Fuel Processing Technology 153 (2016) 28–36

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Fuel Processing Technology

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Research article

Waste oil-based alternative fuels for marine diesel engines

Gorka Gabintilde;a a,⁎, Leopoldo Martin b, Oihane C. Basurko c, Manuel Clemente d, Sendoa Aldekoa d, Zigor Uriondo b

a AZTI – Txatxarramendi ugartea z/g, 48395 Sukarrieta, Spain

b Department of Thermal Engineering, University of the Basque Country UPV/EHU, Alameda Urquijo s/n, 48013 Bilbao, Spain

c AZTI – Herrera Kaia, Portualdea z/g, 20110 Pasaia, Spain

d Nautical and Naval Machines, University of the Basque Country UPV/EHU, Mariacute;a Diacute;az de Haro 68, 48920 Portugalete, Spain

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 6 May 2016

Received in revised form 19 July 2016 Accepted 25 July 2016

Available online 4 August 2016

Keywords:

Mineral alternative fuel Marine diesel engine Injection timing

Energy efficiency Combustion analysis Exhaust emissions

a b s t r a c t

Fossil fuels are the main energy source used in the world. However, environmental concerns, over-consumption, and fluctuating price rates are boosting efforts in the development of alternative fuels. This study presents the technical suitability of an alternative fuel for its use in marine diesel engines, as assessed through laboratory and engine performance tests. The alternative fuel assessed is based on waste oil obtained from used automotive lubricating oil. Tests were conducted for the alternative fuel and a distillate fuel, commonly used in the fishing fleet, to compare their performance. The effects of injection timing on their energy efficiency, combustion anal- ysis and emission characteristics have been studied. Here, we show that the alternative fuel met the require- ments of ISO 8217 regulations for distillate oils, with the exception of the viscosity, which was 1.9 times higher, thus requiring heating the alternative fuel before its use. The combustion period was shorter than that of residual heavy fuels but longer than that of ISO-F category distillate fuels. Better combustion properties were obtained with advanced injection timing. With such timing, the distillate fuel presented slightly better en- ergy efficiency characteristics (specific energy and fuel consumption) than the alternative fuel, and carbon emis- sions were drastically reduced in both fuels. NOx emissions were lower for the alternative fuel than for the distillate fuel. The good performance of the alternative fuel indicates feasibility for use in medium-speed diesel engines commonly used, for example, in fishing vessels.

copy; 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.

1. Introduction

Shipping is fuel dependent. Thus, the cost of fuel is one of the main concerns in the shipping industry. Fuel represents nearly 60–70% of a ship#39;s operating costs [1]. In the specific case of fishing vessels, which are fitted with high- and medium-speed engines burning distillate fuels, the cost can represent 50% of their total annual costs [2].

It is estimated that marine diesel engines burn 60 million barrels of crude oil annually [3], which accounts for the annual emission of 961 million tonnes of CO2 equivalents, 20.9 million tonnes of NOx, 11.3 mil- lion tonnes of SOx and 1.4 million tonnes of particulates for shipping [4]. Because of that, environmental maritime regulations are becoming stricter. Since 2015, the IMO has intensified its work in regulating emis- sions from ships. The key outcomes are the restriction on the use of fuels with a maximum sulphur content of 0.1% from 2015 within the Emis- sion Control Areas (North America coastlines, and the North Sea and the Baltic coastlines) and a cap of 0.5% from 2020 for the global sphere; the control of greenhouse gas emissions through the energy efficiency

* Corresponding author.

E-mail addresses: ggabina@azti.es (G. Gabintilde;a), leopoldo.martin@ehu.eus (L. Martin), obasurko@azti.es (O.C. Basurko), manuel.clemente@ehu.eus (M. Clemente), sendoa.aldecoa@ehu.eus (S. Aldekoa), zigor.uriondo@ehu.eus (Z. Uriondo).

design index (EEDI), the energy efficiency operational indicator (EEOI) and the ship energy efficiency management plan (SEEMP); and the new NOx emissions restrictions with the Tier III IMO regulation (begin- ning in 2016, for NOx Emission Control Areas), involving reductions of allowable emissions from marine diesel engines in new vessels (by 75% of reductions from the Tier II regulation) [5,6]. These regulations are driving an increase in energy efficiency strategies in the shipping industry.

