基于响应面方法对以柴油-己烷-CeO2纳米燃料为燃料的直喷发动机中的燃烧、性能及排放多目标优化

《Fuel》：Multi-Objective optimization of combustion, performance and emissions in a CI engine fueled with diesel-hexane-CeO 2 nanofuels using response surface methodology

　　摘要：本研究针对以含有氧化铈（CeO2）纳米颗粒的柴油-正己烷混合物为燃料的压燃式发动机，对其燃烧、性能及排放特性进行了多目标优化。研究采用响应面法进行实验设计和分析，以探究正己烷比例、CeO2比例以及发动机负荷对发动机燃烧、性能及排放参数的综合影响。优化的目标是降低单位燃油消耗量、最大压力上升率、燃烧振动强度、IMEP变异系数，以及CO、HC和NOx的排放量，同时提高热效率及指示平均有效压力。针对各项响应值建立了二次回归模型，并通过方差分析验证了这些模型的统计合理性。研究结果表明，燃料混合物比例和纳米颗粒比例对燃烧过程及排放生成有显著影响，而发动机负荷则是影响效率与燃油消耗的主要因素。研究采用理想函数法进行多目标优化，最终确定的最优条件为正己烷比例为2.73%，CeO2比例为226.95 ppm，发动机负荷为18.13 Nm。在最优条件下，单位燃油消耗量降至237.4 g/kWh，热效率达到33.8%，IMEP值为4.36巴，NOx排放量控制在407.2 ppm以内。总体而言，研究表明，将含氧燃料混合物与CeO2纳米添加剂结合，并运用基于响应面法的优化方法，是提升压燃式发动机燃烧效率并减少有害排放的有效途径。

引言：随着全球能源需求的不断增加、化石燃料储备的日益枯竭，以及气候变化导致的严格排放法规，亟需开发更高效、更低排放的内燃机燃料策略[1][2]。压燃式发动机在道路交通中应用广泛，虽具有较高的热效率与机械耐用性，但却是产生大量有害尾气排放的源头，主要包括一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物以及烟尘[3][4]。因此，人们正在积极研究在点燃式发动机和压燃式发动机中使用生物燃料、含氧燃料以及酒精衍生物等替代燃料，以此实现能源安全并减少温室气体排放[5]。生物柴油、生物丁醇、丁醇、戊醇以及从己烷衍生的酒精等燃料，因其更好的燃烧性能以及更低的颗粒物和NOx排放量，被视为可持续交通领域的有力替代方案[6]。近年来，人们不仅通过实验研究，还借助基于响应面法的统计模型，对替代燃料的燃烧、性能及排放特性展开了研究。此外，也有研究致力于通过多目标优化发动机负荷、转速及混合比例等运行参数，同时改善燃油消耗与排放状况[9][10]。其中，中心复合设计是一种广泛应用的实验设计方法，可通过最少次数的实验来评估线性、二次及交互效应，从而确定系统参数的最佳值[11]。Koh等人证明，响应面法能够同时优化可再生能源内燃机的多项性能与排放指标，从而大幅降低实验成本[12]。Muniyappan等人通过在压燃式发动机中加入柴油-马胡阿乙醇-氧化锌添加剂，并利用响应面法确定最佳喷射提前角与废气再循环比例，使得制动热效率得以提升，同时HC、CO、烟尘及NOx的排放量减少了20–40%。他们还发现，基于响应面法建立的模型具有很高的可靠性，其R2值高达0.979[13]。

本研究在柴油燃料中加入了正己烷。正己烷是一种C6烃类，由于其沸点低、挥发性高且结构为直链石蜡结构，与柴油混合后会显著影响燃料的喷射、蒸发以及空气-燃料混合过程[14]。燃料的物理性质，尤其是密度和粘度，会直接影响燃烧效率与尾气排放，因为它们决定了燃料喷射后的液滴大小、蒸发速度以及缸内混合情况[15]。在柴油或生物柴油中添加挥发性石蜡类物质，可通过降低粘度和密度来改善燃料雾化效果，加速蒸发，进而提升空气-燃料混合的均匀性。随着混合均匀性的提高，点火延迟时间、热量释放速率以及预混燃烧比例都可能发生显著变化[16]。在添加正己烷的发动机试验中，研究发现，在适当的混合比例下，气缸最大压力与热量释放速率会增加，点火延迟时间缩短，而CO、HC及烟尘的排放量则会显著降低。不过，由于燃烧状况的改善，NOx排放量仅出现轻微上升[17]。有研究表明，正己烷和十六烷等轻质/石蜡类添加剂可提升柴油及生物柴油的扭矩，降低制动单位燃油消耗量，并改善燃烧质量。但在某些运行条件下，由于低热值、化学计量比以及燃料的热物理性质发生变化，制动单位燃油消耗量与NOx排放量可能会出现波动[18]。这些研究结果表明，以柴油与C6石蜡为基础的燃料混合物，无需对现有的压燃式发动机结构进行重大改动，即可有效降低烟尘与颗粒物排放，同时提升燃烧性能[19]。Bay?nd?rl?等人发现，向柴油中添加4–20%的正己烷，可通过降低燃料密度与粘度来提高其低热值，进而提升发动机扭矩并降低单位燃油消耗量。添加正己烷后，气缸压力与热量释放速率会增加，而HC、CO及烟尘的排放量则下降，不过NOx排放量会有所上升[17]。Celik等人发现，向柴油及生物柴油中添加8–16%的正己烷，可提升发动机扭矩与气缸压力，缩短点火延迟时间，同时降低CO与HC的排放量，但由于燃烧状况改善，NOx排放量略有上升[20]。Babu等人发现，在生物柴油与柴油的混合燃料中添加正己烷，可获得最高的制动热效率以及最低的单位能量消耗。不过，正己烷添加量过高会导致热量释放速率与NO排放量上升[21]。Ramalingam等人发现，在含有5%正己烷的辣木生物柴油-柴油混合燃料中，其制动热效率仅比纯柴油低2.2%，而气缸最大压力与热量释放速率则有所上升。研究还指出，CO与烟尘排放量有所下降，但NO与HC的排放量仍易受混合比例的影响[22]。

