迈向可持续发展目标：富氢马赫瓦生物柴油/柴油混合燃料在双燃料柴油机中的应用及其对清洁能源解决方案的推动

本综述系统探讨了氢（H2）富集对双燃料柴油发动机性能、燃烧及排放特性的影响，重点分析了马赫瓦生物柴油/柴油混合燃料（BDf20）与不同流量（4–12 L min?1）氢气的协同作用。研究表明，10 L min?1的氢富集可实现最优发动机性能，显著提升制动热效率（BTE）并降低制动比燃料消耗（BSFC）。尽管氮氧化物（NOx）排放因高温燃烧而增加，但碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）排放显著减少。氢富集还改善了燃烧特性，如缸内峰值压力和热释放率（HRR）的提高。该研究为清洁可再生能源（SDG 7）和气候行动（SDG 13）提供了技术支撑，推动了可持续交通和能源解决方案的发展。

　　

引言

在全球能源需求持续增长和环境污染日益严重的背景下，内燃机（ICE）作为交通运输和能源生产的关键设备，其依赖传统化石燃料所带来的资源枯竭和温室气体排放问题亟待解决。柴油发动机因其高热效率、操作稳定性和适应性强而广泛应用，但同时也排放大量有害污染物，包括一氧化碳（CO）、未燃碳氢化合物（HC）、二氧化碳（CO₂）、氮氧化物（NO_x）、硫氧化物（SO_x）和颗粒物（PM），对生态系统和人类健康造成严重威胁。为应对这些挑战，研究人员积极探索可再生和环境友好的替代燃料，其中生物柴油和氢（H₂）作为最具潜力的候选者，能够减少对石油和天然气的依赖，降低温室气体排放，推动清洁和绿色未来的实现。这一转型符合全球应对气候变化、增强能源安全和实现可持续发展目标（SDGs）的努力，特别是清洁能源（SDG 7）和气候行动（SDG 13）。

氢作为一种快速燃烧且碳游离的分子，其高能量密度和清洁燃烧特性使其成为理想的替代能源。氢燃烧只产生水蒸气，避免了有害温室气体和其他污染物的排放。其快速火焰传播速度导致更短的 ignition 时间，从而改善发动机性能，减少烟雾和颗粒物生成。更快速和更彻底的燃烧过程使得排放更环保，符合严格的污染指南和环境可持续性目标。然而，氢的燃烧过程会产生更高的最高温度，可能导致 NO_x 排放增加，这需要通过先进的排放缓解技术来解决。氢的广泛可燃范围和快速点火速度使其成为柴油/汽油发动机和燃气轮机的优秀推进剂。由于其广泛的可燃性 spectrum，点火可以在更宽的空气-燃料比范围内进行，允许发动机在贫燃和富燃条件下高效运行。氢的快速燃烧速率使得更短的可燃持续时间和更低的热损失成为可能，这些特性使发动机能够在更高速度下运行，并提高燃烧稳定性。因此，氢通过增加能量利用率和提升功率输出，提高了热效率，使其成为高效、可再生能源系统的有吸引力选择。

