HFRR法测定生物柴油及其原料油的润滑性能研究

HFRR法测定生物柴油及其原料油的润滑性能研究
杨远猛;李法社;陈丹;张小辉;李秀凤;包桂蓉;杜威
【摘要】The lubrication properties of 14 kinds of biodiesels and their raw oils were analyzed by HFRR.Through the determination and analysis of the lubrication performance of Chinese prickly ash oil biodiesel under different working conditions,the measurement conditions were obtained as follows:test temperature 60 ℃,temperature inside the box 22-24 ℃ and test humidity 40％-50％.Under these conditions,the deviation of average grinding spot diameter and corrected grinding spot diameter could be reduced,and the influence of the environment on the test results could be reduced.The results showed that the lubrication performances of 14 kinds of biodiesels and raw oils had some differences,and the lubrication performance difference of biodiesel was less than the lubrication performance difference of raw oil.The corrected grinding spot diameter of waste oil among 14 kinds of raw oils was the maximum,while the corresponding corrected grinding spot diameter of waste oil biodiesel among 14 kinds of biodiesels was the minimum.Meanwhile,the corrected grinding spot diameter of waste oil was greater than that of waste oil biodiesel.Additionally,the lubrication performances of the other 13 kinds of vegetable oils were superior to that of the corresponding biodiesels.%采用HFRR法对14种生物柴油及其原料油的润滑性能进行了分析研究.通过对花椒籽油生物柴油不同工况下润滑性能的测定分析,得出分析测定生物柴油润滑性能的试验温度为60℃,箱内温度为22～24℃、相对湿度为40％～ 50％最佳,能很好地弱化
平均磨斑直径和校正磨斑直径偏差,减小环境对试验结果的影响.测试结果显示:14种生物柴油及其原料油的润滑性能有一定的差别,生物柴油的润滑性能差别较其原料油的润滑性能差别小;地沟油的校正磨斑直径在14种原料油中最大,而相应的地沟油生物柴油的校正磨斑直径在14种生物柴油中最小,且地沟油的校正磨斑直径大于地沟油生物柴油的校正磨斑直径;其他13种植物油脂的润滑性能优于其对应生物柴油的润滑性能.
【期刊名称】《中国油脂》
【年(卷),期】2017(042)005
【总页数】4页(P65-68)
【关键词】生物柴油;HFRR法;润滑性能;校正磨斑直径
【作者】杨远猛;李法社;陈丹;张小辉;李秀凤;包桂蓉;杜威
【作者单位】省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;冶金节能减排教育部工程研究中心,昆明650093;省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;冶金节能减排教育部工程研究中心,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;冶金节能减排教育部工程研究中心,昆明650093;省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;冶金节能减排教
育部工程研究中心,昆明650093;昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093;
冶金节能减排教育部工程研究中心,昆明650093
【正文语种】中文
【中图分类】TQ645;TK63
随着化石能源的大量开采和使用，能源与环境问题日益突出。

生物柴油具有环保、可再生性，是一种可替代化石燃料的绿色能源，是21世纪能源领域重要的研究课题之一[1-4]。

生物柴油在发动机中既作为燃料又作为油泵的润滑剂，若其润滑性
能不好，就会造成发动机使用寿命降低，甚至引起油泵漏油，对润滑系统造成较大影响。

目前生物柴油的润滑性研究不多，主要集中在生物柴油自身的抗磨性能及其作为石化柴油调合组分时润滑性的评价等方面。

研究生物柴油及其原料油的润滑性能，对预测生物柴油在发动机中燃烧时主要部件的变化情况，有效降低发动机磨损，延长发动机使用寿命等具有重要作用，对促进生物柴油的推广与商业应用意义重大[5-12]。

