纳米添加剂和压缩比对柴油发动机性能及排放特性的影响——以共热解燃料与柴油混合物为例：一种迈向循环经济的能量回收方法

《Next Energy》：Effect of nano additives and compression ratio on diesel engine performance and emission characteristics using co-pyrolytic fuel with diesel blends: An energy recovery approach towards circular economy

　　阿马尔·库马尔·达斯 | 拉凯什·乌帕德亚伊 | 苏里亚·纳拉扬·比斯瓦尔 | 拉杰什·罗尚·达斯 | 萨钦·库马尔
印度奥里萨邦布巴内斯瓦尔GIFT自治学院机械工程系

**摘要**
由于塑料废物产生过多和公众意识不足，联合国开发计划署的2030议程在实现清洁能源目标方面面临障碍，这威胁到了环境。共热解技术能够高效回收塑料废物，将其转化为有用的能源，降低环境风险，并有助于生态系统恢复。本研究探讨了使用来自废弃聚丙烯和Delonix regia（WPD）的共热解油作为替代化石燃料的可持续解决方案，以应对塑料废物和能源挑战。实验在单缸直喷可变压缩比发动机中进行，压缩比从16到18不等，使用了质量浓度为50 ppm、70 ppm和100 ppm的纳米石墨烯，这些石墨烯被乳化在20%的WPD中，且无需对发动机进行任何修改。通过在不同压缩比下对燃料混合物80D20WPD100G（20% WPD + 100 ppm石墨烯）与纯柴油的性能进行分析。结果表明，在18:1的压缩比下，80D20WPD100G燃料的制动热效率比标准柴油提高了2.8%。与其他燃料组合相比，添加100 ppm石墨烯后，CO、HC和NOx的排放量也显著降低。研究发现，在18:1的压缩比下，20% WPD–柴油混合物与100 ppm石墨烯的混合物使制动热效率提高了25.99%，并减少了CO、HC和NOx的排放。石墨烯作为氧气缓冲催化剂，改善了燃烧过程，为塑料废物的利用提供了可持续的解决方案。这些发现为减少塑料污染和化石燃料依赖提供了一条途径，同时展示了石墨烯纳米添加剂在燃料混合物中的新型应用，以提高发动机效率并降低排放。

**1. 引言**
近年来，由于经济和生态效益，压缩点火发动机在汽车动力系统中越来越受欢迎。全球柴油消费量的增加引发了污染问题，因为CI发动机排放的NOx、HC、CO和CO2等物质对环境构成挑战，促使制定了严格的法规[1]。为了满足这些标准，研究人员致力于开发含硫量和芳香族成分较低的可持续替代燃料，同时生物质作为关键能源来源得到关注[2]。除了生物质衍生的热解油外，富含碳氢化合物且热值较高的废弃塑料也提供了一种可持续的替代燃料，解决了废物处理问题，并有助于能源安全和环境危机[3]。含氧燃料与柴油混合使用时，可以改善燃烧性能、提升润滑性并减少排放[4]。由于生物质和塑料结合的优势，它们之间的协同作用推动了关于共热解的广泛研究[5]。此外，共热解可以提高油的质量，更高的混合比例可以增强CI发动机中的热量释放，如mahua种子-thermocol燃料所观察到的[6]。不同研究表明，由聚苯乙烯和甘蔗渣[7]、聚苯乙烯和印楝脱油饼[8]、LDPE和聚丙烯[9]以及废旧轮胎和小麦壳[10]混合制成的共热解燃料在燃料质量和发动机性能方面有显著改进。

在此背景下，从废弃塑料和Delonix regia种子（WPD）共热解得到的油因具有与柴油相似的特性而重新受到重视，这一点在我们之前的研究中已有阐述[11]。因此，当前研究的主要目的是提高共热解油（WPD）作为CI发动机替代燃料的性能和排放性能。一些研究表明，纳米燃料添加剂和压缩比可以显著提升发动机性能和排放。纳米燃料添加剂作为催化剂，通过增加热导率来改善燃烧、提高发动机性能并减少排放。然而，燃料混合物的性能取决于其性质、在基础燃料中的质量分数以及纳米粒子的大小[12][13]。多种纳米添加剂如氧化铈、碳纳米管、石墨烯、银和氧化铝纳米颗粒被用于提升燃料性能和排放。多项研究总结了纳米添加剂对柴油发动机排放和性能改进的影响[12-14]。例如，向生物柴油中添加20–80 ppm的氧化铈可以改善BTE和HRR，同时减少CO、HC和NOx排放[12]；在乙醇中添加2.5%的纳米铝可以增强点火性能并降低NOx和CO排放[13]；在80%负荷下向Honge生物柴油中添加氧化锌和菜籽油可以增加BTE并降低BSFC、CO和HC排放[13]；在麻疯树生物柴油中添加氧化钴可以改善BTE，在最大负荷下降低BSFC，并显著减少HC、NOx和CO排放[15]；含氧化铝的B20罗望子生物柴油可以增加BTE并减少HC和CO排放[16]。通过调整压缩比还可以改善燃烧、提高性能并减少排放[17-19]。尽管关于替代燃料和纳米添加剂的研究很多，但关于使用共热解废弃塑料和生物质油混合物的CI发动机中纳米石墨烯和压缩比优化的综合效应的研究仍然有限[21-26]。这些研究强调了可持续燃料开发中的关键空白。

