基于期望值法的CI发动机性能与Croton Macrostachyus生物柴油混合燃料多目标优化研究

本研究针对生物柴油在压燃式(CI)发动机应用中存在的性能与排放矛盾问题，通过实验探究了喷射正时(26-28°CA)、生物柴油掺混比(B0-B25)和发动机转速(1700-2900 RPM)对Croton macrostachyus(CMS)籽油甲酯燃料的制动热效率(BTE)、制动比油耗(BSFC)及NOx、CO2排放的影响。采用中心复合设计(CCD)和期望值法进行多目标优化，获得最佳参数组合(B22.6掺混比、28°CA喷射正时、2306 RPM)，实现了性能与排放的平衡优化。

　　

在全球能源安全压力和原油储量有限的背景下，开发可持续的替代燃料成为当务之急。生物柴油作为压缩点火(CI)发动机的 prominent 可再生替代品，因其可从多种可再生原料生产而备受关注。然而与传统柴油相比，生物柴油存在热值较低、粘度较高、密度较大等缺点，直接影响发动机性能和排放特性。Croton macrostachyus(CMS)作为一种新兴的第二代生物柴油原料，在埃塞俄比亚等地区广泛分布，其种子含油量高达45-53%，具有显著开发潜力。但关于CMS生物柴油发动机特性的实验研究十分有限，特别是喷射正时(IT)、发动机转速和掺混比等多参数协同优化研究尚未见报道。

Sustainable Energy Center of Excellence的研究人员Adem Siraj Mohammed等开展了这项创新研究，论文发表在《Results in Engineering》。研究团队通过实验探究了三个关键操作参数——喷射正时(26、27和28°CA bTDC)、生物柴油掺混比(B0-B25)和发动机转速(1700-2900 RPM)对单缸CI发动机性能和排放的影响。采用中心复合设计(CCD)构建实验矩阵，通过响应面法(RSM)建立预测模型，并应用期望值法进行多目标优化，最终确定了最优参数组合。

研究采用的主要技术方法包括：使用EDIBON TBMC 8型发动机测功机测试系统进行性能测试；通过改变燃油喷射泵体下方的垫片厚度精确控制喷射正时(0.1mm垫片对应1°CA变化)；采用Seitron S500废气分析仪测量CO₂和NOx排放；基于Kay混合规则计算混合燃料的理化性质；采用中心复合设计安排20组实验(包括8个立方点、6个轴向点和6个中心点重复)；通过响应面法建立二次多项式模型预测各响应参数。

在发动机性能特性方面，研究发现：在喷射正时与生物柴油掺混比的交互作用下，28°CA的提前喷射正时配合B5-B25掺混比可获得最高BTE(28%)；在发动机转速与掺混比交互作用中，1800-2000 RPM转速区间配合B10-B25掺混比可获得最低BSFC(0.400 kg/kWh)；通过将喷射正时从标准27°CA提前至28°CA，在2300 RPM转速下BSFC降低了30.7%。

在排放特性方面，研究显示：NOx排放呈现复杂变化规律，在2300 RPM转速下，B25掺混比配合28°CA提前喷射可使NOx比纯柴油降低19.06%；而在1700-1900 RPM转速范围内，NOx排放显著降低44.4%(从45 ppm降至25 ppm)；CO₂排放随转速增加而升高，但随掺混比增加而降低，在标准喷射正时27°CA下达到最大值。

通过期望值法进行多目标优化，研究获得了最佳参数组合：22.6%生物柴油掺混比、28°CA喷射正时和2306 RPM发动机转速。在此条件下，BTE达到28.02%，BSFC为0.471 kg/kWh，NOx排放35 ppm，CO₂排放4.6% vol.，综合期望值达到0.6513。实验验证显示预测值与实测值平均误差仅为1.92%，证实了模型的可靠性。

这项研究的重要意义在于：首次系统研究了CMS生物柴油在CI发动机中的应用特性，填补了该领域研究空白；通过多参数协同优化，解决了生物柴油应用中性能与排放的 trade-off 问题；提出的优化方案可直接指导发动机参数调整，促进CMS生物柴油的实际应用。研究结果为新型生物柴油的发动机适配性优化提供了重要参考，对推动可再生能源在交通运输领域的应用具有重要价值。未来研究可进一步考察CMS生物柴油长期使用对发动机耐久性的影响，并开展全生命周期分析和经济性评估。