基于丁醇富集、纳米CuO催化与氢补充的Murraya Koenigii生物柴油发动机燃烧优化与排放控制研究

《Results in Engineering》：Performance Optimization and Framework Enhancement of Balanced Asphalt Mixtures Modified with Liquid Anti-Stripping Additives

本研究针对生物柴油在压燃式发动机中存在的燃烧效率低、污染物排放高等问题，开展了丁醇富集、绿色合成氧化铜纳米颗粒与氢气补充对Murraya Koenigii生物柴油协同增效作用的系统研究。结果表明，在反应活性控制压燃模式下，B20+10%丁醇+100 ppm CuO+10 LPM H2最优组合可使制动热效率提升至35.43%，同时显著降低CO（58%）、NOx（12%）和烟度（27%），为清洁高效生物柴油发动机技术提供了创新方案。

　　

随着全球对能源安全和环境保护的日益重视，寻找可再生的清洁替代燃料已成为内燃机领域的重要研究方向。生物柴油作为一种前景广阔的替代燃料，因其可再生性和生物降解性受到广泛关注。然而，生物柴油在实际应用中仍面临诸多挑战：其较高的粘度会影响雾化效果，较低的能量密度可能导致动力输出不足，且其燃烧过程往往伴随着氮氧化物排放增加的问题。这些技术瓶颈严重制约了生物柴油在现有发动机中的大规模推广应用。

为了突破这些限制，研究人员不断探索各种改进策略。在《Results in Engineering》发表的这项研究中，印度Rajalakshmi理工学院机械工程系的Vijai C、M. Dinesh Babu、M.Naresh Babu、Kulmani Mehar、Ritesh Pratap Singh和Kamakshi Priya K组成的研究团队，创新性地将三种改进方法——丁醇富集、绿色合成氧化铜纳米颗粒添加和氢气补充——进行有机结合，系统评估了它们对Murraya Koenigii（咖喱叶种子）生物柴油在压燃式发动机中燃烧特性和排放性能的协同增强效果。

本研究采用了几项关键技术方法：首先通过环境友好的绿色合成路线制备铜氧化物纳米颗粒，使用芦荟叶提取物作为还原剂和稳定剂；其次系统制备了不同配比的生物柴油混合燃料，包括B20（20%生物柴油+80%柴油）、含10%丁醇的B20以及添加50 ppm和100 ppm CuO纳米颗粒的复合燃料；最后在单缸四冲程直喷式压燃发动机上，分别测试了传统直喷模式和反应活性控制压燃两种工作模式下，不同燃料组合的燃烧特性、性能参数和排放指标。

3.1. 燃烧特性

通过分析缸内压力和放热率的变化，研究人员发现CuO纳米颗粒的催化作用能显著改善燃烧过程。在直喷模式下，B20+10%丁醇+100 ppm CuO组合的放热率峰值达到4.4 kJ/°CA，表明纳米颗粒促进了更充分的燃料氧化反应。在RCCI模式下，氢气的加入使燃烧过程更为平稳，放热率曲线更为缓和，峰值降至2.4 kJ/°CA，体现了氢燃料对燃烧稳定性的积极影响。

3.2. 性能特性

制动热效率是衡量发动机能量转换效率的关键指标。研究结果显示，在传统直喷模式下，最优生物柴油组合的BTE为33.6%，略高于纯柴油。而在RCCI模式下，随着氢气流量的增加，BTE呈现明显上升趋势，B20+10%丁醇+100 ppm CuO+10 LPM H₂组合在满负荷条件下达到35.43%的最高效率，比传统柴油提高了近5%。同时，该组合的燃油消耗率降至0.24 kg/kWh，显示出优异的燃油经济性。

3.3. 排放特性

排放测试结果尤为令人鼓舞。在RCCI模式下，最优燃料组合的CO排放量比基础B20生物柴油降低了58%，CO₂排放降低了3%，NOx排放减少了5%，烟度不透明度下降了27%。这些改善主要归因于丁醇的富氧特性、CuO纳米颗粒的催化作用以及氢气的高扩散性和快速火焰传播特性的协同效应。值得注意的是，在高氢气流量条件下，由于局部混合不均匀，HC排放有所增加，这提示我们需要对氢气供给策略进行进一步优化。

研究的创新之处在于首次将丁醇富集、纳米催化剂和氢气补充三种技术整合在一个研究框架内，并在两种燃烧模式下进行对比评估。特别值得一提的是，研究人员采用了绿色合成方法制备CuO纳米颗粒，避免了传统化学方法可能带来的环境问题，符合可持续发展的理念。

通过对实验数据的详细分析，研究团队得出了明确结论：RCCI燃烧模式结合B20+10%丁醇+100 ppm CuO+10 LPM H₂的最优燃料组合，能够实现燃烧效率与排放性能的最佳平衡。这一配置使制动热效率提升至36%，同时大幅降低主要污染物排放，其中CO降低58%，NOx降低12%，烟度降低27%。

这项研究的意义不仅在于提出了一种高效的生物柴油改性方案，更重要的是展示了多种技术协同作用的巨大潜力。通过精心设计的燃料组合和燃烧策略，研究人员成功克服了生物柴油固有的若干缺陷，为生物柴油在现有发动机平台上的推广应用提供了切实可行的技术路径。研究结果对推动交通运输领域的能源转型和减少碳排放具有重要的参考价值，特别是在对空气质量要求日益严格的背景下，这种低排放、高效率的燃烧方案显得尤为可贵。

当然，研究也存在一定的局限性，如只测试了两种氢气流量，未探索更广泛的优化空间；仅使用一种生物柴油原料，不同原料的结果可能有所差异。这些都为未来的研究指明了方向，包括优化氢气供给策略、探索其他纳米添加剂的效果、进行长期耐久性测试以及在实际驾驶工况下验证技术可行性等。

总体而言，这项研究通过多技术融合的创新思路，为生物柴油的高效清洁利用提供了重要技术支撑，展示了可再生能源与先进发动机技术结合的巨大潜力，对推动可持续能源发展和减少交通运输领域碳排放具有积极意义。