动物源与植物源纯生物柴油在小功率船用柴油机应用中的试验比较：性能、排放与运行循环评估

《Journal of Marine Science and Engineering》：Experimental Comparison of Animal- and Plant-Derived Neat Biodiesels for Small Marine Diesel Applications: Performance, Emissions, and Operational-Cycle Assessment

　　

海事部门的温室气体减排目标正日益提升对与现有柴油发动机基础设施兼容的可持续燃料的兴趣。在本研究中，研究人员在适用于小型船用柴油应用的可控负荷条件下，采用单缸直喷柴油机对动物源纯生物柴油（AN100）、植物源纯生物柴油（VG100）和常规柴油燃料进行了试验比较。在六种不同发动机负荷下测量了制动比油耗（BSFC）、制动热效率（BTE）以及CO、HC、CO₂和NO_x排放。获得的数据被转移到一个具有代表性的90分钟运行循环中，以确定总燃料消耗和排放。与柴油相比，AN100和VG100分别使CO排放降低了44.3%和55.5%，使HC排放降低了18.2%和26.0%。相反，CO₂排放分别增加了36.2%和31.3%，而NO_x排放增加了59.6%和67.3%。AN100和VG100的总燃料消耗也分别增加了15.4%和9.0%，而BTE分别下降了8.1%和0.3%。运行循环结果证实，原料选择影响累积燃料需求和排放。VG100提供了更高的能量转换性能，而AN100由于较低的NO_x和CO₂增幅而提供了更均衡的排放特征。结果表明，应综合考虑燃油经济性、排放优先级和NO_x减排要求来选择合适的生物柴油。

论文解读

研究背景与目的：随着世界人口增长、工业化加速和国际贸易量持续上升，全球能源需求逐年增加。交通运输部门是化石燃料消耗和温室气体排放的主要来源之一，而约80%的全球贸易量通过海运完成，使海事部门成为世界经济不可或缺的组成部分。船用柴油机排放的二氧化碳（CO₂）、氮氧化物（NO_x）、硫氧化物（SO_x）、颗粒物（PM）和一氧化碳（CO）等污染物对环境和人类健康造成严重危害。国际海事组织（IMO）在2023年更新的温室气体战略中，旨在2050年前后实现国际海运净零排放。在此背景下，与现有柴油机基础设施高度兼容的生物柴油被视为短中期碳减排的重要选项。然而，生物柴油的原料来源（动物源与植物源）会显著影响其理化性质，进而影响发动机性能与排放。目前，在相同试验条件下直接比较动物源和植物源纯生物柴油的研究仍有限，尤其是将负荷依赖的实验结果纳入代表性船用运行循环的评估更为缺乏。因此，本研究旨在同一发动机平台、相同运行条件和统一试验方法下，系统比较动物源纯生物柴油（AN100）、植物源纯生物柴油（VG100）与常规柴油的性能与排放，并通过90分钟运行循环量化累积燃料消耗与总排放，为船用替代燃料选择提供依据。该论文发表在《Journal of Marine Science and Engineering》。

关键技术与方法：研究人员采用酯交换反应制备生物柴油。AN100的原料为牛、羊、鸡的废弃脂肪，因游离脂肪酸含量高，需先进行预酯化处理；VG100的原料为菜籽油、红花油和废弃煎炸植物油等体积混合。试验使用一台单缸、四冲程、风冷、直喷柴油机（Katana KM 178FE，排量296 cm3），在恒定转速下设置0.5至3 kW六个负荷点，测量制动比油耗（BSFC）、制动热效率（BTE）及CO、HC、CO₂、NO_x排放。实验不确定度按Kline和McClintock方法评估，总不确定度为3.52。为反映实际船舶变负荷运行特征，构建了90分钟代表性运行循环（1 kW运行5分钟、2 kW运行10分钟、3 kW运行60分钟、2 kW运行10分钟、1 kW运行5分钟），将稳态测量数据加权计算整个循环的燃料消耗和污染物总排放量。排放浓度按相关公式转换为制动比排放（g/kWh）。