近年来，研究深入探讨了氢富集对不同空燃比下柴油车辆效率和温室气体排放的影响，旨在确定氢作为补充燃料是否影响关键发动机参数。贫燃或富燃混合物的影响被研究，以评估在氢富集过程中增强性能和调节排放难度之间的最佳平衡。例如，Karagoz 等人的研究发现，30% 的氢富集对传统柴油发动机的燃烧、效率和排放特性产生了混合效果。制动热效率（BTE）降低了6.3%，表明氢产生的动能无法完全补偿柴油产生的能量损失。氢的无毒点火特性，包括其碳中性，导致一氧化碳（CO）排放显著减少68.4%。然而，在满负荷时，由于氢的更快可燃性导致更高气缸温度，NO_x 排放增加了51.3%。另一项由 Karag?z 等人进行的研究考察了氢能量份额（HES）在22%至53%范围内对柴油车辆的影响。结果显示，通过进气歧管诱导氢的增加，温室气体和燃料参数显著增强。22%的HES使CO减少67.3%，烟雾不透明度降低43.6%，而53%的HES使CO和烟雾不透明度分别减少69%和58.6%。在燃烧动力学方面，调查显示热释放率（HRR）在HES为22%时大幅增加25.77%，在HES为53%时增加110.94%。类似地，峰值气缸压力在HES为22%时增加7.81%，在HES为53%时增加36.2%。这些结果凸显了氢富集在改善可燃性的同时成功减少温室气体排放的倾向。Yilmaz 等人进行了一项调查，以确定氢富集对 common rail 直接喷射柴油发动机相关燃烧参数的影响。氢的添加导致气缸压力显著增加，幅度从1.1%到11.21%不等。点火延迟期（IDP）在氢流量为20和40 L min^?1时分别增加了52%和47.06%，反映了氢的高扩散性导致的延长预燃烧状态。然而，调查发现与直接柴油点火相比，HRR 降低了约1.54%至19.55%，表明受调控的燃烧能量释放。这些发现强调了氢在改变燃烧过程中的复杂作用，它促进了压力积累，并在调节热释放和点火动力学方面提出了挑战。

Koten 调查了升级后的柴油发动机车辆在0.8 L min^?1氢诱导下的效率，发现BTE提高了3%。这一改进主要归因于氢的更快的火焰速度，加速了燃烧过程，及其产生均匀空气-燃料混合物的能力，导致更彻底和有效的燃烧。研究还发现，拥有最佳氢含量显著减少了CO、HC和 soot 排放，展示了氢提高整体发动机性能和污染物的能力。Jabbr 等人使用以氢富集气体燃料为动力的双燃料模式柴油动力发动机，调查了关键发动机性能属性（包括BTE、BSFC、CO、HC、NOx和 soot）与输入变量（如HES、IT和EGR）之间的关系。研究目标是改善双燃料操作中效率和温室气体排放之间的权衡。烃基柴油燃料的替代和氢的碳中性性质导致烟雾排放显著下降60%。此外，15%的EGR稀释了喷射 charge，降低了氧气含量和室壁温度。这一方法贡献了NO_x排放显著减少88%，克服了氢富集气体燃料的主要问题之一。Ayad 等人使用实验和计算技术评估了氢富集气体燃料诱导对由乙醇-汽油混合物驱动的涡轮增压火花点火（SI）发动机效率的影响。调查显示，添加氢大大扩大了乙醇的可燃性 spectrum，允许燃烧系统在更低空气-燃料混合物下更有效地运行。这种更lean的操作还提高了燃烧稳定性并最小化了EGT，导致更低的热应力和增加的发动机耐久性。氢提供的更宽可燃性 spectrum 贡献了更清洁和改进的点火，突出了氢作为乙醇在现代SI汽油发动机操作中的补充燃料的可行性。Singh 等人调查了由生物CNG/柴油混合物包括氢补充为燃料的双燃料柴油发动机的效率。数据表明，氢的引入通过改善点火、减少燃料消耗和提高整体发动机效率来增加功率，除了 exergy 效率。氢的添加促进了更清洁的燃烧，减少了污染物如CO、HC和颗粒物。此外，由于改进的能量转换，exergy 效率得到增强，导致更少的热损失。这表明氢补充是一种可行技术，用于更环保和有效的发动机操作，但需要额外的调优。Saaidia 等人分析了以氢富集CNG为燃料的柴油发动机的可燃性和发动机效率。研究了20%和30%体积的氢分数，结果显示燃烧显著增加，特别是在预混合条件下使用。最大缸内压力上升，燃烧稳定性改善，测试燃料混合物低于11%。性能增强包括能量效率提高11.3%，燃料消耗减少至247 g kWh^?1。结果表明，氢富集CNG是传统柴油燃料的可能替代品，具有更低的污染物和更高的效率。

