纳米氧化铈协同HHO气体对废塑料热解油在柴油机中的燃烧特性及排放性能的协同增效作用

本研究针对废塑料热解油(WPPO)在柴油机应用中存在的燃烧效率低、污染物排放高等问题，创新性地将纳米氧化铈(CeO2 )添加剂与HHO气体协同应用于P20混合燃料(20%废塑料热解油+80%柴油)。通过系统实验发现，100 ppm CeO2 与HHO联用可使热效率提升14%，同时显著降低CO(22%)、HC(35%)、NOx(26%)和烟度(32%)排放。该研究为废塑料资源化利用和清洁能源开发提供了重要技术路径。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，废塑料热解油(WPPO)作为一种潜在的可再生燃料备受关注。然而，这种"变废为宝"的绿色能源在实际应用中却面临诸多挑战：高粘度导致的雾化不良、低热值引发的燃烧不充分，以及由此产生的大量有害排放。更棘手的是，传统解决方案往往顾此失彼——提升燃烧效率可能加剧氮氧化物(NOx)排放，而控制排放又可能牺牲动力性能。这一"能源-环境"悖论成为制约废塑料燃料化应用的关键瓶颈。

在这一背景下，国内研究人员在《Results in Engineering》发表了一项突破性研究。该团队创新性地提出"纳米催化-气体助燃"双效协同策略，将具有独特氧化还原特性的纳米氧化铈(CeO₂
)与高活性HHO气体(氢氧混合气)相结合，系统探究了其对WPPO/柴油混合燃料(P20)在柴油机中燃烧特性和排放性能的影响。研究结果显示，这种协同作用不仅显著提升了燃料效率，更实现了多种污染物的同步减排，为解决废塑料能源化利用中的关键难题提供了新思路。

研究采用了几项关键技术方法：通过催化热解工艺将低密度聚乙烯(LDPE)废塑料转化为热解油；采用超声辅助法将CeO₂
纳米颗粒(25-100 ppm)均匀分散于P20混合燃料；利用碱性电解槽现场制备HHO气体(0.5 L/min)；在四冲程柴油发动机(1500 rpm)上开展多工况性能测试；结合气相色谱-质谱(GC-MS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析燃料组分；通过高精度排放分析仪测量多种污染物浓度。

研究结果部分呈现了丰富的数据发现：

3.1. 制动燃料消耗率(BSFC)
添加100 ppm CeO₂
并通入HHO可使P20的BSFC降低13%，这归因于纳米颗粒的微爆效应和HHO的高扩散性共同改善了燃料雾化与燃烧效率。

3.2. 制动热效率(BTE)
P20C100+HHO组合使热效率提升14%，得益于CeO₂
的催化活性和HHO的快速火焰传播协同促进了更完全的燃烧。

3.3. 排气温度(EGT)
EGT最高降低18%，表明更多的化学能转化为有用功而非热损失，这与HRR分析中观测到的燃烧相位前移现象相互印证。

3.4-3.7. 排放特性
最具突破性的发现是污染物协同减排效果：CO(22%)、HC(35%)和烟度(32%)的降幅远超简单叠加效应，证实了CeO₂
的表面氧空位与HHO的活性氢原子之间存在协同氧化机制。尤为可贵的是，通常难以兼顾的NOx也实现了26%的减排，这源于HHO的快速燃烧特性缩短了高温持续时间。

3.8-3.9. 燃烧特性
缸压和放热率分析显示，P20C100+HHO的峰值压力提升10%，放热率峰值前移5°CA，质量燃烧分数在TDC(上止点)时达到29.7%，表明燃烧过程更加集中高效。

3.10. 累积放热量
所有改性配方的累积放热量均超过基础P20燃料，其中P20C100+HHO达到1445 J，验证了能量利用率的提升。

结论与讨论部分强调了该研究的三大创新价值：首先，建立了"纳米催化-气体助燃"协同作用的理论框架，阐明了CeO₂
氧缓冲机制与HHO快速燃烧的耦合原理；其次，开发出可实际应用的废塑料燃料改性方案，100 ppm CeO₂
添加量在成本与性能间取得最佳平衡；最后，为解决"高能效-低排放"的矛盾提供了新范式。研究同时指出，长期使用中纳米颗粒的稳定性、HHO系统的安全优化等问题仍需进一步探索。这项成果不仅推动了废塑料资源化技术的发展，也为其他低质燃料的高值化利用提供了重要参考。