研究结果：3.1 实验结果：六负荷稳态试验表明，与柴油相比，AN100和VG100的平均BSFC分别增加21.6%和10.6%；平均BTE分别降低8.1%和0.3%，其中VG100的热效率与柴油几乎持平。CO排放方面，AN100和VG100分别平均降低21.7%和29.8%，制动比CO排放分别降低21.2%和29.6%。CO₂排放分别平均增加30.8%和37.8%，制动比CO₂排放分别增加31.6%和38.3%。HC排放分别平均降低12.9%和18.6%，制动比HC排放分别降低12.8%和18.5%。NO_x排放分别平均增加83.8%和100.6%，制动比NO_x排放分别增加84.9%和101.4%。上述结果表明，生物柴油的含氧特性促进了完全燃烧，从而降低CO和HC，但同时导致燃烧温度升高，增加了NO_x生成。3.2 基于燃料的排放因子比较评估：通过计算单位燃料质量的排放因子发现，与柴油相比，AN100和VG100的CO排放因子分别降低38.7%和39.5%，HC排放因子分别降低33.8%和32.2%；NO_x排放因子分别增加34.6%和60.9%；CO₂排放因子方面，AN100仅比柴油高1.6%，而VG100高17.7%。这表明VG100在减少不完全燃烧产物方面表现更优，但其NO_x和CO₂代价也更大；AN100则在排放平衡性上更具优势。3.3 研究结果的启示：研究人员指出，在受控陆基试验平台上进行燃料筛选，可避免实船试验中的操作可变性和安全风险，但结果应视为相对趋势而非大型船用发动机的直接预测。两种生物柴油的凝点分别为-2 ℃和-3 ℃，在寒冷海域可能产生蜡结晶和滤清器堵塞风险，需采取加热或添加剂等对策。NO_x排放的大幅增加可能影响MARPOL Annex VI合规性，未来需结合选择性催化还原（SCR）或废气再循环（EGR）等措施。

讨论与结论：讨论部分强调，两种生物柴油各有优劣，不存在在所有指标上绝对优越的燃料。VG100在能量转换效率和CO/HC减排方面优势明显，但NO_x和燃料基CO₂排放增加更显著；AN100虽然BSFC和BTE劣于VG100，但NO_x和燃料基CO₂增幅较小，整体排放特征更均衡。运行循环评估进一步证实，原料选择对累积燃料需求和污染物总排放具有决定性影响，因此替代燃料评价必须考虑实际运行负荷分布。研究结论翻译如下：本研究比较了动物源和植物源纯生物柴油在小型船用柴油应用中的发动机性能和排放特性。两种生物柴油均比柴油降低了CO和HC等不完全燃烧产物，但由于热值较低，产生相同有效功率需要消耗更多燃料，且影响幅度因原料而异。VG100凭借接近柴油的制动热效率和相对有限的燃料消耗增幅，在将化学能转化为有效功率方面表现更好，并实现了更大的制动功率基CO和HC降幅；然而，VG100的NO_x增加幅度在研究的生物柴油中最高，且燃料质量基CO₂排放增加也更显著。尽管AN100的燃料消耗和热效率劣于VG100，但其NO_x生成和燃料基CO₂排放的不利影响更小。因此，两种生物柴油之间存在明确的性能-排放权衡。VG100在优先考虑能量转换效率、燃油经济性和制动功率基CO/HC减排的应用中更具优势，而AN100在优先限制NO_x和燃料基CO₂增幅的情况下提供更均衡的选择。运行循环评估表明，原料选择对累积燃料需求和总污染物排放具有决定性影响，因此替代燃料的评价不能仅基于单一负荷测量，而必须结合实际负荷分布。总之，所研究的生物柴油均未在所有性能和排放指标上表现出绝对优越性。在本实验室尺度比较范围内，若以排放平衡为优先，AN100是小型船用柴油机和四冲程辅助发动机应用中更均衡的候选燃料；若以燃油经济性和热效率为优先，则VG100显示出更大潜力。但这些结果不应被解释为任何燃料可直接用于商业用途，在向海事应用过渡前，仍需在多变工况、耐久性、燃料系统兼容性及全生命周期条件下开展多缸船用发动机验证。