考虑到其无硫结构、高氧含量和可持续性质，生物柴油作为从传统燃料生产的柴油的潜在燃料替代品引起了广泛关注。这些特性使其成为更环保的选择，导致更低的温室气体排放和更好的燃烧特性。然而，与化石燃料相比，其较低的加热值和较高的运动粘度可能导致故障，如马力减少、更大的BSFC和降低的发动机性能。Thiruselvam 等人在单缸CI发动机中调查了氢富集废塑料油与5%的正丁醇。使用30%和40%的混合物与氢在8和10 L min^?1，他们观察到BTE增益高达8.22%，BSFC降低至20.89%。CO、HC和烟雾不透明度显著减少，尽管NOx上升至236 ppm。峰值压力和HRR改善，40WPO + nBut5 + H₂ (10 L min^?1) 提供最佳结果，支持废塑料油作为可持续、成本效益高的柴油替代品，尽管存在NOx挑战。Krishnamoorthi 等人探索了 Cocos nucifera 生物柴油与30 ppm AL₂O₃ 纳米颗粒和氢富集（8和10 LPM）在CI发动机中。40 Cocos nucifera 生物柴油 + AL₂O₃ 混合物与10 LPM H₂ 改善BTE by 6.86%，减少BSFC by 25.98%，CO by 54.13%，HC by 15.95 ppm，和烟雾 by 14.71%，而NOx上升 by 604 ppm。增强的燃烧、更高的峰值压力和增加的HRR展示了该混合物作为可持续、高效柴油替代品的潜力，特别是在热带地区有丰富椰子衍生生物燃料资源的地方。Thiruselvam 等人评估了以棕榈生物柴油、氢富集棕榈生物柴油和棕榈生物柴油与氢和30 ppm CeO₂ 纳米颗粒为燃料的柴油发动机的性能和排放特性，与柴油燃料相比。结果显示，与柴油燃料情况相比，棕榈生物柴油与氢和30 ppm CeO₂ 纳米颗粒显著减少BSFC（20.68%）并增加BTE（7.93%）。CO、HC、NOx和烟雾不透明度排放大幅减少，满足Euro VI限制，除了NOx。本研究推荐棕榈生物柴油与氢富集和CeO₂ 纳米颗粒用于增强效率、更清洁排放和接近柴油操作的振动特性。同一路线也调查了使用氢富集棕榈生物柴油作为柴油发动机的替代燃料，以改善性能和减少排放。氢在6和8 L min^?1引入与棕榈生物柴油混合物，与常规燃料相比。结果显示，30%棕榈生物柴油 + 8 L min^?1 H₂ 减少BSFC by 19% 并增加BTE by 3.4–6.7%。此外，CO、HC和烟雾不透明度排放显著减少，而NOx轻微增加。氢的增强可燃性和燃烧使得高效lean操作成为可能，为减少车辆空气污染和替代燃料策略提供了可行方法。

科学家们研究了氢富集气体燃料与生物柴油结合使用作为上述问题的解决方案，利用氢的高能量密度和碳中性火焰特性。为了改善燃烧效率和减少污染，最新研究集中在评估氢和生物柴油对发动机性能和排放水平的累积影响。根据这些研究，氢富集生物柴油可以提高热效率，减少CO和HC，并在生态足迹和性能之间实现更好的平衡，这些都是生物柴油本身的缺点。因此，氢富集代表了一种可行的方法，以最大化生物柴油在现代设计为双燃料操作的柴油发动机车辆中的使用。表1提供了迄今为止文献的简要回顾，突出了在设计为双燃料操作的柴油发动机车辆中氢富集的研究。

