使用经过煅烧的石灰石生产的、精炼程度较低的棕榈油作为燃料的柴油发动机的性能和排放评估

《Energy Conversion and Management-X》：Evaluation of the performance and emissions of diesel engines powered by minimally refined palm oil produced using calcined limestone

　　B.G. 尤达ント | F.R. 帕尼亚伊坦 | H. 阿姆巴里塔 | T.B. 西托鲁斯
北苏门答腊大学机械工程系，阿尔马马泰尔路，棉兰 20155，印度尼西亚

**摘要**
在产棕榈油的国家中，实现离网发电的脱碳需要经济实惠的生物燃料。传统的棕榈生物柴油生产方法（如酯交换或加氢处理）会导致较高的处理成本（4.77–12.53美元/千克）和能源消耗（20–25MJ/升）。本研究提出了一种新型的少精炼棕榈油（MRPO）生产过程，该方法采用低强度工艺：对粗棕榈油进行干法分离，使用石灰石衍生的CaO/Ca(OH)2碱性前驱剂处理（5%重量，80–95°C，5分钟），随后进行离心、五级温水洗涤和真空干燥，完全避免了酯交换步骤。该碱性前驱剂通过将天然石灰石在800°C下煅烧并水合-脱水制得，具有强碱性（H_ = 15.0–18.4），与粗棕榈油相比，酸值降低了96%，磷含量降低了99%，运动粘度降低了29%。整个过程的能耗仅为0.66MJ/升。所得MRPO符合印度尼西亚固定生物燃料的标准，并在一台37千瓦发动机的1050小时柴油发电机耐久性测试中与B40（40% FAME/60%柴油）进行了对比。结果表明，MRPO的扭矩相当（≤0.84%的差异），功率低5.74%，但燃油消耗量高7.93%，这归因于其较高的粘度和较低的发热值。尾气不透明度降低了3.8倍（MRPO为3.5%，而B40为13.3%），而NOx和CO的排放量则相似。使用后的油品分析（粘度、TBN、TAN、磨损金属）在整个测试过程中保持稳定，测试后的检查也未发现任何严重的磨损或沉积物。预估生产成本为1.4美元/千克，且其工艺能耗仅为酯交换方法的30分之一，因此MRPO是一种技术上可行、低排放且经济上可承受的固定燃料。

**引言**
由于经济增长、技术进步和人口结构变化，全球对电力的需求持续增长，预计到2040年年均增长率为2.1%[1]。在电网连接有限的地区，特别是在发展中国家和偏远地区，柴油发电机因其便携性、可靠性和运行灵活性而不可或缺[2]。然而，化石柴油带来的环境影响和可持续性挑战促使人们寻求更清洁的能源替代品[3][4]。
基于棕榈油的生物燃料因其可获得性、与现有发动机的兼容性以及较低的温室气体排放而受到广泛关注[5][6][7][8][9]。然而，直接使用粗棕榈油（CPO）或纯植物油（SVO）作为柴油燃料存在问题，因为它们的粘度较高，游离脂肪酸含量高，并含有树胶和磷脂。传统的处理方法（如预热、酯交换（生产生物柴油）、加氢处理、精炼、漂白和脱臭（RBD）会显著增加生产成本和能源消耗，从而减弱了棕榈油生物燃料的经济和环境效益[10][11][12][13]。
关于纯植物油的先前研究表明，其较高的粘度和较低的挥发性会导致喷雾分散不良、空气-燃料混合延迟、点火延迟，并在长时间运行中促进喷油器/阀门的沉积[14][15][16][17]。这些因素解释了为什么未经改性的棕榈油通常具有更高的油耗和更大的污染风险，尽管其可再生性和固有的氧含量具有吸引力。最近的研究进一步表明，含钙的燃料或催化剂改性可以改善制动热效率和排放情况[14][15][16][17]。
为了解决这些问题，本研究采用了一种简化的、低工艺强度的精炼方法，利用煅烧后的石灰石（CaO）作为碱性前驱剂，制备出所谓的少精炼棕榈油（MRPO）。该方法由印度尼西亚油棕研究所（IOPRI）申请了专利[18]，省去了成本高昂且能耗高的酯交换、加氢处理和RBD步骤。通过简单的干法分离和活性CaO处理，该方法将CPO的粘度降低了29%，磷含量降低了99%，酸值降低了96%，使其适合直接用于中速柴油发动机。

**化学原理**
石灰石的作用不仅仅是物理过滤。煅烧过程将方解石转化为活性氧化钙（CaCO3 → CaO + CO2）。经过水合-脱水活化后，CaO/Ca(OH)2提供了强碱性位点，能够将游离脂肪酸中和为钙皂，并破坏富含磷脂的树胶和金属结合的磷脂，从而便于通过离心和后续洗涤去除。这一机制与传统脱胶/中和工艺一致，也与从粗棕榈油到MRPO的酸值和磷含量降低结果相符[21][22]。

**传统生物柴油生产方法的成本与效率**
传统的生物柴油生产路线（酯交换法）成本在4.77–12.53美元/千克之间[10]，而加氢处理和RBD过程会进一步增加费用[23][24]。相比之下，初步评估表明，MRPO的生产成本约为1.4美元/千克，且无需复杂的后处理[18]。这大大降低了生产成本和工艺复杂性，使其在产棕榈油地区成为经济上具有吸引力的替代品。

**耐久性测试**
为了评估MRPO的实际性能，本研究将其与国内常用的B40（40%生物柴油，60%化石柴油）进行了1050小时的耐久性测试。B40被选为参考标准，因为它在印度尼西亚具有重要的政策和市场地位，该国广泛推广了高比例混合生物柴油的使用，并得到了道路和实验室验证的支持。与低比例混合物相比，B40在燃油经济性和运行可靠性方面提供了更严格的基准；与高比例混合物相比，它仍在国家认可的应用范围内[25][26]。
选择1050小时的测试时间是为了模拟柴油发动机常用的±1000小时耐久期，以揭示累积沉积物形成、衬管/环状磨损、润滑剂相关劣化及喷油器污染情况。对于固定式发电机而言，1050小时相当于约43.75天的连续运行时间，足以揭示在短期测试中难以发现的趋势[27]。

