油量變化對(duì)比

圖5　負(fù)荷特性工況耗油量數(shù)據(jù)Fig.5 Fuel consumption on load characteristic

2.2.2耗油率變化對(duì)比

負(fù)荷特性耗油率曲線如圖6所示。兩者動(dòng)力特性耗油率均隨著負(fù)荷的增加呈明顯的下降趨勢，且在額定負(fù)荷的70％時(shí)下降趨勢趨于平坦。就兩者耗油率整體比較而言，0#柴油明顯低于BD20。在額定負(fù)荷20％的工況時(shí)，生物柴油高出0#柴油約2％。在額定負(fù)荷70％的工況時(shí)，生物柴油高出0#柴油約2.7％。在額定負(fù)荷時(shí)，生物柴油高出0#柴油約3.1％。

圖6　負(fù)荷特性工況耗油率數(shù)據(jù)Fig.6 Fuel consumption rate on load characteristic

2.2.3負(fù)荷特性工況下柴油機(jī)的輸出功率及扭矩的

負(fù)荷特性功率和扭矩的對(duì)比曲線如圖7所示。從圖中可以看到，它們的變化基本是一致的，都是隨著轉(zhuǎn)速的上升而呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，且其數(shù)值上基本保持一致。

圖7　負(fù)荷特性工況功率-扭矩?cái)?shù)據(jù)Fig.7 The Power and torque on load characteristic

2.3排放煙氣成分對(duì)比

根據(jù)船舶柴油機(jī)常用尾氣排放檢測指標(biāo)進(jìn)行0#柴油和生物柴油BD20的尾氣排放情況對(duì)比分析。

2.3.1動(dòng)力特性試驗(yàn)中煙氣成分對(duì)比

兩者動(dòng)力特性的CO排放濃度如圖8所示。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，CO濃度呈明顯降低趨勢。在小于額定轉(zhuǎn)速的80％之前，生物柴油BD20的CO排放濃度比0#柴油降低約17％，當(dāng)高于90％額定轉(zhuǎn)速時(shí)，BD20 的CO排放濃度明顯高于0#柴油。在額定轉(zhuǎn)速工況時(shí)，BD20的CO排放濃度比0#柴油高出14％。

地方電視臺(tái)的發(fā)展面臨新媒體的沖擊，要突破重圍，必須用融媒體思維來打破發(fā)展的桎梏。地方電視臺(tái)先天條件不占優(yōu)勢，存在基礎(chǔ)薄弱、創(chuàng)新能力不足、資金不足等問題，傳播的影響力深受地域的限制，傳播范圍十分封閉。此外，隨著媒介環(huán)境的繁榮，各級(jí)電視臺(tái)也紛紛尋求發(fā)展對(duì)策，雙方的實(shí)力差距越發(fā)明顯，面臨的受眾也更加復(fù)雜。融媒體思維可以使地方電視臺(tái)擺脫地域限制，打破傳播范圍的封閉性，拓展其影響力，幫助地方電視臺(tái)進(jìn)行跨媒介、跨區(qū)域運(yùn)作，增強(qiáng)自身的競爭實(shí)力。因此，融媒體思維對(duì)于地方臺(tái)的探索、發(fā)展是必要的選擇，將媒介融合作為電視臺(tái)節(jié)目制作的意識(shí)，突破自身發(fā)展瓶頸，推動(dòng)地方電視臺(tái)的創(chuàng)新發(fā)展。

圖8　動(dòng)力特性工況CO排放濃度數(shù)據(jù)Fig.8 CO concentration on dynamic characteristic

船舶柴油機(jī)使用0#柴油和生物柴油BD20動(dòng)力特性的CO2排放含量如圖9所示。可以看到，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，燃用0#柴油和生物柴油BD20的柴油機(jī)尾氣排放中CO2含量呈明顯上升趨勢，且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，兩者CO2的排放含量體積份數(shù)幾乎一致。

圖9　動(dòng)力特性工況CO2排放濃度數(shù)據(jù)Fig.9 CO2concentration on dynamic characteristic

船舶柴油機(jī)燃用0#柴油和生物柴油BD20動(dòng)力特性的NOx排放濃度如圖10所示。可以看到，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，燃用0#柴油和生物柴油BD20的柴油機(jī)尾氣排放中NOx濃度呈明顯上升趨勢，且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，兩者NOx的排放濃度幾乎一致。

圖10　動(dòng)力特性工況NOx排放濃度數(shù)據(jù)Fig.10 NOxconcentration on dynamic characteristic

在本組實(shí)驗(yàn)中，僅檢測到生物柴油在改變工況下的SO2濃度排放，其排放濃度如表4所示。在使用0#柴油試驗(yàn)過程由于傳感器故障，未進(jìn)行SO2氣體的測量。