我国在2003年颁布并实施了GB/T 19147—2003《车用柴油》标准，2013年又颁布了GB/T 19147—2013《车用柴油V》标准，其中柴油润滑性能指标均要求
磨斑直径不大于460 μm(60℃)，测定方法均采用行业标准SH/T 0765—2005《柴油润滑性评定法(高频往复试验机法)》。

目前国内生产生物柴油标准主要是
GB/T 20828—2015《柴油机燃料调合用生物柴油(BD100)》和GB 25199—2015《生物柴油调合燃料(B5)》。

《柴油机燃料调合用生物柴油(BD100)》标准
中没有对生物柴油润滑性能作出要求，《生物柴油调合燃料B5》标准中要求生物
柴油调合燃料B5润滑性能指标磨斑直径不大于460 μm(60℃)。

云南省地方标准DB 53/450—2013《生物柴油调合燃料(B10)》和DB 53/451—2013《生物柴油调合燃料(B20)》中也要求调合燃料的润滑性能指标磨斑直径不大于460
μm(60℃)，检测方法均为行业标准SH/T 0765—2005《柴油润滑性评定法》。

生物柴油的性能指标如密度、酸值、运动黏度、氧化稳定性及硫含量等均与生物柴油原料油的性能有关[13-17]。

生物柴油的润滑性能与其原料油的关系还未见相关
报道。

本文采用HFRR法对14种生物柴油及其原料油的润滑性能进行测定分析，为生物柴油的润滑性研究提供参考。

1.1 试验材料
1.1.1 原料与试剂
去离子水和超纯水由实验室自制。

石油醚、异辛烷、丙酮、碳酸钾、无水乙醇等均为分析纯。

11种植物油、1种地沟油及2种植物油料种子相关信息见表1。

植物
油料种子采用索氏抽提法提取植物油，采用酸碱催化法制备相应14种生物柴油。

1.1.2 仪器与设备
HFRR高频往复试验机，迈瑞尔实验设备(上海)有限公司；53X正置金相显微镜；超声波清洗机；飞科电吹风；电热水壶。

1.2 试验方法
采用高频往复试验机法，即HFRR法，按照SH/T 0765—2005《柴油润滑性评定法》进行生物柴油及其原料油的润滑性试验，试验条件见表2。

将试验样品放入具有一定温度的样品池内，固定在垂直夹具中的试验钢球对水平安装的试验钢片进行加载，试验钢球以一定的频率和冲程往复运动，试验钢球与试验钢片的接触面必须完全浸没在液体样品中。

试验钢球直径6 mm，材质为AISIE-52100钢，洛氏硬度HRC为58～66，表面粗糙度Ra<0.05 μm；试验钢片材质
为AISIE-52100钢，维氏硬度HV30为190～210，表面粗糙度Ra<0.02 μm。

试验环境温度、样品温度、取样量、承载负荷、频率、冲程、测试时间如表2所示。

环境温度与湿度有一定的要求，调节恒温恒湿箱温度和湿度在可试验的范围内，依据ISO12156标准中规定的温湿度标准图，如图1所示。

往复振动试验时间75
min，卸下测试钢球支架，用丙酮和石油醚反复清洗至清洁，干燥后，在显微镜下测定测试钢球的磨斑直径。

1.3 数据处理
在显微镜下测定磨斑直径，需要按水蒸气压1.4×103 Pa为标准进行校正，校正后的磨斑直径用WS1.4表示，其计算方法参见文献[18]。

2.1 影响生物柴油润滑性能的因素分析
2.1.1 试验温度
对于柴油润滑性的评价，国外有3个试验方法，即ISO 121516-1:1997、CEC F-06-A-96和ASTM D6079-97，其中ISO 121516-1:1997和CEC F-06-A-96标
准规定试验温度均为60℃，我国石化行业标准按照ISO 121516-1:1997中规定
试验温度均为60℃。