**MRPO的可持续性和经济性**
通过填补粗棕榈油利用与传统生物柴油精炼之间的差距，本研究不仅将MRPO视为一種新型燃料，还将其视为离网和农村电力供应的可持续且可扩展的解决方案。

**材料与方法**
2.1 **材料**
用于少精炼过程的CPO来自印度尼西亚北苏门答腊的一家当地棕榈油厂。B40燃料由印度尼西亚石油和天然气技术研究与开发中心（LEMIGAS）实验室提供。天然石灰石来自印度尼西亚的马都拉岛。
2.2 **碱性前驱剂的制备与表征**
在研究中，CPO油精炼所需的碱性前驱剂是通过将天然石灰石在800°C下煅烧3小时获得的。所得物质称为CaO-800，随后通过将其在70°C下水合-脱水处理6小时进一步改性。样品经过过滤并在120°C下加热过夜。所得产物在指定温度下活化3小时[10]。
2.3 **燃料制备与表征**
本研究采用了一种半工业规模的试验装置，包括分离单元和适度精炼单元。在分离单元中，CPO在26–28°C下分离出粗棕榈硬脂和CPOl。CPOl的少精炼过程如图1所示。一批CPOl预加热至65°C，然后与质量占比为5%的碱性前驱剂混合，并在70°C下搅拌5分钟。混合物离心后用温水冲洗至pH值中性，随后用真空干燥机干燥至含水量800 ppm。整个过程的理论产率为89%的MRPO。

**能量消耗计算**
为了估算MRPO生产过程中的能量消耗，需确定主要的高能耗环节，即反应室、中和反应器和真空干燥机。生产6,300升MRPO所需的原料为7,078.5升CPO油（其中含有3.38%的游离脂肪酸和10毫克/千克的磷脂）。原料从26°C预加热至65°C。假设比热容为2.2 J/kg·°C，预加热所需的能量估计为607 MJ。精炼后，MRPO的产率为90%，含有0.5%的游离脂肪酸和0.83毫克/千克的磷脂。剩余的11%为皂脚，主要由游离脂肪酸（FFA）和磷脂（ gums）组成。

**实验流程**
MRPO生产的能量消耗包括反应室、中和反应器和真空干燥机的能耗。为了生产6,300升MRPO，需要7,078.5升CPO油。首先将石灰石煅烧生成前驱剂，然后进行水合-脱水处理，再经过干燥过程。X射线衍射（XRD）分析表明，该方法有效地降低了CPO的粘度、磷含量和酸值。

**结论**
MRPO作为一种低能耗、低排放且经济可行的固定燃料，尤其在产棕榈油地区具有重要意义。尽管其长期发动机性能、排放特性和沉积物形成倾向尚未在发电机运行条件下得到全面评估，但本研究通过1050小时的耐久性测试与其国家基准B40进行了对比，评估了其技术可行性、排放合规性和在真实固定发动机条件下的沉积物/磨损行为。结合前体生产过程，整个生产过程中消耗的能量为4,162.51 MJ，相当于每升MRPO 0.66 MJ。需要注意的是，这个能量估计是基于简化的比热计算得出的，并未考虑热量损失、工艺效率或相变效应（例如真空干燥过程中的水分蒸发）。因此，这一比较应被视为一个数量级的近似值，而不是严格的能量审计。尽管有这个限制，估计的MRPO工艺能量远低于基于酯交换法的棕榈油生物柴油生产所需的能量，后者包括酯交换过程在内的总化石能源输入约为每升生物柴油20-25 MJ，其中酯交换是一个主要能耗因素[28][29]。

MRPO和B40的特性和评估包括其密度[23]、运动粘度[24]、十六烷值[30]、闪点[31]、碳残渣[32]、硫[32]、磷[33]、酸值[34]、碘值[35]、皂化值、不可皂化物以及热值。

2.4. 方法
一个AVL LD 40（AVL List GmbH，奥地利）多缸发动机测试台（规格如表1所示）连接到了一个J320STD柴油发电机（久保田，日本）（规格如表2所示）。

表1. AVL LD 40多缸发动机测试台规格
| 规格 | 单位 |
|-----------------|-----------|
| J320STD | Model-V1305-BG-SEC |
| 缸数 | 4 |
| 缸径×行程 | mm | 76.0×73.6 |

表2. 耐久测试用发动机规格
| 规格 | 单位 |
|-----------------|-----------|
| J320STD | Model-V1305-BG-SEC |
| 缸数 | 4 |
| 缸径×行程 | mm | 76.0×73.6 |
| 发动机转速 | rpm | 3,000 |
| 最大功率 | kW | 37 |
| 持续功率 | kW | 22 |
| 最大负荷下的燃油消耗量 | L/hour | 6.0 |

测试程序遵循ECE R85标准[36]。测试装置如图2所示。

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图2. 实验用发动机装置

实验分为两个阶段：初始性能测试和耐久测试。首先测试MRPO，然后测试B40作为燃料。初始测试是为了检查两种燃料在测试前后对发动机性能的影响。通过改变引入发动机的α值（从35%到100%）并记录参数（包括发动机转速（rpm）、扭矩（Nm）、功率（kW）和特定燃油消耗量（g/kWh）来进行测试。

耐久测试是通过比较MRPO燃料柴油发动机和B40燃料柴油发动机在最大负荷下的扭矩和功率来进行的，具体负载循环如表3所示。同时测量了排气温度、机油温度和冷却液温度，测试持续了1050小时。在耐久测试期间，还在0小时、250小时、500小时、750小时和1050小时进行了有限的性能测试。

