《Biomass and Bioenergy》：Beyond wear scar diameter: A multi-technique investigation of lubricity enhancement and tribofilm formation in biodiesel blends with ultra-low sulphur diesel and bio-hydrogenated diesel
编辑推荐：
•2%生物柴油符合ISO润滑性限值要求，但未能确保持久的表面保护。•5-10%的生物柴油含量可实现稳定的摩擦膜形成和磨损保护。•在低掺混比例下，SBME比PME能更有效地改善润滑性。•BHD达到同等保护效果所需的生物柴油添加量低于ULSD。•表面分析为超出ISO标准的生物柴油
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2%生物柴油符合ISO润滑性限值要求，但未能确保持久的表面保护。
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5-10%的生物柴油含量可实现稳定的摩擦膜形成和磨损保护。
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在低掺混比例下，SBME比PME能更有效地改善润滑性。
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BHD达到同等保护效果所需的生物柴油添加量低于ULSD。
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表面分析为超出ISO标准的生物柴油掺混提供了实用指导。
引言
在过去二十年间，柴油燃料质量经历了显著变革，主要驱动力日益严格的排放法规和向低碳能源转型的需求。这一演变带来的一个后果是，许多现代柴油燃料（包括超低硫柴油ULSD和生物加氢柴油BHD）的生产工艺剥离了那些本应保护燃油喷射设备免受磨损的化合物[1]。润滑性定义为燃料在高压喷射系统滑动接触部位降低摩擦和磨损的能力，因此是关键燃油特性，其不足会导致零部件过早磨损、维护成本增加和发动机使用寿命缩短。润滑性通常依据ISO 12156-1标准使用高频往复试验机（HFRR）进行定量测定，其主要输出结果为磨痕直径（WSD）[2]。根据泰国能源商业部（DOEB）的规定，在60°C下WSD不超过460 μm的燃料即被认为满足柴油燃料的最低润滑性要求[3]。
BHD（又称加氢处理植物油HVO）是通过在高温高压条件下对植物油或动物脂肪进行催化加氢处理制得，产物为高辛烷值、几乎不含硫和芳烃的直链和支链烷烃。这些特性使BHD成为压燃发动机的理想替代燃料。然而，同样的加氢处理工艺在去除有害元素的同时，也消除了极性含氧化合物，导致BHD几乎无法在油泵和喷油嘴金属表面形成保护性边界膜[4]。这种润滑性缺陷已在一项项摩擦学测试中得到一致证实。Kuszewski等人（2025）使用四球试验机评估了纯HVO，发现其擦伤载荷仅为491 N，比商用柴油降低了约24%，并且是所有测试燃料中擦伤起始时间最短的。作者指出，尽管HVO的运动粘度略高于柴油，但仅靠粘度无法弥补表面活性极性含氧化合物和芳烃化合物的缺失，而这些物质对于在金属表面形成保护性边界层至关重要[5]。在热应力条件下，这一脆弱性进一步加剧：Kuszewski（2026）随后的HFRR测试表明，HVO在60°C下产生的WSD为326.0 μm，而柴油为190.5 μm，磨痕在90°C下进一步扩大至342 μm，凸显了烷烃燃料对温度依赖性润滑性恶化的敏感性[6]。综上所述，这些发现突显了在压燃应用中利用BHD等高浓度烷烃燃料时，需要采取适当的润滑性增强措施的迫切性。
一种实用且成熟的恢复低硫燃料润滑性的方法是掺混脂肪酸甲酯（FAME），当其生产符合适用的燃料标准时，可作为生物柴油使用。为明确起见，本研究中所使用的"生物柴油"一词广泛指代任何基于脂肪酸烷基酯的燃料，既包括符合EN 14214标准的完全认证生物柴油，也包括具有相同分子结构但未经完整标准评估的实验室制备FAME候选物。FAME可再生、可生物降解，并与现有柴油基础设施兼容，使其成为一种有吸引力的替代方案，在不损害ULSD或BHD环保性能的前提下解决润滑性缺陷问题。其润滑性增强机制源于两亲性分子结构，其中极性酯头基优先吸附在滑动界面的金属氧化物表面上，而非极性碳氢链则溶解在燃料主体中，形成保护性边界膜，减少金属与金属的直接接触。这一机制的有效性已由Tat等人（2020）的研究所证实，他们表明仅需将2 wt%的油菜籽生物柴油（其富含不饱和脂肪酸，组成与大豆油相似）掺入纯正十二烷（作为未添加ULSD的替代品）中，即可将磨损率降低多达十倍，使润滑性恢复到与完全添加的商用柴油相当的水平[7]。在如此低的掺混比例下产生的如此显著的改善，凸显了FAME边界膜形成的高效性，表明即使是少量的生物柴油添加也能在烷烃基燃料中带来可观的润滑性收益。