基于以上分析，氢与生物柴油在双燃料策略中的整合 emerges 作为解决生物柴油在CI发动机中固有局限性的可行解决方案。由于其高加热值、宽可燃范围、快速火焰速度和碳游离分子结构，氢补充增强了点火质量。它补偿了生物柴油的较低热值和较高粘度。这种富集改善了燃烧效率，增加了制动热效率（BTE），并减少了关键排气污染物，包括CO、HC和烟雾不透明度。本研究超越了早期的生物柴油-氢富集工作，通过系统评估氢诱导和生物柴油混合在多个发动机负载下的 combined 影响，并详细评估了性能、燃烧和排放参数。结果提供了优化双燃料操作以满足可持续发展目标的技术基础，特别是在更清洁能源和减少车辆排放的背景下。

实验部分

马赫瓦油的来源

马赫瓦油是从 Madhuca indica 树的种子中提取的，也称为马赫瓦。这种耐旱、非食用油籽 bearing 植物主要生长在印度、尼泊尔、孟加拉国和斯里兰卡的热带和亚热带地区。马赫瓦树产生小的、黄绿色的果实，含有油-rich 种子，油浓度按重量计从30%到40%不等。在本研究中，马赫瓦油是从新德里 Mayur Vihar Phase 1 的 Expo Essential Oils 采购的。然后对基础油进行纯化和处理，以消除污染物，包括游离脂肪酸（FFA）、磷脂和水分，用于生物柴油合成。马赫瓦油甲酯的FFA组成如表2所示。

马赫瓦生物柴油的制备

酯交换过程通过将粗马赫瓦油与甲醇结合使用催化剂，将其转化为生物柴油。该过程从通过机械压榨从马赫瓦种子中分离油开始。原油 undergo 脱胶和过滤以消除污染物，如磷脂、FFA和水分，所有这些都可能降低酯交换的效率。酯交换反应使用NaOH或H₂SO₄，依赖于马赫瓦油的FFA含量。由于FFA含量高，在碱催化酯交换之前进行酸酯化预处理阶段，以避免肥皂生产。化学过程通过以约6:1的摩尔比混合马赫瓦油和甲醇，引入0.5–1%（w/w）的催化剂，在受控温度（50–60°C）下搅拌约2小时。完成后，混合物 settle，导致两相分离，包括顶相的甲酯（生物柴油）和甘油。然后通过用温水洗涤 resulting 生物柴油以去除剩余的催化剂 alongside 未处理的甲醇，随后风干以去除水分。为确保符合燃料质量规范，测试了重要的物理化学参数，包括运动粘度、比重、加热值、十六烷指数、闪点、燃点和倾点 of produced 生物柴油。

测试燃料的物理化学特性

马赫瓦生物柴油-柴油燃料混合物 alongside 氢富集气体燃料的物理化学参数分析对于确定它们在柴油车辆中的适用性至关重要。产生的马赫瓦生物柴油与标准柴油燃料混合，以改善燃烧特性并符合当前可用的柴油发动机车辆。混合过程包括生物柴油与柴油燃料以特定比例混合，包括B20（20%马赫瓦生物柴油 + 80%柴油），取决于 intended 用途和发动机兼容性。更高的十六烷指数提高了点火质量，导致更好的可燃性，而更高的闪点和燃点提高了燃料安全性。然而，生物柴油的冷流特性，如更高的云点和倾点，在低温环境中呈现问题，需要添加剂或优化混合。表3描述了柴油燃料、马赫瓦生物柴油（Bf100）和马赫瓦生物柴油/柴油混合物（BDf20）的物理化学特性，符合ASTMD-6751标准。

在本研究中，氢气体从印度哥印拜陀 Athipalayam 的 Sri Venkateswara Carbonic Gases Private Limited 获得。氢是一种碳中性燃料，去除CO₂、CO和颗粒物。然而，其 elevated 绝热火焰温度（2046°C）可能促进NO_x形成。氢的较低加热值（120 MJ kg^?1）贡献显著 to energy release，尽管其在15°C和100 kPa下的适度体积能量密度约10.7 MJ m^?3需要高压运输。表4简要阐述了氢（H₂）气体燃料的特性。