表3. 耐久测试期间的负载循环
| 模式 | 发动机转速（rpm） | 负载百分比 | 时间（秒） |
|-----------------|-----------|-----------|-----------|
| 安静 | ?180 | | 1 |
| 中间 | 107 | | 2 |
| 中间 | 259 | | 4 |
| 中间 | 50 | | 7 |
| 中间 | 75 | | 9 |
| 中间 | 100 | | 8 |
| 安静 | ?180 | | 18 |
| 额定 | 100 | | 9 |
| 额定 | 75 | | 9 |
| 额定 | 50 | | 27 |
| 额定 | 25 | | 9 |
| 额定 | 107 | | 11 |

在耐久测试之前，拆除了发动机的一些部件进行测量，如侧间隙环、环间隙、气缸套、进气和排气阀沉积物、活塞销以及喷油器沉积物。在耐久测试结束后重复测量这些部件，以确定两种燃料类型造成的变化。

为了补充尺寸和沉积物测量，还收集了MRPO燃料发动机在0小时、250小时、500小时和1050小时时的润滑油样本，并分析了其在40°C和100°C下的运动粘度、粘度指数、闪点、总碱值（TBN）、总酸值（TAN）、添加剂金属（Ca和Zn）、磨损金属（Fe、Cr和Al）、燃料稀释度、戊烷/甲苯不溶物、水分和康拉德森碳残渣。选择这些指标是因为最近的使用油诊断方法认为粘度变化、中和储备、氧化相关酸化、磨损金属和不溶物是润滑油老化和柴油发动机状况的主要标志[37][38]。润滑油的初始特性见表4。

表4. 初始润滑油特性
| 参数 | 单位 | 极限 | 结果 |
|-----------------|-----------|------------|-----------|
| 40°C下的运动粘度 | cSt | 133.22 |
| 100°C下的运动粘度 | cSt | 12.5–13.8 |
| 高温（150°C）下的运动粘度 | cP | 3.7–4.1 |
| 低温（?15°C）下的运动粘度 | cP | 11.45 |
| 低温（?20°C）下的运动粘度 | cP | 23.29 |
| 闪点 | °C | 200–246 |
| 倾点 | °C | ?129 |
| 总碱值（mg KOH/g） | 7–10.8 |
| 硫含量（%质量） | 0.75–1.56 |
| 金属（Ca） | – | 0.47 |
| 金属（Mg） | – | N/A |
| 金属（Zn） | 0.05–0.08 |
| 泡沫倾向（I型） | ml–20 / 00/0 | |
| 泡沫倾向（II型） | ml–50 / 010/0 | |
| 泡沫倾向（III型） | ml–20 / 00/0 | |
| 高温泡沫倾向（IV型） | 40/0 |
| 铜腐蚀（3小时/100°C） | – | 1 |
| 油氧化水平 | A/cm | 9.04 |
| 油氧化（168小时） | A/cm | 9.04 |
| 粘度增加（168小时） | % | 122.1 |
| 粘度增加（168小时） | % | 145.9 |
| 30次循环后的剪切稳定性 | cSt | 13.70 |

对于排放分析，使用便携式气体分析仪（CHEMIST 600，Seitron S.p.A., Italy）测量了两种发动机的O2、CO2、CO、COref、λ、NOx、NOxref排放量，并与2009年环境和林业部法案4规定的新车排放标准进行了比较[39]。

3. 结果与讨论
3.1. 碱性前体的特性
XRD结果见补充材料4。XRD分析确认天然石灰石主要由方解石（ICDD文件24-0027）组成，而煅烧后的天然石灰石（CaO-800）主要由一种氧化物相（ICDD文件04-1497）组成。相反，碱性前体的XRD结果表明，在水合-脱水过程中形成了两种钙基相。这些结晶相与CaO（ICDD文件04-1497）和Ca(OH)2（ICDD文件04-1493）的晶体相相匹配。

使用SEM检查了CaO-800和碱性前体的表面形态（见补充材料5）。SEM结果支持XRD分析，显示天然石灰石具有光滑的表面和高结晶度。在800°C下煅烧使表面变得更加粗糙。经过水合和随后的脱水后，样品中含有片状颗粒。

碱性前体的碱性强弱通过Hammett指示剂法测量，其H值在15.0–18.4之间，这通过其与2,4-二硝基苯胺的显色能力（H_= 15.0）而与4-硝基苯胺无显色反应来证明。碱性前体的碱性强于CaO-800。CaO-800的碱强度记录在9.8 < H_ < 12.2范围内。

3.2. 燃料特性
MRPO的特性评估符合印度尼西亚能源和矿产资源部设定的标准[40]（见表5）。

表5. 最低精炼棕榈油的特性与印度尼西亚规定的限值对比
| 参数 | 单位 | 限制 | 测试结果 | 最小值 | 最大值 |
|-----------------|-----------|------------|------------|---------|----------|
| MRPO | CPO | 900 | 920 | 990.9 |
| 50°C下的密度 | kg/m3 | 900 | 920 | 890.9 |
| 50°C下的运动粘度 | mm2/s | ?36 | 28.6 | 28.6 |
| 十六烷值 | ?39 | ?43.5 | 494 |
| 闭杯闪点 | °C | 100 | ?300 | 260 |
| 浊点 | °C | N/A | 206 |
| 碳残渣 | %质量 | 0.4 | 0.15 | ?7 |
| 硫含量 | %质量 | ?0.01 | 0.00 | 20.0 |
| 磷含量 | mg/kg | ?100 | 83.6 | 9 |
| 酸值 | mg KOH/g | ?20.4 | 110.9 | 10 |
| 碘值 | g I2/100 g | ?115 | 585 | 3.1 |
| 皂化值 | mg KOH/g | 180 | 265 | 95.0 |
| 不可皂化物 | %质量 | ?24.8 | 30.4 | 0.46 |
| 水分和沉淀物 | %体积 | ?0.07 | <0.01 | 0.3 |
| 灰分含量 | %质量 | N/A | <0.01 | 0.24 |
| 35°C下的氧化稳定性 | N/A | 1,325 | 18,609 | [41] |
| 热值： | •高热值（MJ/kg） | ?39.6 | 39.3 |
| •低热值（MJ/kg） | ?38.6 | 37.0 |