Increasing energy efficiency can result in potential cost savings and environmental improvement. Several strategies have been developed with that aim. On-board energy audits are con

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船用柴油发动机的废油替代燃料

Gorka Gabintilde;a a,⁎, Leopoldo Martin b, Oihane C. Basurko c, Manuel Clemente d, Sendoa Aldekoa d, Zigor Uriondo b

a AZTI – Txatxarramendi ugartea z/g, 48395 Sukarrieta, Spain

b Department of Thermal Engineering, University of the Basque Country UPV/EHU, Alameda Urquijo s/n, 48013 Bilbao, Spain

c AZTI – Herrera Kaia, Portualdea z/g, 20110 Pasaia, Spain

d Nautical and Naval Machines, University of the Basque Country UPV/EHU, Mariacute;a Diacute;az de Haro 68, 48920 Portugalete, Spain

注意

文章历史：收到2016年5月6日收到修订后的表格2016年7月19日接受2016年7月25日在2016年8月4日可用

关键词：

矿物替代燃料 船用柴油机喷油正时

能源效率 燃烧分析 废气排放

摘要

化石燃料是世界上使用的主要能源。然而，环境问题，过度消费和价格上涨正在推动替代燃料的开发。本研究介绍了替代燃料在船用柴油发动机中的应用技术适用性，通过实验室和发动机性能试验进行评估。所评估的替代燃料基于从二手汽车润滑油获得的废油。对替代燃料和通常用于发电厂的馏分燃料进行测试以比较它们的性能。研究了喷射时间对其能量效率，燃烧分析和特性的影响。在这里，我们显示替代燃料满足ISO 8217对馏分油规定的要求，但粘度高1.9倍，因此需要在使用替代燃料之前对其进行加热。燃烧期比残余重质燃料的燃烧期短，但比ISO-F类别馏分燃料的燃烧期长。通过提前喷射定时获得更好的燃烧性能。在这样的时间，馏分燃料呈现出比替代燃料略微更好的能源效率特性（特定能源和燃料消耗），并且两种燃料中的碳排放量大幅减少。替代燃料的NOx排放量低于馏出燃料。替代燃料的良好性能表明可用于通常使用的中速柴油发动机，例如在发电容器中。

copy;2016 Elsevier B.V.保留所有权利。

1.介绍

运输依赖燃料。因此，燃料成本是航运业的主要关注点之一。燃料占船舶运营成本的近60-70％[1]。在具有燃烧蒸馏燃料的高速和中速发动机的发电容器的具体情况下，成本可以代表其总年成本的50％[2]。

据估计，船用柴油发动机每年燃烧6000万桶原油[3]，其中年排放量为9.61亿吨二氧化碳当量，2090万吨NOx，1130万吨SOX和140万吨的颗粒物[4]。因此，环境海事法规变得越来越严格。自2015年以来，国际海事组织加强了对船舶排放的监管工作。主要成果是，从排放控制区（北美海岸线，北海和波罗的海海岸线）到2015年，最大硫含量为0.1％的燃料的使用受到限制，2020年的上限为0.5％为全球范围;通过能源效率控制温室气体排放

设计指数（EEDI），能效操作指标（EEOI）和船舶能效管理计划（SEEMP）;和新的氮氧化物排放限制，其中包括减少新船舶船用柴油发动机的允许排放（比第二级规定的减少量减少75％）与第三级IMO规则（2016年开始，用于NOx排放控制区） [5,6]。这些法规正在推动航运业提高能源效率战略。

提高能源效率可以节省潜在的成本并改善环境。已经为此目的开发了几种策略。车载能源审计被视为首次筛选，以便制定可行的决策。最佳可用技术通常在船上实施，例如能源管理系统，燃料消耗指示器或路线优化系统，实现10-20％的燃料节省[2]。前面的策略是基于操作执行，例如降低导航速度 - 换句话说，减慢柴油发动机的缓慢蒸汽[7]和基于条件的维护（CBM），这也有助于提高能源效率和降低成本[8,9]