上述文献强调了乳化纳米添加剂混合物和压缩比在提升发动机性能和排放方面的关键作用。本研究的目的是探讨纳米石墨烯添加剂和不同压缩比对使用共热解废弃塑料和Delonix regia种子油（WPD）与柴油混合燃料的CI发动机性能和排放特性的影响。因此，本文尝试研究了在可变压缩比下，乳化纳米添加剂（纳米石墨烯）在共热解（废弃塑料和Delonix regia）油与柴油混合燃料中的效果。

**1.1. 研究的主要目标**
a) 评估使用含纳米石墨烯的WPD–柴油混合物的CI发动机的制动热效率（BTE）、制动比油耗（BSFC）和排放（CO、HC、NOx）。
b) 研究不同压缩比对乳化纳米添加剂燃料混合物燃烧行为的影响。
c) 确定最佳纳米石墨烯浓度和压缩比组合，以改善发动机性能并减少排放。

**2. 材料与方法**
**2.1. 共热解的原材料**
本研究探索了使用木质纤维素生物质（Delonix regia）和医疗废物塑料（聚丙烯）作为生物油生产的共热解过程。Delonix regia生物质来自GIFT学院校园，而废弃聚丙烯则来自布巴内斯瓦尔的药房。实验中使用的石墨烯纳米颗粒（尺寸3–8 nm，表面积180 m2/g，纯度99%，热导率5000 W/m·K）的详细信息在我们之前的工作中已有说明[11]。

**2.2. 测试燃料的制备与性质**
通过GC-MS分析从废弃聚丙烯和Delonix regia（WPD）共热解得到的油，发现其中含有C9至C19饱和和不饱和烃的混合物（C9 = 4.12%，C10-C11 = 11.81%，C11-C12 = 47.6%，C12-C13 = 18.10%，C13-C19 = 3.1%）[11]。该过程产生的共热解油（WPD）与柴油（D）以80:20的体积比混合（80%柴油，20% WPD）。为确保均匀性，将不同量的纳米石墨烯加入混合物中，并使用24 kHz的超声波处理器处理40分钟[5]。经过几周的观察，燃料混合物保持稳定，30天内未观察到沉淀现象。超声波处理确保了纳米颗粒的均匀分散，证实了纳米乳化混合物的良好储存稳定性[27]。制备的石墨烯乳化燃料混合物分别标记为80D20WPD50G、80D20WPD70G和80D20WPD100G，表示在燃料（20%共热解废弃聚丙烯和Delonix regia油+80%柴油）混合物中分散了50 ppm、70 ppm和100 ppm的石墨烯。表1显示了共热解油与柴油相比的性质。共热解油显著提高了热值、运动粘度、密度、闪点和燃点。此外，纳米石墨烯的添加改善了燃料混合物的性质。

**3. 实验装置与方法**
实验发动机示意图如图2所示。表2总结了实验所使用的发动机规格。测试发动机包括一台四冲程DI单缸可变压缩比CI发动机，配备涡流测功机进行校准。它具有计算机化的数据采集系统，用于测量负荷、燃料流量、扭矩和排放，性能评估在1500 rpm下使用AVL气体分析仪进行[250KB]。

**3. 结果与讨论**
发动机性能衡量了燃料化学能转化为热能和机械能的过程。主要性能参数包括燃料消耗、排气气体温度、速度和制动热效率。

**3.1. 制动热效率**
图2显示了不同石墨烯剂量和压缩比下燃料样品的制动热效率变化。柴油的BTE从22.97%（16:1）增加到25.28%（18:1），而20WPD在最高压缩比下表现出更高的效率，达到25.49%。在18:1的压缩比下，100 ppm石墨烯的BTE最高，达到25.99%。纳米石墨烯通过增强燃料-氧气接触改善了燃烧。更高的压缩比由于燃料混合物的均匀性而提高了BTE。钛和氧化铝添加剂也表现出类似的趋势[10]。石墨烯在催化活性位点的优异热导率促进了热传递，从而加速了燃烧的开始，缩短了燃料-空气混合物点燃所需的时间。这种改进的热传输机制有助于更快的燃烧过程，从而缩短了燃料-空气混合物点燃所需的时间。此外，石墨烯的加入改变了燃烧产物的形态，提高了整体燃烧效率[28]。

