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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

2020-01-03韦小红宿鹏浩

中国水运 2020年12期
关键词:可靠性

韦小红 宿鹏浩

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

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優越性[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,而燃燒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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