磁性纳米颗粒添加对生物柴油-氢燃料内燃机的影响：一种减少早燃的途径

《International Journal of Hydrogen Energy》：Effect of magnetic nanoparticle addition on biodiesel-hydrogen fuelled CI engine – a pathway to reduce pre-ignition

　　

• •
  使用新型磁性纳米粒子减少氢燃烧引起的提前点火现象。
• •
  将氢气的引入速度限制在4 LPM以内，以避免敲缸现象。
• •
  氢纳米粒子组合提高了制动系统的热效率。
• •
  氢与纳米粒子的结合减少了CO、HC和烟尘排放。
• •
  由于没有发生物理性的火焰回火，因此无需使用火焰抑制剂。

引言

近年来，随着车辆数量的增加，全球对燃料的需求也在上升。为了应对排放问题并满足能源需求，人们开展了各种关于替代燃料的研究，以寻找可持续的解决方案。尽管电动汽车已在世界上许多国家得到应用，但其使用主要局限于乘用车领域。然而，在重型车辆领域，化石燃料仍然是主要能源，这是导致全球变暖、酸雨和其他环境问题的主要原因[1],[2]。在测试的各种替代燃料中，生物柴油是一种有前景的解决方案，因为它具有可再生性，并且可以在不对现有发动机进行过多修改的情况下使用，同时通过负二氧化碳效应减少碳足迹[3]。虽然已经进行了大量研究来探讨其在内燃机（CI）中的应用可行性（例如甲醇、乙醇等），但与其他替代燃料相比，生物柴油仍然是减少有害排放的有效选择[4]。许多国家已经在车辆中商业上采用B20生物柴油来替代传统化石燃料。

生物柴油可以从多种来源生产，包括植物基材料、农业废弃物和工业副产品。生物柴油的质量和性能很大程度上取决于原料的性质以及所采用的酯交换和发酵技术[5]。生物柴油技术已经从第一代发展到第三代燃料，第三代燃料包括非食用油、废物衍生原料和藻类基燃料[6]。此外，燃料加工技术和发动机设计的改进在提高性能和可扩展性方面起着重要作用[7]。

许多研究使用不同原料的生物柴油在内燃机中测试其性能和可行性。Shrivastava等人[8]通过酯交换法从卡兰贾油（Karanja oil）和罗塞尔油（Roselle oil）中制备了生物柴油，并将其与柴油混合形成三组分混合物（B1: D50KB45RB5, B2: D50KB40RB10, B3: D50KB30RB20）。实验在15.5-18.5的不同压缩比范围内以及20%到100%的不同负载条件下进行。他们观察到，B1混合物的燃烧热值（BTE）降低了1.48%，燃油消耗率（BSFC）提高了4.13%，并且烟尘排放量减少了约15%。

在CI发动机中进行了柴油、菜籽生物柴油和结构改性的生物柴油的比较研究[9]。研究发现，生物柴油符合EN 14214标准，而改性的生物柴油则未能达到该标准。燃烧分析显示，生物柴油能够显著减少烟尘排放。在另一项研究中，使用甲醇和硫酸通过酯交换法从芥花油中制备了生物柴油，并在单缸CI发动机中进行了测试。他们得出结论，8%的生物柴油混合物无需任何发动机改动即可提高热效率[10]。

木棉油是一种未充分利用的非食用能源，可以作为内燃机中柴油的良好替代品。Vedharaj等人（2013年）[11]通过酯交换法将木棉油转化为甲基酯，并在CI发动机中进行了测试。他们观察到，与柴油相比，木棉油混合物的燃烧热值（BTE）提高了4%，且排放特性没有显著变化。Gupta等人（2023年）[12]比较了三种生物柴油（微藻基甲基酯MAME100、木棉油甲基酯KA100和大豆甲基酯SME100）及其与柴油的混合物在CI发动机中的表现。他们发现，MAME20D80、KA20D80和SME20D80混合物的BTE较低，燃油消耗量增加，同时NOx和烟尘排放也有所减少。优化后的木棉生物柴油生产及随后在CI发动机中的测试表明，这种混合物具有良好的兼容性[13]。此外，在优化的条件下使用Fe?O?磁性纳米粒子负载固定化的Rhizopus Oryzae酶通过超声波辅助的酯交换法生产生物柴油，获得了93±1.04%的生物柴油产率[15]。

氢作为一种燃料，清洁高效，常被称为“未来燃料”，其碳含量为零。近年来，将氢作为替代化石燃料的使用受到了广泛关注，许多研究探讨了氢与柴油/生物柴油在内燃机中的联合使用。氢与柴油/生物柴油的混合使用由于氢的高能量含量而减少了碳排放，并改善了燃烧效果；更好的燃油-空气混合也有助于燃烧优化。Kesharvani等人[16]在不同负载条件下进行了实验，观察到了氢与藻类生物柴油的混合物在CI发动机中的燃烧增强、热效率提升以及CO和HC排放的减少。加入20%的氢后，CO和HC分别减少了约16.25%和19%，而NOx增加了约23%。