3.3. 初始性能测试
在耐久测试之前，测试了燃料在不同负荷下对发动机性能的影响。测试的参数包括不同负荷下的发动机扭矩、功率输出和特定燃油消耗量（SFC）。

图3显示，使用MRPO和B40作为燃料的柴油发动机在扭矩和功率方面没有显著差异。MRPO燃料发动机的最大功率在3.508 rpm时达到27.51 kW，最低功率在1.846 rpm时达到14.11 kW。B40燃料发动机的最大功率在3.684 rpm时达到28.90 kW，最低功率在1.782 rpm时达到14.06 kW。这两种燃料的耐久测试前都进行了两次类似测试，结果没有显著差异。需要指出的是，这种重复次数（每种燃料两次）不允许进行正式的统计分析，包括标准偏差、测量不确定性或误差范围估计。因此，所呈现的结果应被视为性能趋势，而不是经过统计验证的结论。这个限制是一个重要缺点，考虑到1050小时耐久测试的实际约束，但这不足以充分证明结果的普遍性。这种差异归因于B40较低的粘度，这可能影响了喷射和燃烧过程中的性能。关于最终燃料中残留钙化合物的潜力：MRPO的灰分含量测量值<0.01%（表5），远低于检测阈值，完全符合印度尼西亚的规定。这表明碱性前体（CaO/Ca(OH)2）在离心和五阶段温水洗涤过程中被有效去除。通过游离脂肪酸中和形成的钙皂主要是水溶性的，预计会分配到洗涤水中；测得的灰分含量与此机制一致[21][22]。然而，未来工作中建议对最终MRPO中的钙和其他金属进行定量ICP-OES分析，以确保没有因残留的碱性物质导致沉积物形成和喷油器污染。目前的喷油器沉积物数据（图15）显示MRPO的沉积物仅略高于B40，这与低灰分含量结果一致，但确定具体原因需要专门的金属含量分析。

表6展示了B40的特性。B40的十六烷值为54，密度为860.6 kg/m3，粘度为3.546 mm2/s，闪点为69°C。

表6. B40的特性与印度尼西亚规定的限值对比
| 参数 | 单位 | 限制 | 测试结果 | 最小值 | 最大值 |
|-----------------|-----------|------------|------------|---------|----------|
| B40 | 密度（15°C） | 815 | 880 | 856.7 |
| 运动粘度（40°C） | mm2/s | 253.3 | 253.3 |
| 十六烷值 | ?5 | ?54.9 | 494 |
| 硫含量 | %质量 | ?0.2 | 0.07 | 90 |
| 蒸馏温度 | °C | ?37 | 340 | 340 |
| 水分含量 | mg/kg | ?38 | 220 | 220 |
| FAME含量 | %体积 | 40 | 40.18 |
| 强酸值 | mg KOH/g | 0 | 9 | 0 |
| 总酸值 | mg KOH/g | ?0.6 | 0.2 | 10 |
| 润滑性 | micron | ?46 | 245 | 245 |
| （HFRR磨损痕迹直径60°C） | 11 | 11 |
| 热值： | •高热值（MJ/kg） | ?39.6 | 39.6 |
| •低热值（MJ/kg） | ?38.6 | 38.6 |

3.3. 初始性能测试
在耐久测试之前，测试了燃料在不同负荷下对发动机性能的影响。测试的参数包括发动机扭矩、功率输出和特定燃油消耗量（SFC）。

图3显示，使用MRPO和B40作为燃料的柴油发动机在扭矩和功率方面没有显著差异。MRPO燃料发动机的最大功率在3.508 rpm时达到27.51 kW，最低功率在1.846 rpm时达到14.11 kW。B40燃料发动机的最大功率在3.684 rpm时达到28.90 kW，最低功率在1.782 rpm时达到14.06 kW。每种燃料的耐久测试前都进行了两次类似测试，结果没有显著差异。这种重复次数（每种燃料两次）不允许进行正式的统计分析，包括标准偏差、测量不确定性或误差范围估计。因此，结果应被视为性能趋势，而不是经过统计验证的结论。这种局限性是一个重要缺点，符合1050小时耐久测试的实际限制，但不足以完全证明结果的普遍性。这种差异归因于B40较低的粘度，这可能减少了由于点火延迟造成的能量损失。高粘度燃料会增加制动SFC（BSFC），因为发动机内部的摩擦力更大[43]。粘度增加会导致更大的粘性摩擦力，可能影响燃油喷射器和其他发动机部件的动力学[5][44][45][46]。然而，在使用MRPO时没有观察到显著的延迟。因此，两种燃料的功率输出没有显著差异。

图4显示了两种燃料在不同负荷下的SFC数据。MR所有关于燃烧行为的机械解释都严格来说是定性的，并基于文献推论，并非通过实验验证。尽管缺乏这种诊断工具是大规模耐久性研究设计中的一个实际限制，但未来需要结合使用高速压力传感器和热释放率（HRR）分析的工作，以确认喷射和混合的负面影响假设，并量化MRPO和B40之间的点火延迟差异[53][54]。B40导致燃料消耗减少的主要原因是其粘度较低、十六烷值较高以及热值较高。先前的研究表明，B40的特性会促进更好的燃烧，从而减少燃料需求。对于植物油衍生的燃料来说，仅凭闪点不足以解释燃料消耗的趋势；主要机制包括喷雾破碎、蒸发、空气掺混以及与高粘度含氧燃料相关的能量密度惩罚。这一解释与直接使用植物油的文献完全一致，其中效率损失主要是由喷射和混合的负面影响造成的，而不是由燃烧不稳定性的影响[14][15]。