在旨在提升燃烧效率并减少尾气排放的新一代燃料策略中，向柴油燃料中添加金属氧化物纳米颗粒是一种值得关注的途径[23]。其中，氧化铈（CeO2）纳米颗粒因其极高的氧储存能力以及Ce3+/Ce4+氧化还原循环特性，被认为是一种有效的纳米添加剂，能够加速烟尘氧化，同时促进碳氢化合物与一氧化碳的催化氧化反应[24]。在柴油与CeO2混合燃料的实验研究中，有研究表明，适当剂量的CeO2添加可降低制动单位燃油消耗量，提高制动热效率与废气温度，同时显著减少CO、HC及烟尘的排放量[25]。不过，由于气缸温度升高，也存在NOx排放量增加的风险。因此，有必要谨慎选择CeO2的添加剂量与发动机负荷，以实现性能与排放之间的最佳平衡[26]。为此，需要通过响应面法等实验设计方法，对纳米颗粒浓度、酒精含量及发动机负荷等参数进行多目标优化，从而实现热效率的提升、单位燃油消耗量的降低以及排放水平的同步改善。已有研究表明，基于响应面法的优化方法也可用于分析含有不同金属氧化物纳米颗粒的多组分燃料系统的性能与排放关系，这类纳米颗粒包括TiO2、ZnO、Co3O4、Fe3O4等[27][28]。Saraee等人发现，在含有CeO2添加剂的柴油中，HC与NOx的排放量有所下降，制动单位燃油消耗量略有降低，CO排放量略有上升，而制动功率则保持不变[29]。Arslan等人发现，添加CeO2可使发动机扭矩提升8.99%，制动热效率提升5.44%，同时CO、HC及烟尘的排放量分别降低18.27%、30.12%和21.63%，不过NOx排放量则上升了6.65%[30]。Hoang的综述指出，虽然在大多数研究中，向生物柴油-柴油燃料中添加CeO2纳米添加剂都能提升燃烧效率与制动功率，同时减少CO、HC、烟尘及NOx的排放，但仍有必要进一步研究这些纳米颗粒的环境影响与毒性作用[31]。

现有文献综述显示，已有不少研究探讨了替代含氧燃料、酒精/生物柴油混合物、柴油与CeO2的混合物以及其他纳米添加剂燃料对压燃式发动机性能与排放的影响。然而，目前尚未有研究将柴油、正己烷与CeO2纳米颗粒结合，构建三元纳米燃料体系，同时模拟燃烧、性能及排放参数，并通过基于响应面法的多目标优化来确定最佳的燃料配方。尽管目前的响应面法应用主要集中在生物柴油-柴油-酒精或生物柴油-纳米添加剂体系中，但尚无研究针对含有正己烷的柴油混合物优化CeO2纳米催化剂的添加量。本研究旨在通过实验手段，研究柴油、正己烷与CeO2纳米燃料混合物在压燃式发动机中的表现，并运用响应面法对燃烧、性能及排放参数进行多目标优化。由此，本研究提出了一种独特的优化框架，能够同时考虑正己烷比例与CeO2添加剂量，从而实现高效与低排放的平衡。

材料与方法：本研究采用实验与统计方法，全面分析了正己烷添加剂比例、CeO2比例以及发动机负荷这些变量参数，对柴油发动机中的燃烧特性、发动机性能、单位燃油消耗量以及尾气排放参数所产生的影响。图中展示了本研究中考虑的变量与响应参数以及优化步骤的流程图。

方差分析与模型合理性检验：在响应面法框架下进行的方差分析结果中所给出的F值与P值，是评估模型及自变量对响应变量统计影响程度的核心依据。较高的F值表明相关因素对响应参数有显著影响，体现了模型的重要性[44]。P值则表示偶然得到该F统计值的概率，通常情况下，如果在95%的置信水平下P值小于0.05，则认为该因素对响应变量有显著影响。

结论：本研究采用基于响应面法的多目标优化方法，对以柴油-正己烷-CeO2纳米燃料为燃料的压燃式发动机的燃烧、性能及排放参数进行了评估。通过对正己烷比例（A）、CeO2比例（B）以及发动机负荷（C）这三个变量的单独效应与交互效应进行统计分析，研究结果表明，虽然正己烷的添加有助于改善燃料雾化效果与混合均匀性，但可能会对发动机性能产生负面影响。

作者贡献声明：Ya?ar ?nder ?zg?ren：撰写——审阅与编辑、监督、研究、概念构思。Tolga Kocakulak：撰写——初稿、软件应用、方法设计、研究、概念构思。Emrah Er?ek：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法设计、研究。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

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土耳其阿夫永卡拉希萨尔市阿夫永科卡特佩大学技术学院汽车工程系