生物柴油在船用柴油机上的适用性研究_杨智远

第37卷第1期哈尔滨工程大学学报Vol．37ɴ．12016年1月Journal of Harbin Engineering University Jan．2016
生物柴油在船用柴油机上的适用性研究
杨智远，魏海军，贺献忠，魏立队，李精明，刘竑
（上海海事大学商船学院，上海201306）
摘
要：为验证生物柴油在船舶柴油机上的适用性，在不改变柴油机内部结构的条件下，利用船用柴油机对生物油
与0#柴油体积比为1ʒ4的生物柴油(记为BD20)及0#柴油进行台架对比试验，测试了船用柴油机生燃用生物柴油的负荷特性、动力特性，分析了柴油机排放物中的NO x 、SO 2及温室气体等排放特性。

试验结果表明，生物柴油BD20在80%额定工况动力特性下的油耗率比0#柴油机低1．4%，CO 排放浓度降低17%;负荷特性下BD20的油耗率与油耗量均升高2%，而SO 2排放浓度比0#柴油低约30%。

可见，生物柴油可作为0#柴油的替代物在船舶柴油机上推广应用。

关键词：生物柴油;特性分析;台架试验;排放测试;适用性doi :10．11990/jheu．201411021
网络出版地址：http ://www．cnki．net /kcms /detail /23．1390．u．20151221．1509．004．html
中图分类号：U677．2;TK427文献标志码：A 文章编号：1006-
7043(2016)01-0071-05Application 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 BD20with 1ʒ4ratio between bio-oil and 0#diesel．Concentrations of NO x ，SO 2，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 SO 2emission 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 收稿日期：2014-11-05．网络出版时间：2015-12-21．基金项目：国家863发展计划基金资助项目（2013AA040203）．
作者简介：杨智远（1980-），男，讲师，博士；魏海军（1972-），男，教授，博士生导师．通信作者：魏海军，
E-mail ：hjwei@shmtu．edu．cn．2013年，据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供人类开采不超过95年的时间。

因此生物柴油作为石油燃料
的替代物，已经引起了世界各国的广泛关注［1］。

生物柴油是用未加工过的或者使用过的植物油以及动物脂肪通过不同的化学反应制备出来的一种被认为
是环保的生质燃料
［2-4］。

生物柴油具有自身的优点，但动力性和经济性下降，NO x 排放增加［5-7］，与
常规柴油相比，生物柴油的滞燃期较短，预混燃烧比
例较小，
最大爆发压力降低，燃烧终点推迟［8-11］。

生物柴油可以在不改变柴油机结构的前提下，获得与柴油接近的动力性能和比柴油优越的排放性能（NO x 排放除外），同时具有减少CO 2排放的优点，
并且可以与柴油以任意比例混合
［12-13］。

本文研究目的是通过生物柴油与普通柴油在柴油机上的应用特性进行对比研究，以确定生物油与0#柴油体积比为1ʒ4的生物柴油（BD20）能否在船用柴油机上推广使用。

1试验方案及测试设备
为充分了解生物柴油对船用柴油机性能和排放
物的影响，指定柴油机6135型船舶柴油机试验台
架上对给定配比的生物柴油样品和国Ⅳ-0#柴油进行了相关柴油机运行特性对比试验。

1．1试验方案
1）负荷特性对比试验；2）动力特性对比试验；
3）研究柴油机在上述运行工况下，对燃油排放物中的NO x 和SO 2，温室气体等进行浓度测试（ppm ），并进行对比分析。

试验使用0#柴油及生物柴油，其中生物柴油的
体积百分数为20%，记为BD20，其理化性能参数如表1所示。

表1试验用燃料的理化性能指标Table 1The performance index of fuel
项目0#柴油BD20十六烷值59．7059．30热值/（cal /g ）
1096510717闭口闪点/（o
C ）6172硫含量/（mg ·L －1
）
2623碳含量/%
85．9284．18氢含量/%
13．34
13．14
1．2
测试装置及仪器仪表
试验采用的主体设备为6135型船用柴油
机，如图1所示，其特性参数如表2所示。