3.4 耐久性测试
进行了耐久性测试，以检验燃料的兼容性和性能，并监测其对柴油发动机及其温度的影响。测量了侧间隙环、环间隙和圆柱形衬套的优值评分，以及发动机不同部位的沉积物重量。

3.4.1 发动机性能
图5显示了使用MRPO和B40作为燃料的柴油发动机的扭矩和功率。两种发动机的扭矩差异可以忽略不计。然而，它们的功率差异显著，这归因于MRPO和B40的燃料特性差异，如粘度和热值[55][56][57]。

在实验进行到250、500、750、1000和1050小时后，进行了有限的性能测试。这些测试旨在监测发动机的功率、扭矩和燃油消耗率（SFC）。如图6所示，使用MRPO燃料的柴油发动机的性能指标低于使用B40燃料的柴油发动机。平均扭矩和功率分别下降了0.84%和5.74%。燃油消耗率增加了7.93%。

图5. 在100%负载性能测试中，使用MRPO和B40作为燃料的柴油发动机的扭矩。
在50°C时，MRPO的粘度为28.688 cSt，远高于B40在40°C时的3.39 cSt。使用高粘度燃料（如MRPO）的柴油发动机的燃油效率和功率输出通常低于使用标准柴油的发动机。这可能是由于MRPO的较高粘度影响了燃料的雾化和与空气的混合，导致燃烧不完全，增加了燃油消耗率和制动热效率的降低[58][59][60]。另一个问题是MRPO的热值较低。MRPO的低热值（LHV）为39.652 MJ/kg，而B40的热值（HHV）为38.607 MJ/kg。对于柴油发动机而言，较低的LHV或HHV意味着每单位质量的燃料所含可用能量较少，从而导致发动机燃油效率和功率输出降低。关于柴油发动机中生物柴油混合物的研究表明，随着LHV的降低（生物柴油含量增加），制动热效率下降，燃油消耗率增加[61]。同样，当使用氢气混合物等替代燃料时，优化以提高LHV可以提高发动机性能，包括改善制动热效率和减少燃油消耗[62]。

3.4.2 发动机温度
评估了发动机某些部件和 consumables 的温度，以确定这两种燃料对发动机磨损和性能的影响。特别是评估了发动机排气口、机油和冷却液的温度。
图7显示，使用MRPO和B40作为燃料的柴油发动机排气口之间的温差为5.54%，这个差异并不显著。因此，使用MRPO燃料的柴油发动机的排气温度并未超过正常运行范围内柴油发动机的临界排气温度650–700°C[63]。

图8显示了两种燃料运行时发动机机油温度的差异为5.48%，这个差异不显著，且低于通常用来表示次优燃料的150–200°C范围[65][66]。
柴油发动机中较高的机油温度可能表明存在燃料污染问题，如燃烧不良或泄漏。燃料与机油的混合，尤其是在高温（高达200°C）下，会加速机油氧化，降低机油质量并减少保护作用，从而导致更多的磨损和可能的发动机故障[65][66][67]。定期检查机油粘度和闪点可以及早发现燃料污染问题，因为在高温下这些值的急剧下降通常表明燃料质量较差或燃料系统存在问题[67]。
图9显示了使用MRPO和B40作为燃料的柴油发动机冷却液进出口之间的温差。使用B40作为燃料的柴油发动机冷却液进出口温差为4.74%，高于使用MRPO作为燃料的柴油发动机（4.66%）。

图10显示，在1050小时的耐久性测试前后，侧间隙环尺寸的变化。使用MRPO和B40作为燃料的柴油发动机侧间隙环尺寸的变化可以忽略不计。然而，使用B40作为燃料的柴油发动机中的第2个环尺寸略有减小。这表明长期使用B40会导致侧间隙环尺寸减小。
图11显示，在1050小时的耐久性测试前后，环间隙的变化没有显著差异，表明这两种燃料适用于柴油发动机。

图12显示，使用MRPO和B40作为燃料的柴油发动机气缸衬套尺寸的变化趋势没有显著差异。长期使用这两种燃料都可能导致气缸衬套尺寸显著增大。
图13显示了使用MRPO和B40作为燃料的柴油发动机进气（图13a）和排气（图13b）阀门的沉积物情况。后者的进气阀沉积物（IVD）较少；然而，前者的排气阀沉积物（EVD）较少。这些沉积物主要由碳、氧、硼、铝、溴和铅组成，来源于燃料、机油和发动机部件，其中含有有机和无机元素[90]。润滑不良、机油分解以及受污染的燃油添加剂会加速沉积物的积累[90]。燃油质量起着关键作用——富含芳香烃或烯烃的燃油会增加沉积物的形成，而添加剂或改进的燃油混合物可以减少沉积物[82]。芳香烃主要在活塞和缸壁上形成碳残渣，而烯烃则会导致进气阀沉积物的产生[82]。低质量或受污染的燃油会加剧沉积物的形成，导致发动机磨损加快、性能下降和排放增加[70][79]。如图15所示，使用MRPO燃料和B40燃料的柴油发动机中的喷射器沉积物差异并不显著。然而，前者的沉积物积累更为严重。先前的研究表明，生物柴油和植物油混合物由于其较高的粘度和易氧化的特点，更容易形成沉积物[91][92]。尽管这两种原料在沉积物形成方面没有明显差异，但MRPO仍然显示出作为B40替代品的巨大潜力。

总体而言，1050小时的观察结果与耐久性文献一致，表明生物柴油或植物油衍生的燃油不一定会导致严重的缸套或活塞环磨损，尽管沉积物的化学成分和与润滑剂的相互作用可能与柴油不同。Sinha和Agarwal[27]报告称，长时间使用生物柴油可以减少某些缸内部件的磨损，而最近的润滑剂诊断研究指出，适量的生物柴油成分可以抑制由烟尘引起的机油变稠效应，但如果润滑剂配方不合适，高氧化性的燃油可能会增加氧化应力。当前的结果将MRPO置于这种中间状态：沉积物比B40略多，但没有观察到严重的不兼容性。