以花椒籽油生物柴油为样品，考察了试验温度对其润滑性能
的影响，结果如表3所示。

由表3可知，随着试验温度升高，花椒籽油生物柴油的平均磨斑直径和校正磨斑
直径均增大，这是因为试验温度越高，样品燃料油的运动黏度降低，试验钢球与试验钢片之间粘敷的油层变薄，加重了其之间的摩擦，导致磨损增加，磨斑直径增大。

在试验温度为60℃时校正磨斑直径和平均磨斑直径相差很小，所以试验温度选择60℃。

2.1.2 箱内温度
考察了恒温恒湿箱箱内温度对花椒籽油生物柴油润滑性能的影响，结果见表4。

由表4可知，试验开始时和试验结束时恒温恒湿箱箱内温度相差不大，均在2℃以内。

平均磨斑直径和校正磨斑直径随箱内温度升高而增大，平均磨斑直径和校正磨斑直径的偏差先减小后增大，箱内温度在23℃时，平均磨斑直径和校正磨斑直径
偏差最小，只有0.06 μm，所以在试验过程中应将环境温度控制在22～24℃之间为宜，可以缩小环境因素对试验结果的影响。

2.1.3 环境湿度
湿度对生物柴油润滑性能测定有一定的影响。

以花椒籽油生物柴油为研究对象，在不同环境湿度下对其润滑性能进行分析，结果如表5所示。

由表5可知，花椒籽油生物柴油的平均磨斑直径和校正磨斑直径均随环境湿度的增加而增大，且影响较大。

同时，平均磨斑直径和校正磨斑直径偏差在相对湿度45%时较小，符合该试验机的要求。

在环境温度23℃时合适相对湿度范围是30%～70%(见图1)，建议在此范围内取相对湿度40%～50%，以最大地缩小环境湿度对试验结果的影响。

2.2 14种生物柴油及其原料油的润滑性能分析
在环境温度23℃、相对湿度45%、试验温度60℃、冲程1 mm条件下，分析测定了14种生物柴油及其原料油的润滑性能，结果如表6所示。

由表6可知，生物柴油原料油的校正磨斑直径WS1.4 介于130～190 μm范围内，最小的是花椒籽油，WS1.4为137.96 μm，最大的是地沟油，WS1.4达到186.38 μm，植物油中最大的是大豆油，WS1.4为175.80 μm。

生物柴油原料油WS1.4相差较大。

相应的生物柴油的校正磨斑直径WS1.4介于150～190 μm 范围内，小于生物柴油原料油的校正磨斑直径WS1.4范围，不同生物柴油的WS1.4有一定的区别，但是差别不是很大。

多环芳烃、含氧杂质、含氮杂质和含硫化合物是影响液体燃料自身润滑性的主要物质，润滑性的强弱取决于其中抗磨物质的含量。

多环芳烃、含氮化合物都具有良好的抗磨作用，而硫化物不仅不抗磨，反而促进磨损。

因为植物油中含有多环芳烃，且含有含氧、氮化合物，制备生物柴油过程中使多环芳烃、含氧、氮化合物转换成其他物质，其含量降低，导致植物油的WS1.4相对其生物柴油较小。

因具体植物油和其生物柴油含有的多环芳烃、含氧、氮、硫化合物含量不同，导致不同植物油及其生物柴油的WS1.4有一定的差别。

地沟油生物柴油成分复杂，且含有较多的含硫化合物杂质，导致地沟油WS1.4较大，而制备地沟油生
物柴油过程使其含硫杂质含量降低，减弱了硫化物的促进磨损作用，同时脂肪酸甲酯含量较高，促进了地沟油生物柴油的抗磨作用，导致地沟油生物柴油的WS1.4
变小，也是几种生物柴油WS1.4中最小的。

从表中数据可知植物油的润滑性能优于其对应的生物柴油，也说明植物油主要成分甘油三酯的润滑性能优于生物柴油主要成分脂肪酸甲酯的润滑性能，即甘油三酯的抗磨作用优于脂肪酸甲酯。

