氢增强型微藻生物柴油-松油混合燃料的燃烧特性与排放优化研究

本研究针对生物柴油能量密度低、粘度高等瓶颈问题，创新性地将第三代Scenedesmus dimorphus微藻生物柴油与第一代松油混合，并引入氢燃料双模式系统。实验表明，80%微藻生物柴油+20%松油混合燃料在氢辅助下，制动热效率(BTE)提升2.9%，CO/HC/烟雾排放降低27.7%/10.8%/4.8%，为清洁能源开发提供新范式。

　　

随着全球能源转型加速，生物柴油作为化石燃料替代品面临能量密度低、冷启动性能差等挑战。传统第一代生物柴油（如菜籽油、大豆油）虽能降低CO/HC排放，但存在与粮争地问题；第三代微藻生物柴油虽具高产油率和碳捕获优势，其高粘度特性仍限制发动机性能。更棘手的是，低十六烷值添加剂（如松油）会恶化燃烧质量，而氢燃料的高活性虽能提升热效率，却可能加剧NO_x生成——这些矛盾亟待系统性解决方案。

Easwari工程学院与SRM科学技术研究院的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，首次将Scenedesmus dimorphus微藻生物柴油（80%）与低十六烷值松油（20%）混合，并引入10 L/min氢诱导双燃料系统，通过对比D100纯柴油与A80P20+H₂混合燃料的燃烧参数、性能指标及排放特征，探索三组分协同效应。研究采用发动机台架试验测定缸压曲线、制动热效率(BTE)等参数，结合排放分析仪量化CO/HC/NO_x/颗粒物(PM)变化，并通过热重分析(TGA)评估燃料氧化稳定性。

燃料制备与特性
Scenedesmus dimorphus通过光生物反应器培养，经酯交换反应制得生物柴油（脂肪酸甲酯FAME），其饱和脂肪酸占比达67%赋予较高十六烷值（58.2）。与松油（十六烷值24.3）混合后，黏度降低至4.8 mm²/s（纯微藻柴油为5.3），接近柴油标准。氢燃料以10 L/min流量经进气道喷射，形成均质混合气。

燃烧特性
氢的宽可燃范围（4-75%体积浓度）使A80P20+H₂混合燃料着火延迟期(ID)缩短1.2°，预混燃烧阶段峰值压力提升9.4%。微藻生物柴油的饱和脂肪酸促进快速扩散燃烧，而氢的高火焰速度（2.9 m/s）使燃烧持续期减少15%，这是BTE提升2.9%的关键机制。

性能与排放
在75%负荷下，A80P20+H₂的比能耗(SEC)降低8.9%，但NO_x因燃烧温度升高增加11.2%。值得注意的是，氢的还原作用使CO排放骤降27.7%（0.18→0.13 vol%），HC氧化效率提高使未燃碳氢减少10.8%。松油中的单萜烯化合物与微藻脂肪酸协同抑制碳烟生成，烟雾不透明度降低4.8%。

该研究证实，氢能有效抵消松油的低十六烷值缺陷，而微藻生物柴油的高饱和脂肪酸特性维持了燃烧稳定性。这种"碳捕获（微藻）+低碳（松油）+零碳（氢）"的三元燃料策略，为内燃机低碳化提供新思路。尽管NO_x控制仍需优化，该方案在实现BTE提升的同时，显著降低全生命周期碳排放——微藻生长阶段每千克生物质可固定1.8 kg CO₂，结合氢的清洁燃烧特性，使Well-to-Wheel碳足迹降低38%。未来研究可探索废气再循环(EGR)与氢燃料的协同调控，进一步平衡热效率与排放矛盾。