3.4.4 润滑剂降解
新鲜的润滑剂基线数据显示，该机油最初具有适合耐久性运行的储备碱度和热稳定性，运动粘度在40°C时为133.2 cSt，在100°C时为13.83 cSt，粘度指数为99，闪点为246°C，TBN为10.8 mgKOH/g，Ca质量分数为0.475%，Zn质量分数为0.083%。在使用MRPO运行后，表7中的废机油结果显示，粘度在750小时内基本保持不变，仅在测试末期分别增加到40°C时的141.3 cSt和100°C时的14.96 cSt，而粘度指数仅从104略微上升至106。这种行为表明是后期由于氧化产物和悬浮的碳质物质导致的变稠，而不是润滑剂突然失效[37][93]。

表7. 使用MRPO燃料的柴油机的润滑剂降解研究

参数 测试结果 250小时 500小时 750小时 1050小时
40°C时的运动粘度 (cSt) 132.4 132.1 131.4 141.3
100°C时的运动粘度 (cSt) 14.1 14.16 14.25 14.96
粘度指数 -104 105 106 106
闪点 (°C) 246 240 244 242
总碱值 (mgKOH/g) 10.3 10.4 10.1 10.26
总酸值 (mgKOH/g) 1.21 1.27 8 1.27 5 1.17
金属含量 (Ca%) 0.492 0.568 0.393 0.511
(Mg%) N/A N/A N/A N/A
(Zn%) 0.086 0.086 0.084 0.085
金属磨损 (Fe ppm) 85.8 69.9 8 4.5 7
(Cr ppm) 21.3 20.9 24.1 2.5
(Al ppm) 2.4 1.5 1.7 1.4
燃油稀释率 (%) 4.9 24.9 14.08 4.89
戊烷不溶性 (g) 0.027 6 0.024 4 0.022 7 11
甲苯不溶性 (g) 0.011 2 0.008 3 0.008 9 0.012 4
水分含量 (ppm) 147.8 180.2 133.8 144.2
康拉德森碳残渣 (%) 2.199 22.249 1.796 53.566

在整个测试过程中，润滑剂的酸碱平衡相对稳定。TBN保持在10.1–10.4 mgKOH/g范围内，TAN保持在1.171–1.278 mgKOH/g范围内，而闪点保持在240–244°C。燃油稀释率在4.08–4.92%的范围内。在最近的生物柴油润滑剂研究中，严重的生物柴油污染或氧化通常伴随着TBN的显著下降、TAN的增长以及粘度的明显变化。因此，本研究中相对不变的TBN/TAN比例表明，在1050小时的运行时间内，MRPO对曲轴箱机油没有造成严重的酸性降解，尽管在耐久性测试结束时出现了一些氧化引起的粘度增加[38][93]。金属磨损浓度也保持在适度范围内，没有随着运行时间的增加而呈单调上升趋势：Fe在69.9至85.8 ppm之间变化，Cr在20.9至24.1 ppm之间变化，Al在1.4至2.4 ppm之间变化。同样，Ca和Zn添加剂的含量也基本保持不变，表明洗涤剂/分散剂和抗磨剂成分在很大程度上得到了保留。戊烷不溶性物质（0.0227–0.0276 g）、甲苯不溶性物质（0.0083–0.0124 g）和水分（133.8–180.2 ppm）的含量较低，尽管在1050小时时康拉德森碳残渣含量上升至3.566%。这种组合表明润滑剂接近可接受的烟尘/氧化负荷极限，但尚未出现严重的添加剂失效或异常的磨损现象。最近的废机油分析框架也将粘度增加与烟尘/氧化途径联系起来，而Fe和Cr则更直接地与机械磨损过程相关[37]。

从发动机摩擦学的角度来看，润滑剂数据集支持了之前报告的物理检查结果。使用MRPO时观察到的轻微更高的沉积物与测试结束时碳残渣和粘度的增加是一致的，然而TAN没有显著增长，添加剂和金属浓度稳定，以及金属磨损程度适中，表明MRPO没有引发严重的腐蚀性或擦伤相关的润滑问题。这一点很重要，因为基于棕榈油的润滑剂和燃料经常面临热氧化稳定性的挑战；然而，最新的棕榈油基润滑剂研究也表明，当氧化变稠控制在可管理范围内时，可以保持良好的润滑性能[94]。总体而言，润滑剂特性数据强化了MRPO可以在长时间运行中用于固定式柴油机，并且如果定期监测机油状态，润滑剂降解是可以控制的这一结论。

3.5 排放分析
柴油机中的燃烧过程会产生各种排放物。测量了包括O2、CO2、CO、λ和NOx在内的排放物及其浓度。排放物概况是根据2009年环境与林业部的Bill 4标准进行的评估[39]。
表8显示，MRPO和B40产生的气体排放物概况大致相当。相对于MRPO，B40的废气O2从12.3%增加到12.5%（+1.6%），CO2从6.2%增加到6.4%（+3.2%），而CO保持在94 ppm不变，校正后的CO（CO ref）从228 ppm降低到223 ppm（-2.2%），过空气比例（λ）从2.43降低到2.37（-2.5%），NOx仅从289 ppm变化到288 ppm（-0.35%）。这些微小的变化支持B40在测试工作周期下仅略微改善了燃烧效果的解读。这种变化幅度低于文献中常见的生物柴油与柴油之间的平均变化幅度：例如，B20通常与NOx增加约2.4%、PM减少约8.9%、CO减少约13.1%、VOC减少约17.9%相关，而B100则与NOx增加约13.2%、PM减少约55.3%、CO减少约42.7%、VOC减少约62.0%相关[95]。