对于柴油机尾气的排放成分分析，试验采用德国的便携式烟气分析仪TESTO 350，其测量参数如表3所示。

图1试验用6135型船舶柴油机Fig．16135marine engine
表26135型船舶柴油机参数
Table 2The parameters of 6135marine engine
机型6135G128ZCa
活塞行程/mm 150气缸直径/mm 135压缩比17活塞总排量L
12．88持续功率（90%12h ）/kW （PS ）
162（220）标定转速/（r ·min －1
）
1500
表3TESTO 350参数
Table 3The parameters of TESTO 350
成分精度/%O 2ʃ0．8满量程
CO ʃ5NO ʃ5NO 2ʃ5
SO 2ʃ5
CO 2
ʃ0．5CO 2+1．5测量
2
测试结果及分析
2．1
动力特性试验对比
本实验测取不同工况点下柴油机的各主要性能参数，绘制柴油机的动力特性曲线。

2．1．1耗油量变化对比
动力特性耗油量曲线如图2所示。

柴油机燃用
BD20的动力特性耗油量与0#柴油相比，基本上持
平，且呈略高现象。

在低速区域，
BD20的耗油量基本和0#柴油一致，随着速度的增加，该耗油量呈上升趋势。

图2动力特性工况耗油量数据
Fig．2
Fuel consumption data on dynamic characteristics
2．1．2
耗油率变化对比
耗油率曲线如图3所示。

动力特性耗油率均随着转速的增加，呈下降趋势，在额定转速85%工况
时，BD20出现明显的拐点，两者均呈现出明显的下
降减缓趋势。

就两者耗油率整体比较而言，
0#柴油低于BD20。

图3动力特性工况耗油率数据
Fig．3
Fuel consumption rate on dynamic characteristics
2．1．3输出功率及扭矩的变化对比
0#柴油和BD20生物柴油应用于船舶柴油机，其动力特性功率和扭矩的对比曲线如图4所示。

从
图中可以看到，
它们的变化基本是一致的，都是随着转速的上升而呈现明显的上升趋势。

图4动力特性工况功率-扭矩数据
Fig．4
The power and torque on dynamic characteristics
·27·哈尔滨工程大学学报第37卷
2．2
负荷特性试验对比
在柴油机转速不变的情况下，将柴油机负荷从20%增加至额定负荷的100%，测取柴油机的运行特性参数。

绘制柴油机负荷特性曲线，它是评定柴油
机性能好坏的重要依据，
是柴油机动力性和经济性基本特征。

2．2．1耗油量变化对比
负荷特性耗油量曲线如图5所示。

两者负荷特性耗油量随着负荷增加，呈线性上升趋势。

BD20的耗油量在整个负荷特性测试过程中都稍高于0#柴油。

随着负荷的增加，BD20的耗油量比0#柴油耗油量逐渐增大。

图5负荷特性工况耗油量数据
Fig．5Fuel consumption on load characteristic
2．2．2
耗油率变化对比
负荷特性耗油率曲线如图6所示。

两者动力特性耗油率均随着负荷的增加呈明显的下降趋势，且在额定负荷的70%时下降趋势趋于平坦。

就两者耗油
率整体比较而言，
0#柴油明显低于BD20。

在额定负荷20%的工况时，生物柴油高出0#柴油约2%。

在额
定负荷70%的工况时，
生物柴油高出0#柴油约2．7%。

在额定负荷时，生物柴油高出0#柴油约3．1%。

图6负荷特性工况耗油率数据
Fig．6
Fuel consumption rate on load characteristic
2．2．3
负荷特性工况下柴油机的输出功率及扭矩的负荷特性功率和扭矩的对比曲线如图7所示。

从图中可以看到，它们的变化基本是一致的，都是随着转速的上升而呈现明显的上升趋势，且其数值上基本保持一致。

图7负荷特性工况功率-扭矩数据
Fig．7
The Power and torque on load characteristic
2．3
排放烟气成分对比
根据船舶柴油机常用尾气排放检测指标进行0#柴油和生物柴油BD20的尾气排放情况对比分析。

2．3．1动力特性试验中烟气成分对比
两者动力特性的CO 排放浓度如图8所示。

随着
柴油机转速的提升，
CO 浓度呈明显降低趋势。

在小于额定转速的80%之前，生物柴油BD20的CO 排放浓度
比0#柴油降低约17%，当高于90%额定转速时，
BD20的CO 排放浓度明显高于0#柴油。

在额定转速工况时，
BD20的CO 排放浓度比0#柴油高出14%。

图8动力特性工况CO 排放浓度数据
Fig．8CO concentration on dynamic characteristic
船舶柴油机使用0#柴油和生物柴油BD20动力特性的CO 2排放含量如图9所示。