然而，FAME作为润滑性改善剂的有效性因原料不同而存在显著差异。脂肪酸组成，特别是其不饱和度，决定了吸附边界膜的强度和持久性。Lapuerta等人（2016）使用HFRR测定了各种纯脂肪酸酯和生物柴油的润滑性，发现虽然碳链长度是降低WSD的次要因素，但不饱和度起更关键的作用[8]。这一机理图景进一步得到了Mei等人（2020）的支持，他们采用分子动力学模拟证明，酯浓度通过吸附能控制对铁表面的吸附强度，而分子结构（特别是不饱和度和极性官能团的存在）则决定了吸附膜的内聚能和稳定性。他们的模拟证实，不饱和度更高的甲酯（如C18:2）表现出比其饱和对应物更高的内聚能，这与实验观察到的同等浓度下更优越的边界膜稳定性和磨损降低效果一致[9]。基于这些见解，Maneedaeng等人（2025）采用HFRR测试结合机器学习评估了15种生物柴油原料，确认不饱和度是润滑性的主要决定因素，富含单不饱和和多不饱和脂肪酸的甲酯始终表现出比以饱和物种为主的原料更优越的边界膜形成和更低的磨损[10]。在商业重要原料中，大豆油产生的甲酯富含多不饱和脂肪酸，具有相应的强表面吸附亲和力；而棕榈油以饱和和单不饱和物种为主，产生的甲酯吸附能力相对适中，尽管其氧化稳定性更优。PME和SBME合计代表了全球产量最大的两种生物柴油。然而，在相同测试条件下对这两种生物柴油在常规柴油和烷烃BHD中的润滑性行为的系统性比较在文献中仍然有限。
尽管关于FAME在常规石油柴油中的掺混研究已相当广泛，但生物柴油与BHD（作为烷烃基燃料）掺混的润滑性行为仍相对缺乏研究，在相同测试条件下对不同掺混比和原料类型在两种基燃料之间进行的直接系统性比较尚未建立。此外，大多数现有研究仅依赖WSD作为润滑性指标，缺乏补充的表面表征来揭示ISO合规性是否在实际操作中转化为足够的表面保护。
本研究通过评估BHD和石油柴油分别与SBME按2%、5%、10%、15%、20%、30%、50%和70% v/v体积比掺混，以及与PME按2%、5%、10%和15% v/v体积比掺混的润滑性，来弥补这些空白，测试依据ISO 12156-1:2023标准使用HFRR进行，以纯BHD和纯柴油作为参考基准。每种掺混料各进行三次重复测试，并辅以3D激光轮廓仪、SEM、EDX和ATR-FTIR等表面分析技术，以表征所有条件下磨损机理、摩擦膜形成和表面化学特性。本研究旨在量化所有掺混体系的润滑性，评估基燃料类型和生物柴油原料对摩擦学结果的独立影响，并确定实现不仅符合ISO标准的WSD、还能实现稳定成膜和有效盘表面保护所需的最低生物柴油含量。
章节摘要
燃料制备
本研究使用了两种基燃料。超低硫柴油（ULSD），硫含量为5.1 ppm，由泰国春武里泰国石油公共有限公司提供；生物加氢柴油（BHD）为棕榈来源的商业级产品，由泰国沙没巴干府威拉苏万有限公司提供。两种燃料均按原样使用，未作进一步处理。
酯交换过程如图1所示。甲酯在实验室中通过
化学组成
石油柴油和BHD的GC-MS分析化学组成结果如图4所示。两种燃料在碳链长度分布和烃类方面存在显著差异，反映了其各自不同的生产路径。
石油柴油表现出从低于C10到超过C18的宽碳链分布。最重的组分（链长超过C18的组分）贡献最大，占26.50%，而较轻的组分为
结论
本研究使用HFRR测试评估了BHD和石油柴油分别与PME和SBME掺混后的润滑性，测试依据ISO 12156-1:2023标准，辅以3D激光轮廓仪、SEM、EDX和ATR-FTIR进行分析。两种纯基燃料均大幅超过DOEB 460 μm的润滑性阈值，证实了缺乏极性官能团时润滑性本质上较差。虽然2% v/v生物柴油在所有掺混体系中均恢复了ISO合规性，但3D轮廓中的边缘磨损碎屑沉积、持续的
CRediT作者贡献声明
Kimhuoy Yoeng：撰写 – 初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，数据管理。Anupap Pumpuang：撰写 – 初稿，可视化，方法论，形式分析。Atthaphon Maneedaeng：撰写 – 审稿与编辑，概念化。Ob Nilaphai：撰写 – 审稿与编辑，概念化。Kanjana Thumanu：撰写 – 审稿与编辑，概念化。Ekarong Sukjit：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，形式分析，概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢"One Research One"奖励（OROG）奖学金以及苏兰纳理大学（SUT）提供的资金支持。
Kimhuoy Yoeng|Anupap Pumpuang|Atthaphon Maneedaeng|Ob Nilaphai|Kanjana Thumanu|Ekarong Sukjit