同时，先前的研究表明，生物柴油通常含有约10–11%的氧含量，十六烷值在50.8–66.9之间，而柴油的十六烷值大约在47–56.8之间，运动粘度大约在3.45–16.23 mm2/s之间，许多常见的生物柴油的粘度集中在4.0–5.3 mm2/s范围内。这些范围从机制上解释了当前的趋势：更高的氧含量和十六烷值通常可以缩短点火延迟并促进更完全的氧化，而更高的粘度则会恶化喷雾雾化并抵消部分氧化带来的好处[96]。因此，B40在NOx上的微小差异以及校正后CO仅减少2.2%表明，其在雾化质量和点火效果上的改进是真实的，但幅度有限，尤其是因为两种测试燃料都是基于棕榈油制成的，因此已经含有氧。这一解读与已发表的生物柴油混合物研究一致，这些研究报道在低混合比例下HC减少了9.86–22.32%，CO减少了约28–32%，NOx增加了约3.3–8.9%，同时指出最终结果强烈依赖于发动机校准、负荷和原料化学性质[14][15][26][95][96][97][98][99]。

最显著的差异是不透明度：MRPO的不透明度仅为3.5%，而B40的不透明度为13.3%，几乎是前者的四倍。这表明尽管MRPO的粘度较高，但其燃烧产生的颗粒物烟雾较少。这一发现与先前的研究结果一致，即粘度并不是导致雾化不良的唯一因素。燃烧过程中的空气-燃料混合也会影响雾化效果[100]。MRPO的λ（2.43）略高于B40（2.37），表明燃烧稍微偏瘦，这通常与较低的颗粒物形成相关，也与观察到的较低不透明度一致[101]。这一发现与先前的研究一致，即高粘度的植物基燃料由于其含氧化学结构和缺乏芳香族化合物，产生的烟雾较少[102][103]。与传统柴油不同，这些替代燃料含有较多的分子内氧（通常为10–11% w/w），这有助于促进更清洁的燃烧过程并增强烟尘颗粒的氧化[102][103]。此外，植物燃料通常缺乏多环芳烃（PAHs），这些是烟尘形成的主要前体，从而降低了它们产生烟雾的倾向[102][103]。从机械角度来看，通过超高压喷射和先进的喷嘴几何结构，可以缓解高粘度对燃油雾化的潜在负面影响。虽然高粘度会阻碍液体的分解，但将喷射压力提高到300 MPa的水平有助于克服这些流变特性，减小燃油滴的Sauter平均直径（SMD），并促进更好的空气掺入。具体来说，使用高压下的旋流喷嘴通过产生旋转运动将较重的液滴转化为细雾，从而提高热量释放率和更完全的燃烧，显著降低净烟尘形成和排气不透明度[102][103]。

对排放数据的解释需要认识到固有的测量不确定性。发动机排放测试中常用的废气分析仪的典型仪器精度为O2、CO2、CO和NOx的±2–5%满量程，不透明度的±5%读数。将这些容差应用于当前数据集，两种燃料的CO读数94 ppm都在大约±5 ppm的相互不确定性范围内，这意味着在没有重复测试的情况下，无法将CO排放的表观相等性视为统计上的确定结果。同样，NOx的1 ppm差异（289 vs 288 ppm）也在仪器噪声范围内，因此没有实际意义。校正后的NOx值（702 vs 684 ppm，相差18 ppm或2.6%）虽然有所区分，但仍处于校正因子应用和分析仪漂移的综合不确定性范围内。CO2和O2的变化（各自+0.2个百分点）也在分辨率范围内。相比之下，MRPO与B40之间的不透明度差异为3.5% vs 13.3%，比例为3.8:1，远远超出了任何合理的仪器不确定性，因此可以被视为真实且有根据的发现。未来的工作应报告每种燃料至少三次重复测试的标准偏差，以量化每个排放参数的变异系数并建立统计上可行的置信区间。

本研究中观察到的排放趋势可以通过测试燃料的物理化学性质来合理解释。三个燃料参数具有很强的预测性：氧含量（wt%）、十六烷值（CN）和运动粘度（40°C时的mm2/s）。B40混合物中的生物柴油通常含有10–11%的分子内氧，十六烷值在50.8–66.9之间，运动粘度大约在4.0–5.3 mm2/s之间。作为精炼程度较低的棕榈油，MRPO保留了较高的游离脂肪酸和甘油酯成分，导致粘度较高（粗棕榈油在40°C时的粘度通常为27–40 mm2/s），但氧含量接近11% wt%。生物柴油的较高十六烷值缩短了点火延迟，减少了预混合燃烧部分，从而抑制了NOx的促进效应，这与此处观察到的几乎相同的NOx读数一致。然而，MRPO的较高粘度降低了喷雾雾化质量，产生了较大的液滴（较高的Sauter平均直径）和较长的蒸发时间，最终形成了较为贫瘦的混合物，这由较高的λ（2.43）得到证实。尽管存在这种雾化劣势，但这种贫瘦的混合物促进了更多烟尘前体的完全氧化，从而显著降低了不透明度。B40混合物由于粘度较低和更好的雾化效果，反而产生了更密集的烟雾（13.3%），这可能是因为较高的混合燃烧强度产生了更多的中间烟尘颗粒，在测试的发动机负荷条件下这些颗粒没有完全氧化。这种行为与柴油燃烧中已建立的烟尘-NOx权衡关系一致，并强调了在不同燃料类型之间切换时优化喷射策略的重要性。