将20%的乙醚和氢作为引入燃料与木棉油甲基酯（KOME）混合后在CI发动机中进行了测试[17]。结果显示，与柴油相比，加入氢后燃烧热值（BTE）提高了约8%。乙醚有助于减少氢燃烧过程中产生的高NOx排放。还研究了氢和乙醚在内燃机中的联合效应，结果显示这种组合减少了其他排放物[18]。氢以10 LPM的恒定流量引入，提高了制动系统的热效率12%，同时减少了CO、HC和烟尘排放。将10 LPM氢与20%乙醚混合后，效率提高了约20%，CO排放减少了41%。Mimusops elengi的甲基酯（MEME）被探索作为单缸CI发动机中的潜在生物柴油[19]。实验在1500 rpm的恒定速度下进行，混合比例为20%生物柴油和80%柴油以及25 ppm的TiO?纳米粒子。注射压力在180至240 bar之间变化，以评估发动机性能。结果显示，在220 bar的注射压力下，发动机性能更好，排放更低。他们得出结论，生物柴油与纳米材料的组合比纯柴油具有更好的发动机性能。在水葫芦生物柴油、生物合成的氧化铈纳米粒子和氢的混合物中进行了实验，使用响应面方法优化了发动机性能和声学特性[20]。实验涵盖了从0%到100%的发动机负载范围、纳米粒子浓度高达80 ppm以及氢含量高达1.2 ml的情况。结果显示，优化后的混合物显著减少了环境影响，同时提高了发动机效率。还研究了废食用油-柴油混合物与氧化铝纳米粒子和氢的组合在CI发动机中的表现[21]。包括D100、B10、B20及其纳米粒子增强型对应物（如B10TH、B20T10）在内的燃料混合物在1800至2800 rpm的发动机速度范围内进行了测试。结果表明，这些混合物在功率、扭矩和制动系统热效率方面有所提升，同时降低了燃料消耗量以及CO、CO?和未燃烧碳氢化合物的排放。然而，NO排放略有增加[21]。

已经进行了大量研究，评估了来自卡托帕（Katropha）、梅hua（Mehua）、卡兰贾（Karanja）、尼姆（Neem）等各种原料的生物柴油作为柴油替代品的可能性。许多研究探讨了氢和纳米粒子的联合添加以改善内燃机性能。木棉油生物柴油（KME）是一种未得到充分利用的燃料，相关研究较少。尽管文献中有关于氢-生物柴油组合的众多研究，但使用氢作为补充燃料的主要问题是其可能导致提前点火的风险，从而引起回火。虽然使用火焰抑制剂可以大大降低这一风险，但燃烧室内的热点仍可能导致提前点火。因此，本研究采用了一种新型磁性纳米粒子来减少氢燃烧过程中的提前点火现象。在生物柴油中添加了钴铬酸盐纳米粒子。纳米粒子的磁性质有助于更好地分散生物柴油，避免聚集，并吸收燃烧室内的热量，从而减少提前点火的可能性[22]。

章节片段

木棉籽油制备

从木棉籽中提取的油呈黄色，具有类似食用油的宜人香气。但由于含有环丙烯酸，不适合用于烹饪，因此可归类为非食用油[23]。这种油含有约39%的不饱和脂肪酸，使其适合转化为内燃机中的生物柴油。

燃料制备

木棉籽是从印度泰米尔纳德邦（TamilNadu）的枕头和床垫制造行业中获得的。

结果与讨论

本研究在不同负载条件下，在单缸CI发动机中使用了木棉甲基酯与氢的混合物。为了减少氢燃烧引起的提前点火现象，向木棉甲基酯中添加了磁性纳米粒子，以评估其性能、排放和燃烧特性。为了评估燃料的可持续性，进行了广泛的评估，重点关注了关键性能指标，如燃烧热值（BTE）、燃油消耗率（BSFC）和排放水平。

压力上升率和提前点火演变

压力上升率（ROPPR）是通过缸内压力对曲轴角的一阶导数（dP/dθ）获得的，是评估燃烧强度的重要指标之一。它反映了燃烧室内化学能量转化为压力的变化率。由于显热释放率与热力学第一定律中的压力上升直接相关，因此ROPR可以间接反映瞬时燃烧状况

结论

本文实验性地研究了100 ppm钴铬酸盐磁性纳米粒子对单缸CI发动机性能的影响，该发动机使用20%（体积比）的木棉甲基酯（K20）混合物和4 L/min的氢作为燃料。在所研究的操作条件下，氢和磁性纳米粒子的联合使用将制动系统的热效率提高了约7-10%，同时减少了制动系统特定的燃油消耗

CRediT作者贡献声明

Anbarasan Baluchamy：撰写——原始草稿，概念构思。S. Thiyagarajan：撰写——原始草稿，正式分析。K. Arunprasath：方法论，调查。Jerome Stanley M：资源获取，数据管理。Edwin Geo Varuvel：撰写——审稿与编辑，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

Anbarasan Baluchamy|S. Thiyagarajan|K. Arunprasath|Jerome Stanley M|Edwin Geo Varuvel