其他策略基于改善柴油发动机的燃烧特性; 已经对燃料和油添加剂或燃料处理装置（例如磁性装置）进行了不同的研究研究，其中文献中已经发现了矛盾的结果[10,11]。 新的燃料概念也取代了使用常规燃料的相关性。 对不同柴油燃料的研究最初集中在生物燃料的使用。 然而，与馏出燃料油相比，它们的密度和粘度更高[12]，稳定性问题，特别是在高湿度下使用，以及船舶长期存储的必要性，已经危及其在海洋应用中的进展[13] ，14]。

表格1

MINSEL M430单缸发动机特点

废油年产量为2400万吨，被认为是目前产生的最丰富的污染物残留[15]。本研究报告了替代燃料油（AFO）在船舶应用中的技术适用性。使用的AFO是矿物来源的燃料，由再循环和后处理的自动润滑油生产。用于获得AFO的方法不是本工作范围的一部分，但值得提及的是该方法包含蒸馏方法。因此，AFO可以被认为是蒸馏燃料油。已经评估了燃料消耗特性，燃烧性能，喷射模式和废气排放。还评估了两个注射定时条件 - 一个从制造商接收，并且第二个推进注射定时。所有测试均使用AFO和商业馏分燃料油（DFO）进行，通常用于发酵罐，以比较它们的差异.

2.材料和方法

实验室测试

在发动机试验之前对每种所研究的燃料进行两次实验室试验，即AFO和DFO。 分析试验确定了AFO的物理化学特性和燃烧性能。 第一次筛选用于证明燃料性质，例如密度，粘度，闪点，十六烷值，低热值，以及硫，碳，氢和氮含量。 将这些参数与符合ISO 8217船用燃料规格的本地DFO进行比较。 任何用于一般海运应用的燃料必须符合国际海事组织海洋环境保护委员会第五十八届会议[16]附件13第4条的规定。 分析测试在TEKNIKER，SGS和EKONOR实验室进行。

通过重质燃料油的FIA-100FCA仪器的平均值评价燃烧性能。试验包括将燃料喷射到加热至500℃并加压至45巴的恒定体积燃烧室中。在燃料燃烧期间，测量压力增加并记录在计算机中，用于进一步的计算分析。测量的性质还包括点火延迟;主燃烧延迟;估计十六烷值;预烧期;主燃烧结束;主燃烧期;燃烧后期;最大热释放速率;最大放热率的位置;和累积释热速率。所有参数计算为25次不同注射的平均值。 AFO的粘度值相当高;因此，将结果与文献中发现的2种残余燃料油进行比较：一种具有良好的燃烧性能（FOG），另一种具有差的燃烧性能（FOP）。 FIA-100FCA测试在DNV石油服务公司（挪威）进行

表2仪表设备用于测量发动机性能参数

发动机测试

在定义AFO的燃料性能之后，在单缸高速发动机的试验台上进行发动机试验。发动机是一种自然吸气的直喷式柴油发动机，具有传统的泵管线喷射系统，多孔喷油器位于燃烧室中心。发动机的机械细节列于表1。

AFO由于其高粘度而被加热，目的是保证注射过程中的正确性能。图。图1示出了柴油发动机试验台的布置。其监测由表2所列的仪器完成。

在测试期间，根据喷射正时评估两种不同的发动机条件：（1）原始条件，标准喷射正时，以及（2）喷射正时提前4个周期。在此伞下，评估了燃烧性能，喷射模式和排放特性。所有测试均在最大发动机转速和满载输出下进行。

发动机性能信号由DEWE 2600高频信号采集系统采集，然后由AVL Concecoco燃烧分析仪软件包进行分析。根据曲柄角位置获得燃烧压力轨迹，放热速率和质量燃烧分数（5％，10％，50％，90％）。当放热速率在达到其最大值之前变为正时，将燃烧开始（SOC）作为曲柄角值。

3.结果

实验室测试

AFO的主要物理和化学性质列于表3中。实验室测试结果表明，AFO符合ISO 8217燃料标准，但粘度性质除外。粘度高于海洋馏分柴油所允许的粘度，即在40℃下为11mm 2 / s [17]。因此，AFO必须加热到一种温度，其中粘度将接近船用柴油发动机中的燃料的接受值; AFO的考虑值为

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