**3.2. 制动比油耗（BSFC）**
图4显示了最大负荷下压缩比对BSFC的影响。由于点火延迟减少，纳米石墨烯剂量越高，BSFC越低。柴油的BSFC从0.391 kg/kWh（16:1–18:1）降至0.341 kg/kWh，而20% WPD混合物的BSFC从0.398 kg/kWh降至0.344 kg/kWh。添加70–100 ppm纳米石墨烯进一步降低了BSFC，其中18:1和100 ppm时的BSFC最低。WPD的较高热值和增加的纳米石墨烯剂量减少了点火延迟，降低了燃料消耗。Bharathy等人发现，在含有5%乙醇、5%WPD和90%柴油的混合物中，添加纳米TiO2可以降低BSFC[29]。同样，氧化铝纳米颗粒也能降低废塑料-柴油燃料的BSFC。Vasudeva等人使用粗米糠油酯在18:1的压缩比下最小化了BSFC[19]。下载：下载高分辨率图片（197KB）下载：下载全尺寸图片图4. CR对BSFC的影响。3.3. 废气温度图5展示了不同发动机压缩比和测试燃料混合物的废气温度（EGT）变化情况。观察到，对于所有燃料而言，随着压缩比的增加，EGT降低；但在20%WPD混合物中加入纳米石墨烯后，EGT反而上升。在最高的18:1压缩比下，柴油的EGT最低。纳米石墨烯提高燃烧效率并增加热量释放是导致EGT升高的原因。此外，WPD混合物中的高热值和氧含量也促进了EGT的升高。纳米添加剂通过提高十六烷值、延长燃烧过程和优化预混燃烧阶段来增强EGT[14]。下载：下载高分辨率图片（183KB）下载：下载全尺寸图片图5. 压缩比对EGT的影响。当压缩比从16:1增加到18:1时，柴油和20WPD混合物的废气温度都出现了明显变化。纯柴油的废气温度范围为271.21°C至229.07°C，而20WPD混合物的废气温度则在268.29°C至229.90°C之间波动。随着压缩比的增加，废气温度的轻微降低突显了燃料组成对燃烧特性和热量散失的影响。对于80D20WPD50G、80D20WPD70G和80D20WPD100G，随着压缩比从16:1增加到18:1，废气温度在不同条件下表现出渐进性变化。具体来说，温度范围分别为273.32°C至231.92°C、274.04°C至238.31°C和276.25°C至241.52°C。这些变化表明压缩比对热力学过程有影响，进而影响发动机系统内的燃烧效率和热量散失模式。在16:1压缩比和最大负荷下，含有100 ppm纳米石墨烯的燃料混合物的废气温度最高，达到了276.25°C，高于纯柴油。3.4. 一氧化碳排放燃烧室内氧气不足会导致废气中的一氧化碳排放量增加[19]。柴油发动机通常使用稀混合气运行，从而保持较低的一氧化碳排放。图6直观展示了不同压缩比和燃料混合物下的一氧化碳（CO）排放变化情况。数据清楚地表明，增加压缩比会降低所有类型燃料的一氧化碳排放。这一趋势可以归因于较高压缩比下空气温度的升高，从而提高了燃料燃烧效率。然而，尽管如此，不同燃料混合物的一氧化碳排放量始终高于纯柴油，无论压缩比如何。多种因素可能导致这种现象，包括燃烧室内温度的升高、燃料混合物的独特化学反应性、高发动机转速下氧气供应受限以及完全燃烧所需时间有限[30]。尽管如此，在含有100 ppm纳米石墨烯的20 WPD燃料混合物中，18:1压缩比下的一氧化碳排放量比纯柴油低1.9%。下载：下载高分辨率图片（165KB）下载：下载全尺寸图片图6. 压缩比对CO排放的影响。3.5. 碳氢化合物（HC）排放图7显示，随着压缩比增加到18:1，未燃烧的碳氢化合物（HC）排放量减少。当混合物比例增加时，也观察到类似的趋势。由于WPD含有氧气，因此与柴油混合使用可以提高燃烧效率。然而，WPD20混合物的一氧化碳排放量高于柴油，可能是由于芳香族化合物体积增加[3]以及WPD20混合物的密度和粘度较高，导致点火延迟延长[30]。此外，向燃料混合物中添加纳米石墨烯可以改善燃烧速率，类似于其他提高十六烷值的添加剂[17]。下载：下载高分辨率图片（177KB）下载：下载全尺寸图片图7. 压缩比对HC排放的影响。