(1)通过对花椒籽油生物柴油不同工况下润滑性能的测定分析，得出分析测定生物
柴油润滑性能的试验温度为60℃，箱内温度为22～24℃、相对湿度为40%～50%最佳，能很好地弱化平均磨斑直径和校正磨斑直径偏差，减小环境对试验结果的影响。

(2)13种植物油的WS1.4小于其对应生物柴油的WS1.4，即13种植物油的润滑
性能优于其对应生物柴油的润滑性能，且不同植物油与其生物柴油的润滑性能也有一定的差别。

(3)地沟油的校正磨斑直径WS1.4大于地沟油生物柴油的校正磨斑直径WS1.4，
即地沟油生物柴油的润滑性能优于地沟油的润滑性能。

【相关文献】
[1] SALVADOR A. 能源与历史回顾与21世纪展望[M]. 赵政璋, 胡素云, 李小地, 译. 北京：石油工
业出版社, 2007: 108.
[2] 杨艳华, 汤庆飞, 张立, 等. 生物质能作为新能源的应用现状分析[J]. 重庆科技学院学报(自然科学版), 2015, 17(1): 102-105.
[3] 蓝颜春. 生物柴油的未来无限光明[J]. 地球, 2015(3): 58-60.
[4] 李昌珠, 蒋丽娟, 程树棋. 生物柴油——绿色能源[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007.
[5] 杨永红, 齐邦峰. 柴油润滑性及润滑性添加剂的研究进展[J]. 江苏化工, 2007, 35(2): 6-10.
[6] 张雁玲, 雒亚东, 凌凤香, 等. 不同生物柴油对低硫柴油润滑性的改善研究[J]. 炼油技术与工程, 2015, 45(8): 57-60.
[7] 刘双红, 蔺建民, 王昆, 等. 柴油润滑性添加剂研究[J]. 润滑与密封, 2007, 32(5): 139-143.
[8] 韦淡平. 我国柴油的润滑性——一个潜在的重要问题[J]. 石油炼制与化工, 2001, 32(1): 37-40.
[9] 翁家庆, 沈颖刚, 张学丽, 等. 生物柴油对柴油机的腐蚀磨损及其机制分析[J]. 润滑与密封, 2008, 33(8): 54-57.
[10] 陈国需, 李进, 胡泽祥, 等. 环烷酸的结构分析及对燃料润滑性的影响[J]. 石油学报(石油加工), 2016, 32(2): 326-333.
[11] SEKMEN Y, SEN S. Biodiesel production form anchovy (Engraulis encrasicolus) oil and its effect on diesel engine performance and emissions[J]. J Fac Eng Archit Gazi Univ, 2016, 31(1): 19-27.
[12] PENG D X. Effects of concentration and temperature on tribological properties of biodiesel[J]. Adv Mech Eng, 2015, 7(11): 458-464.
[13] 王学春, 方建华, 闫忠意, 等. 生物柴油氧化降解与动力学分析的研究进展及展望[J]. 节能技术, 2015, 33(1): 38-42.
[14] 彭小红, 杨璐, 陈昊, 等. 乙醚生物柴油混合燃料发动机的燃烧和排放特性[J]. 长安大学学报(自
然科学版), 2015, 35(2): 152-158.
[15] 李一哲, 李法社, 包桂蓉, 等. 小桐子及其油脂的理化特性分析[J]. 中国油脂, 2013, 38(3): 87-89.
[16] 石赛南, 金邻豫, 裴瑞敏, 等. 生物柴油中脂肪酸甲酯的成分分析[J]. 化学研究所, 2016(1): 85-87.
[17] 李法社, 倪梓皓, 杜威, 等. 生物柴油氧化前后成分分析的研究[J]. 中国油脂, 2015, 40(1): 64-68.
[18] 臧树德, 朱敏. 用高频往复试验机测定柴油润滑性[J]. 当代化工, 2006, 35(1): 50-52.。