可以看到，随着柴油机转速的提升，燃用0#柴油和生物柴油BD20的柴油机尾气排放中CO 2含量呈明显上升趋势，且在整个实验过程中，两者CO 2的排放含量体积份数几乎一致。

图9动力特性工况CO 2排放浓度数据
Fig．9
CO 2concentration on dynamic characteristic
·
37·第1期杨智远，等：生物柴油在船用柴油机上的适用性研究
船舶柴油机燃用0#柴油和生物柴油BD20动力特性的NO x 排放浓度如图10所示。

可以看到，随着柴油机转速的提升，燃用0#柴油和生物柴油BD20的柴油机尾气排放中NO x 浓度呈明显上升趋势，且在整个实验
过程中，两者NO x 的排放浓度几乎一致。

图10动力特性工况NO x 排放浓度数据
Fig．10NO x concentration on dynamic characteristic
在本组实验中，仅检测到生物柴油在改变工况
下的SO 2浓度排放，
其排放浓度如表4所示。

在使用0#柴油试验过程由于传感器故障，未进行SO 2气体的测量。

表4动力特性工况生物柴油SO 2排放浓度
Table 4SO 2concentration on dynamic characteristic
nH /%kW SO 2/ppm 6034．6717054．8418082．9218598．68090117．893100
157．1
89
2．3．2
负荷特性试验中烟气成分对比
负荷特性下CO 排放浓度如图11所示。

随着柴油机负荷的增加，在小于额定功率的60%之前，两者的CO 排放浓度基本一致；在60% 80%区间
内，
生物柴油BD20的CO 排放浓度剧增，在额定功率90%的工况时，
生物柴油BD20的CO 排放浓度依然高出0#柴油的CO 排放浓度5．4%，在额定功率100%的工况时，生物柴油BD20的CO 排放浓度依然高出14%。

图11负荷特性工况CO 排放浓度数据
Fig．11CO concentration on load characteristic
负荷特性的CO 2排放含量如图12所示。

可以
看到，随着柴油机转速的提升，燃用0#柴油和生物柴油BD20的柴油机尾气排放中CO 2含量呈明显上升趋势，且交互增长，在整个实验过程中，两者CO 2的排放含量体积份数几乎一致。

图12
负荷特性工况CO 2排放数据
Fig．12
CO2concentration on load characteristic
船舶柴油机燃用0#柴油和生物柴油BD20负荷特性的NO x 排放浓度如图13所示。

可以看到，随
着柴油机转速的提升，
燃用国VI-0#柴油和生物柴油BD20的柴油机尾气排放中NO x 浓度呈明显上升趋势，且在整个实验过程中，两者NO x 的排放浓度几乎一致，仅在额定功率的90%及100%两种工况时，0#柴油NO x 的排放浓度略高于生物柴油BD20。

图13负荷特性工况NO x 排放浓度数据
Fig．13
NO x concentration on load characteristic
图14负荷特性工况SO 2排放浓度数据
Fig．14
SO 2concentration on load characteristic
负荷特性的SO 2排放浓度如图14所示。

负荷增大到额定负荷的50%之前，燃用0#柴油尾气排放
·47·哈尔滨工程大学学报第37卷
中SO2浓度呈明显上升趋势，而BD20的SO2浓度略有降低趋势。

额定功率70%以后对应工况，生物柴油BD20的尾气排放中SO2浓度已经超过0#柴油。

在额定功率100%的工况时，未检测到0#柴油的SO2排放浓度。

而事实上，从排放的浓度大小来看，两者所排放的SO2浓度甚微，不足以造成严重的环境污染。

3结论
本试验就0#柴油和生物柴油BD20的柴油机特性及烟气排放等指标进行了测试和对比分析，结论如下：
1）两者动力特性和负荷特性对比试验分析，两者动力性能相当，但生物柴油BD20耗油量明显高于0#柴油约2%。

2）两种燃油动力特性和负荷特性对比试验中，两者耗油率在常用工况下几乎一致，其余工况，生物柴油略高；尾气成分对比分析过程中，CO、CO2、NO x 及SO2浓度或含量增减趋势几乎相仿，NO x及CO2含量均为主要污染物。

3）两者动力性能和烟气排放而言，生物柴油BD20可作为0#柴油的替代物在船舶柴油机上推广应用。

但就起对设备的影响而言，还需长期观察，并做相应的积碳及气缸腐蚀测试等。

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第1期杨智远，等：生物柴油在船用柴油机上的适用性研究。