实验设置

发动机设置

当前调查使用水冷、四冲程、单缸CRDi柴油发动机（Kirloskar make TV1_model），额定速度1500 rpm，最大功率输出5.02 kW。详细发动机规格如表5所示。选择此发动机配置以测试不同燃料组合在标准化测试条件下的可燃性、效率和温室气体排放。

图1以动画形式显示了实验配置。测试的CRDi发动机包括高压燃料喷射系统、压力调节阀、允许燃料分散的轨道 piping 和轨道压力监测系统。压力传感器与电子控制单元接口，以监测和控制柴油轨道压力，确保最大发动机性能。使用水冷涡流电流测功机施加负载，允许精确控制发动机 workload。曲轴角编码器 positioned 在曲轴上，以准确确定其方向和旋转速度，用于分析发动机的效率。此外，压电压力传感器 positioned 在气缸盖上，以记录气缸内的实际压力变化，旨在确定燃烧参数、点火延迟期和热释放率。数据采集系统接收来自安装在活塞头上的压电传感器的压力信号，该传感器在燃烧过程中持续捕获缸内压力波动。此信息然后计算关键燃烧参数，如热释放率（HRR）、峰值气缸压力和点火延迟期。

K型热电偶用于确定不同发动机部件的温度，因为它们的出色精度和大的温度操作范围。这些热电偶被 carefully placed 以启用实际温度观察和有效的发动机性能分析。安装在排气歧管 near 气缸盖上的热电偶传感器测量排气温度（EGT）。此定位允许准确测量污染物中的温度波动，分析燃烧效能，并测量整个系统的热耗散。AVL五气体检测器用于连续监测 alongside 表征柴油动力车辆排气温室气体，启用关键污染物的准确检测，包括CO、HC和NO_x。该仪器使用现代电子传感器提供准确的实时数据，用于温室气体评估。为确保实验结果的重复性和可靠性，每个测试条件在相同操作参数下执行三次。报告的性能、排放和燃烧特性值代表了这些重复测量的算术平均值。

如图1所示，氢管道有许多重要部分，促进了氢的精确和安全运输 into the cylinder。安装了压力调节器以调节和维护氢压力 between the storage tank and the combustion chamber inlet unit。流量计准确检测并连续跟踪氢流速，允许精确调节输送 within the ignition chamber 的氢体积。为提高操作安全性，采用了流量控制阀来控制 and modified the hydrogen induction based on scientific parameters。为防止回火，供应管道还包括火焰消除器和火焰陷阱。火焰消除器从任何可能的火焰前锋中去除热量，防止燃烧向后传播朝向氢供应管道。类似地，火焰陷阱防止火灾闪回，从而维持氢存储和分配系统的稳定性。加压罐设计用于在300 bar的高压下存储氢，在发动机测试台设置上提供适当的供应。使用了压力调节器将高压降低到约5 bar，允许 controlled as well as consistent supply of hydrogen through the engine inlet manifold。

氢能量贡献

氢能量贡献（HEC）估计了由氢产生的能量量与常规燃料如柴油和生物燃料的关系。此参数对于评估氢在降低温室气体和提高发电能源效率方面的贡献至关重要。它受氢能量含量和系统性能的影响，包括混合能源生成系统的独特布局。HEC可以通过检查系统的能量平衡来评估。不同发动机负载下的氢能量贡献通过氢流速和柴油/生物柴油燃料消耗的实验测量 theoretically 计算。氢的质量流速使用校准的流量计测量。然后通过将氢质量流速乘以其较低加热值（LHV）来确定来自氢的能量输入。类似地，来自柴油/生物柴油混合物的能量输入使用燃料消耗率及其相应的LHV计算。氢能量贡献百分比通过将氢能量输入除以总燃料能量输入（氢和柴油/生物柴油混合物能量之和）并乘以100获得。通常，方程（1）用于估计氢对系统产生的总功率的能量贡献，如下所示：

