废食用油生物柴油-氢燃料协同策略对压燃式发动机性能及排放特性的优化研究：多目标权衡分析

本研究针对废食用油生物柴油(WCB)在压燃式(CI)发动机中因高粘度导致的燃烧延迟和排放增加问题，创新性地采用五种氢(H2)喷射策略进行优化。通过系统研究燃料喷射定时(FITs)和H2配比，发现12° bTDC工况下WCBH5组合可实现BSHC(54.75%)、BSCO(44.77%)和BSPM(43.62%)的显著减排，同时提升制动热效率(ηbth)。该研究为开发符合严格排放标准的柴油替代方案提供了关键技术路径。

　　

研究背景与意义
在21世纪能源转型背景下，压燃式(CI)发动机仍主导重型运输领域，但传统柴油燃料的进口依赖性和高碳排放成为制约发展的双重瓶颈。废食用油生物柴油(WCB)虽具环保优势，但其高粘度特性导致燃烧效率低下，引发BSHC、BSCO等排放增加。与此同时，氢能因其零碳特性被视为理想补充燃料，但现有研究缺乏对WCB-H₂协同效应及燃料喷射定时(FITs)优化的系统探索。

由印度理工学院工程学院团队开展的本项研究，创新性地将WCB生产优化、H₂喷射策略与多目标决策方法(TOPSIS)相结合，在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究成果显示：采用12° bTDC FIT的WCBH5组合可实现燃烧效率与排放控制的完美平衡，为清洁重型动力系统提供了可工业化应用的解决方案。

关键技术方法
研究采用三阶段技术路线：(1)通过响应面法优化WCB生产工艺，获得97.6%转化率；(2)在水冷单缸CI发动机上测试8°-16° bTDC区间FITs；(3)结合五种H₂流量(0-4 LPM)开展双燃料实验，采用TOPSIS模型进行多参数决策分析。

主要研究结果

1. 生物柴油生产
   通过甲醇-油比、反应时间和催化剂用量的多参数优化，建立最高产率97.6%的WCB生产工艺，为后续发动机实验提供基础燃料。

2. 制动热效率与能耗
   WCB100因高粘度导致η_bth降低9.2%，BSEC增加15%。引入4 LPM H₂后，η_bth提升23.7%，归因于H₂的高火焰速度(2.9 m/s)改善了燃烧扩散相。

3. 排放特性
   16° bTDC工况下，WCBH4使BSNO_X激增58%，但12° bTDC的WCBH5实现最佳平衡：BSHC(54.75%)、BSCO(44.77%)和BSPM(43.62%)同步下降，这得益于H₂的淬火距离(0.64 mm)促进完全燃烧。

4. η_bth-BSNO_X-BSPM权衡
   TOPSIS分析显示，12° bTDC的WCBH3方案综合评分最高(0.872)，在η_bth(31.2%)、BSNO_X(1.82 g/kWh)和BSPM(0.14 g/kWh)间取得最优平衡。

结论与展望
该研究证实：通过精确控制H₂掺混比(3-4 LPM)与FITs(12° bTDC)，可有效克服WCB的燃烧缺陷。特别值得注意的是，WCBH5方案在保持柴油级功率输出的同时，使碳基排放降低逾40%，这一突破性进展为发展中国家重型运输的低碳转型提供了关键技术支撑。未来研究可进一步探索H₂直喷技术与不同生物柴油基质的协同效应。