表4　動(dòng)力特性工況生物柴油SO2排放濃度Table 4 SO2concentration on dynamic characteristic

2.3.2負(fù)荷特性試驗(yàn)中煙氣成分對(duì)比

負(fù)荷特性下CO排放濃度如圖11所示。隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加，在小于額定功率的60％之前，兩者的CO排放濃度基本一致;在60％～80％區(qū)間內(nèi)，生物柴油BD20的CO排放濃度劇增，在額定功率90％的工況時(shí)，生物柴油BD20的CO排放濃度依然高出0#柴油的CO排放濃度5.4％，在額定功率100％的工況時(shí)，生物柴油BD20的CO排放濃度依然高出14％。

圖11　負(fù)荷特性工況CO排放濃度數(shù)據(jù)Fig.11 CO concentration on load characteristic

負(fù)荷特性的CO2排放含量如圖12所示。可以看到，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，燃用0#柴油和生物柴油BD20的柴油機(jī)尾氣排放中CO2含量呈明顯上升趨勢，且交互增長，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，兩者CO2的排放含量體積份數(shù)幾乎一致。

圖12　負(fù)荷特性工況CO2排放數(shù)據(jù)Fig.12 CO2 concentration on load characteristic

船舶柴油機(jī)燃用0#柴油和生物柴油BD20負(fù)荷特性的NOx排放濃度如圖13所示。可以看到，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，燃用國VI－0#柴油和生物柴油BD20的柴油機(jī)尾氣排放中NOx濃度呈明顯上升趨勢，且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，兩者NOx的排放濃度幾乎一致，僅在額定功率的90％及100％兩種工況時(shí)，0#柴油NOx的排放濃度略高于生物柴油BD20。

圖13　負(fù)荷特性工況NOx排放濃度數(shù)據(jù)Fig.13 NOxconcentration on load characteristic

圖14　負(fù)荷特性工況SO2排放濃度數(shù)據(jù)Fig.14 SO2concentration on load characteristic

負(fù)荷特性的SO2排放濃度如圖14所示。負(fù)荷增大到額定負(fù)荷的50％之前，燃用0#柴油尾氣排放中SO2濃度呈明顯上升趨勢，而BD20的SO2濃度略有降低趨勢。額定功率70％以后對(duì)應(yīng)工況，生物柴油BD20的尾氣排放中SO2濃度已經(jīng)超過0#柴油。在額定功率100％的工況時(shí)，未檢測到0#柴油的SO2排放濃度。

而事實(shí)上，從排放的濃度大小來看，兩者所排放的SO2濃度甚微，不足以造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

3　結(jié)論

本試驗(yàn)就0#柴油和生物柴油BD20的柴油機(jī)特性及煙氣排放等指標(biāo)進(jìn)行了測試和對(duì)比分析，結(jié)論如下:

1)兩者動(dòng)力特性和負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)分析，兩者動(dòng)力性能相當(dāng)，但生物柴油BD20耗油量明顯高于0#柴油約2％。

2)兩種燃油動(dòng)力特性和負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)中，兩者耗油率在常用工況下幾乎一致，其余工況，生物柴油略高;尾氣成分對(duì)比分析過程中，CO、CO2、NOx及SO2濃度或含量增減趨勢幾乎相仿，NOx及CO2含量均為主要污染物。

3)兩者動(dòng)力性能和煙氣排放而言，生物柴油BD20可作為0#柴油的替代物在船舶柴油機(jī)上推廣應(yīng)用。但就起對(duì)設(shè)備的影響而言，還需長期觀察，并做相應(yīng)的積碳及氣缸腐蝕測試等。

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Application of biodiesel in a marine diesel engine

YANG Zhiyuan，WEI Haijun，HE Xianzhong，WEI Lidui，LI Jingming，LIU Hong
(Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China)

Abstract:To validate the use of biodiesel as a fuel in a marine diesel engine without changing the internal structure of the engine，the engine load characteristics，dynamic properties，and exhaust emissions were tested and analyzed using bio－diesel BD20 with 1∶4 ratio between bio－oil and 0# diesel.Concentrations of NOx，SO2，and greenhouse gases were measured in bench running tests using emissions testing equipment.The results demonstrated that fuel consumption when using biodiesel was about 1.4％ lower than that of 0# diesel under the rated conditions at 80％，the CO emissions were reduced by 17％;the biodiesel fuel consumption and consumption rate were increased by 2％ under the load characteristics，and the SO2emission concentration was about 30％ less than that of 0#diesel oil.Other emissions were almost identical.We conclude that biodiesel can be used as a substitute for 0# diesel oil in marine diesel engines，which can reduce the consumption of fossil fuels.

Keywords:biodiesel;characteristic analysis;bench running test;emission test;applicability;marine diesel engine

通信作者:魏海軍，E－mail:hjwei@ shmtu.edu.cn.

作者簡介:楊智遠(yuǎn)(1980－)，男，講師，博士;魏海軍(1972－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目:國家863發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2013AA040203).

收稿日期:2014－11－05.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015－12－21.

中圖分類號(hào):U677.2;TK427

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006－7043(2016)01－0071－05

doi:10.11990/jheu.201411021

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1509.004.html