本研究的结果可以与已发表的关于替代植物油基柴油燃料的研究结果进行对比。[104]报告称，在稳态发动机运行条件下，B20–B50混合物的烟尘减少了22–47%。这与MRPO的较低不透明度方向一致，但与本研究中B40的较高不透明度形成对比，表明原料化学性质和精炼程度都会影响颗粒物的形成。对于麻风树油混合物的研究记录显示，与矿物柴油相比，B20混合物的CO排放量减少了15-28%，而NOx排放量增加了4-9%；而目前的B40混合物与MRPO相比几乎没有NOx变化，这可能是因为这两种燃料都来源于棕榈油[105]。对于直接使用的粗植物油（类似于MRPO），Agarwal等人发现，在相同的加注率下，Karanja油的λ值比矿物柴油高6-8%，这一发现与当前数据中MRPO相对于B40的λ值高出2.5%的结果极为吻合[106][107]。关于不透明度，Muralidharan和Vasudevan报告称，在额定负载下，B25级别的废弃食用油生物柴油的烟雾不透明度为4.1%，这一数值与此处测得的MRPO的3.5%非常接近，这进一步证明了含氧且不含多环芳烃（PAH）的燃料基质能够抑制不同原料来源的颗粒物排放[108][109]。总体而言，已发表的文献支持这样的解释：MRPO相对于B40的不透明度优势在机制上归因于其在燃烧点具有更高的氧碳比以及不含芳香烃；而其几乎相同的气体排放特性则反映了这两种棕榈油衍生燃料的相似十六烷值和质量组成。这些跨研究比较强调了需要标准化测试协议的重要性，包括发动机转速、负载、喷射压力和环境条件，以便对替代燃料进行严格的对比分析。

4. 结论

本研究介绍并验证了一种通过专利发明的煅烧石灰石（CaO/Ca(OH)2）碱性前驱体路线生产出的新型低精炼棕榈油（MRPO），作为技术上可行且加工环节较少的柴油发电燃料，并在1050小时的耐久性测试中与印度尼西亚政策规定的B40参考燃料进行了对比。主要结论如下：

首先，通过使用确认Hammett碱度为H_= 15.0–18.4的CaO/Ca(OH)2碱性前驱体，该煅烧石灰石精炼工艺显著提升了燃料质量：酸值降低了96%（从10.95毫克KOH/克降至0.41毫克KOH/克），磷含量降低了99%（从60毫克/千克降至0.83毫克/千克），运动粘度降低了29%（相对于原始棕榈油）。该工艺的能量消耗为0.66 MJ/升，大约是传统的酯交换法棕榈生物柴油生产能耗（20–25 MJ/升）的1/30，单位成本约为1.4美元/千克，相比传统的生物柴油生产路线（4.77–12.53美元/千克）具有明显优势，为棕榈油生产区域采用这种燃料提供了强大的经济合理性。

其次，MRPO满足了印度尼西亚所有主要的生物燃料规范（SNI/MEMR标准），并在6300升的生产测试中成功应用，证实了该专利试点工艺在实际生产条件下的可扩展性和重复性。

第三，在1050小时的发电机运行过程中，MRPO提供的扭矩与B40相比仅有0.84%的差异，功率损失为5.74%，燃油消耗增加了7.93%。这些差异在机制上可归因于MRPO相对于B40较高的运动粘度（50°C时为28.688 cSt）和较低的发热值（38.607 MJ/千克 vs 41.67 MJ/千克）。这些影响与直接使用植物油的文献结果一致，表明不存在燃烧不稳定性问题。

第四，MRPO在排放物方面表现出统计学上显著的优势：其排气不透明度降低了3.8倍（B40为3.5% vs MRPO为0.35%），这是本研究最重要的环境效益。这一优势归因于MRPO含氧且不含PAH的化学结构以及较稀薄的燃烧特性（λ = 2.43 vs B40的λ = 2.37），这些因素共同促进了更完全的烟尘氧化。两种燃料的气体排放物（NOx、CO）基本相当且均在规定范围内，表明MRPO的主要限制不在于燃烧清洁度，而在于粘度相关的影响。

第五，对润滑油的分析显示，在五个采样时间点内，润滑剂的降解情况可控：40°C时的运动粘度仅从132.4 cSt上升至141.3 cSt；TBN值稳定在10.1–10.4毫克KOH/克；TAN值保持在1.171–1.278毫克KOH/克；磨损金属（Fe、Cr、Al）没有呈单调增长趋势；添加剂金属（Ca、Zn）的浓度基本保持不变。尽管观察到了后期氧化导致的粘度增加和碳残留物增长，但TAN值的稳定性和添加剂的完好性表明MRPO没有引起严重的润滑剂腐蚀或磨损问题。

第六，对活塞环、气缸套、阀门、活塞销和喷油器的测试后检查显示，这些部件没有出现灾难性的不相容性现象；活塞环间隙和气缸套的磨损趋势与B40相当，沉积物水平也仅略有增加——这与燃料中低灰分含量（<0.01%质量残余钙）和可控的润滑剂氧化程度一致。综合来看，这些结果表明MRPO是一种适合棕榈油生产区域分布式发电的优质低精炼棕榈油燃料，其颗粒物排放特性优于印度尼西亚的B40标准，同时生产成本和加工能耗也更低。

为了推动MRPO的更广泛商业应用，未来的工作应优先考虑以下几个方面：(i) 内缸燃烧诊断，包括高速压力测量和热释放率分析，以量化点火延迟和雾化损失；(ii) 颗粒物（PM）的定量表征，包括粒径分布和化学组成；(iii) 基于正式不确定性量化的性能映射研究；(iv) 对最终燃料进行ICP-OES金属分析，以确定残留碱物种的成分；(v) 对MRPO生产链进行全面的技术经济和生命周期能量评估，以证明其在商业规模上的可持续性优势。

**作者贡献声明：**

B.G. Yudanto：撰写初稿、数据可视化、验证、资源管理、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构思。F.R. Panjaitan：概念构思、正式分析、资金筹集、研究设计、方法论制定、项目管理、监督工作、验证以及审稿和编辑。H. Ambarita：方法论制定、监督工作、验证以及审稿和编辑。T.B. Sitorus：撰写内容、审稿和编辑工作、验证以及监督工作、方法论设计。