如图7所示，当压缩比从16:1增加到18:1时，柴油的一氧化碳排放量从53 ppm降至22 ppm。对于20WPD 20WPD50G、20WPD70G和20WPD100G燃料组合，未燃烧的碳氢化合物（HC）排放量分别从54 ppm降至25 ppm、48–26 ppm、33–25 ppm和29–23 ppm。3.6. 氮氧化物（NOx）排放图8显示了不同压缩比下各种燃料混合物的氮氧化物（NOx）浓度变化。分析表明，WPD20燃料混合物的氮氧化物（NOx）排放量高于纯柴油。这种增加可以归因于预混空气-燃料比例较大导致的点火延迟延长。结果，更多的燃料在较短的时间内快速燃烧，导致缸内温度显著升高。此外，燃烧室内的绝热火焰温度和氧气供应量增加，进一步加剧了NOx的形成[4] [31]。随着压缩比的增加，所有类型燃料的NOx排放量都上升，因为高压下燃烧过程中的热量释放更加剧烈[32]。特别是WPD燃料混合物，其NOx排放量甚至高于纯柴油。这可能是由于混合物中含有长链碳化合物，导致点火延迟较长。延长的点火时间使燃料-空气混合有更多时间，从而引发突然且剧烈的燃烧事件，进一步提高了缸内温度并加速了NOx的形成[7]。在所有燃料混合物中，含有100 ppm纳米石墨烯的18:1压缩比下，NOx排放量比纯柴油低12.3%。下载：下载高分辨率图片（176KB）下载：下载全尺寸图片图8. 压缩比对NOx排放的影响。4. 能量回收和循环经济4.1. 社会经济影响：成本方面图9展示了劣质燃料对自然环境的负面影响。使用劣质燃料会产生更多污染，对人类健康产生不利影响，降低生产力。生产力的下降又会减少收入。收入减少会导致人们的生活条件恶化，进而产生对社会有害的负面外部性。最终，环境将变得不可持续。在这种情况下，循环经济将以负面方式发挥作用。这可以通过负面力量的循环作用来解释。下载：下载高分辨率图片（165KB）下载：下载全尺寸图片图9. 清洁燃料对环境的负面影响。4.2. 社会经济影响：收益方面图9展示了清洁燃料对自然环境的积极影响。污染的成本和收益方面取决于燃料的质量。这将以循环的方式反复出现，无论是正面还是负面。使用清洁燃料可以减少污染，从而对人类产生积极影响。它不仅会改善健康状况，还会提高生产力。生产力的提高将增加收入，从而改善人们的生活条件。下载：下载高分辨率图片（169KB）下载：下载全尺寸图片图10. 清洁燃料对环境的影响。生活条件的改善有助于使用清洁燃料，从而产生积极的外部性。如果人们的生活条件得到改善，他们将能够意识到塑料污染问题，并通过寻找替代方法来生产清洁燃料，从而保护自然环境。在这种情况下，循环经济将以积极的方式发挥作用。5. 结论压缩比和纳米石墨烯浓度显著影响了使用WPD柴油混合物的CI发动机的性能和排放特性。研究的主要发现总结如下：• 使用含有100 ppm纳米石墨烯的20% WPD-柴油混合物并在18:1压缩比下运行的测试发动机达到了最高的制动热效率（25.99%），表明燃烧性能得到提升。• 相同的混合物配置与传统柴油和其他测试燃料组合相比，降低了制动特定燃油消耗（BSFC），表明燃油经济性得到改善。• 由于纳米石墨烯的催化作用，促进了更好的氧化过程，显著减少了CO和HC排放。• 尽管NOx排放量通常随着压缩比的增加而增加，但在最佳混合物条件下观察到12.3%的显著减少，其水平低于标准柴油燃料。• 该研究强调了共热解WPD油和纳米石墨烯添加剂在提高发动机性能和排放方面的协同效益。这种方法为塑料和生物质废物的增值提供了可持续和环保的途径，有助于循环经济倡议，并支持可持续发展目标12（SDG-12）的目标。CRediT作者贡献声明Amar Kumar Das：概念化、正式分析、调查、方法论、软件、可视化、数据管理、写作——初稿。Rakesh Upadhyay：数据管理、监督、写作——审阅与编辑。Surya Narayan Biswal：数据管理、监督、写作——审阅与编辑。Rajesh Roshan Dash：数据管理、监督、写作——审阅与编辑。Sachin Kumar：项目管理、监督、验证、资源、写作——审阅与编辑。