HEC (%) = (E_H / E_Total) × 100 (1)

这里：E_H 代表来自氢的能量输出，E_H = m?H2 × LHV_H2；m?H2 是氢的质量流速，单位为 kg h^?1（通过流量计实验测量），LHV_H2 是氢的较低加热值，单位为 MJ kg^?1。类似地，E_Total 代表总能量输出，包括氢和柴油/生物柴油燃料，如方程（2）中给出。

E_Total = m?H2 × LHV_H2 + m?fuel × LHV_fuel (2)

其中，m?_fuel 是柴油/生物柴油燃料的质量流速，单位为 kg h^?1（通过燃料消耗率实验测量），LHV_fuel 是柴油/生物柴油混合物的较低加热值，单位为 MJ kg^?1。图2描述了多个测试燃料样品BDf20 + H₂ (4 L min^?1)、BDf20 + H₂ (6 L min^?1)、BDf20 + H₂ (8 L min^?1)、BDf20 + H₂ (10 L min^?1) 和 BDf20 + H₂ (12 L min^?1) 在1.26、2.2、3.14、4.08和5.02 kW的不同 workload 下HEC的 fluctuation。

不确定性分析

量化错误一直是任何科学研究不可避免的一部分，并受到多种 components 的影响，例如测量设备的灵敏度和校准、环境条件以及调查过程中获得的结果的准确性。这些错误增加了不确定性，导致实验结果的精确度和准确性的重要 measure。不确定性可能由于随机或系统错误而 develop 在科学研究中。标准方法将不确定性表示为百分比不确定性，提供观察变量中错误的近似指示。参数中的特定不确定性使用Kline和McClintock不确定性传播方法确定，该方法使用代数解释评估错误传播。一旦已知与每个观察相关的不确定性，通过应用适当的错误传播方程获得 concerning the test setup 的总体不确定性。在整个当前调查中，与几个变量相关的百分比不确定性被建立以确定实验准确性。不确定性对于评估实验的结果、增强数据的精确度和精炼测试方法至关重要。考虑到每个输入变量对输出的敏感性，总体不确定性在方程（3）中表达：

U_R = √[∑(S_Xi × U_Xi)^2] (3)

这里，U_R 代表结果“R”中的总不确定性；U_Xi 是自变量 Xi 中的不确定性；S_Xi 是“R”相对于 Xi 的敏感性系数。

考虑到从多个测量导出的参数，应用了均方根方法，如早期研究中所报告：

U_total = √(U_1^2 + U_2^2 + U_3^2 + U_4^2 + ··· + U_n^2) (4)

在方程（4）中，U_1, U_2, ..., U_n 是与各种观察特征相关的不确定性，例如特定燃料消耗、温室气体、发动机输出指标和温度波动。进行了许多调查以检查与关键性能和污染物测量相关的不确定性，例如制动热效率（BTE）、制动比能量消耗（BSEC）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、碳氢化合物（HC）、烟雾不透明度和氮氧化物（NO_x）。总不确定性（U_total 或 Δ）已使用定义的错误传播程序计算，以确保可靠和精确的信息分析。

Δ = √(BTE^2 + BSEC^2 + CO^2 + CO_2^2 + HC^2 + Smoke opacity^2 + NO_x^2) (5)

Δ = √(0.64^2 + 1.41^2 + 1.0^2 + 0.2^2 + 0.6^2 + 0.9^2 + 1.0^2) = ±2.3 (6)

表6显示了测量参数、使用仪器、范围、最小读数和不同测量装置的不确定性。

结果与讨论

性能特性

制动热效率

制动热效率（BTE）是一个重要的性能指标，衡量发动机将常规柴油的化学能转化为可用机械能的能力。这受燃料组成、可燃特性和发动机操作条件的调制。图3显示了柴油燃料、BDf20、BD