《GLOBAL CHALLENGES》：Comprehensive Experimental Investigation of Rosehip (Rosa canina L.) Seed Oil as a Novel Biodiesel Feedstock: Engine Performance, Combustion, Emission, and Exergy Analyses
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鉴于全球能源市场波动性的日益增加，识别如玫瑰果等先前未被探索的资源，对于丰富和加强可持续生物柴油原料组合至关重要。在本研究中，研究人员通过酯交换反应生产了玫瑰果籽油甲酯，反应条件为50°C下进行60分钟，使用6:1的甲醇与油摩尔比以及1 wt.%的KOH催化剂
鉴于全球能源市场波动性的日益增加，识别如玫瑰果等先前未被探索的资源，对于丰富和加强可持续生物柴油原料组合至关重要。在本研究中，研究人员通过酯交换反应生产了玫瑰果籽油甲酯，反应条件为50°C下进行60分钟，使用6:1的甲醇与油摩尔比以及1 wt.%的KOH催化剂，实现了93.63%的生物柴油产率，并在四缸共轨CI发动机中于1500–3000 rpm的发动机转速范围和固定负荷条件下进行了实验评估。研究对燃烧、性能、和排放特性进行了评估。RSOME表现出52.36的十六烷值。在测试的燃料中，B5实现了最佳的整体性能，与柴油相比，改善了1.2%–5.5%，提高了1.6%–5.9%的效率，并减少了1.3%–8.5%的损。B5还表现出依赖转速的燃烧行为，在较低转速下略微降低Pmax（最高2.6%），但在3000 rpm时增加了6.0%，同时减少了6.8%的NOx排放。然而，由于玫瑰果籽油在高职健康和化妆品应用中的使用，RSOME作为生物柴油原料的大规模利用可能会受到限制。未来的研究应在不同负荷条件和长期发动机耐久性场景下研究RSOME。
**研究背景与意义**
随着全球人口增长、城市化进程和工业活动的不断扩大，全球能源需求持续上升。当前，交通运输领域的能源供应仍高度依赖化石燃料。然而，化石燃料的使用伴随着能源危机、价格波动及温室气体排放和城市空气污染等环境问题。在CI发动机中，化石衍生柴油的大量使用加剧了上述问题。生物柴油主要由FAME组成，因其生物降解性、含氧分子结构以及与CI发动机的良好兼容性，成为最具可行性的可再生替代燃料之一。原料的选择对生物柴油的可持续性、生产可行性及燃料性能起着决定性作用。第一代生物柴油源于可食用油，引发“粮食与燃料之争”；第二代依赖不可食用油和废油脂；第三代和第四代则分别与微藻和基因改造生物相关。为了在不加剧“粮食与燃料”冲突的前提下确保燃料的可持续生产，识别和表征新型不可食用原料变得尤为重要。在此背景下，从Rosa Canina L.中提取的玫瑰果籽油作为一种极具潜力但尚未被充分探索的资源引起了关注。尽管已有文献表明玫瑰果籽油具备适合生产生物柴油的理化特性，但其在CI发动机燃烧系统中的应用行为、热力学性能及受 regulated排放仍鲜有研究，尤其缺乏结合缸内压力诊断、发动机性能、效率及分布与排气排放的综合评估。为此，研究人员开展了此项研究，旨在填补这一知识空白。该研究成果已发表在《GLOBAL CHALLENGES》上，为探索新型非食用生物柴油原料的热力学及燃烧特性提供了全面的数据支撑。
**关键技术与方法**
研究人员通过碱催化酯交换反应制备了玫瑰果籽油甲酯，并测试了柴油、RSOME-柴油混合燃料(B5、B10、B20、B50)及纯RSOME(B100)。关键技术方法包括：通过脂肪酸甲酯图谱计算十六烷值、碘值和氧含量等燃料理化特性；在配备压电喷油器的四缸共轨CI发动机上开展测功机恒定负荷(25%)测试，转速从1500 rpm递增至3000 rpm；利用缸内压力传感器与曲轴编码器采集数据，计算最大缸内压力、压力升高率、累积净放热量及燃烧质量分数(MBF)等参数以评估燃烧稳定性；通过能量和火用分析方程量化制动热效率(BTE)与火用效率(ηEx)；最后使用气体分析仪和NOx传感器测量CO、HC及NOx等排放指标。本研究的发动机及燃料样本均未涉及临床或特定队列来源。
**研究结果**
*性能分析*
研究人员通过测量BSFC和BTE评估了燃料性能。随着发动机转速从1500 rpm增加至2500 rpm，BSFC急剧下降，而BTE在2500 rpm左右达到峰值。随着混合燃料中RSOME比例的增加，由于生物柴油的低热值(LHV)、高密度和高粘度，导致BSFC总体呈上升趋势。尽管RSOME中含有的燃料结合氧能促进完全燃烧从而可能改善BTE，但其高粘度导致的雾化不良抵消了这一化学优势。因此在大多数工况下，B100等高比例混合燃料的BTE略低于柴油。综合结果显示，B5燃料在多种转速下展现出最佳的改善效果。
*排放分析*
排放评估主要围绕NOx、HC和CO展开。NOx排放随转速和混合比变化显著，呈现出热力NOx机制特征。转速从1500升至1750 rpm时，湍流增加减少了局部热点，NOx略有下降；但随后由于燃烧频率和能量吞吐增加，峰值循环温度升高，导致NOx急剧上升。在较高转速(2750–3000 rpm)下，由于RSOME的高十六烷值缩短了滞燃期并抑制了过度预混燃烧，加之其较低的LHV缓和了峰值燃烧温度，所有RSOME混合燃料的NOx排放均有所降低。HC和CO排放对发动机转速和混合比高度敏感。虽然RSOME的含氧特性通常有利于HC和CO的氧化，但在低转速(1500–2000 rpm)下，高粘度和密度导致雾化质量恶化，产生局部富油区，使得CO排放较柴油有所增加。在较高转速下，燃料结合氧的优势得以发挥，有效促进了碳的完全氧化。
*燃烧分析*
燃烧行为通过缸内压力及一系列指标进行量化。COVIMEP保持在3.5%以下，表明RSOME混合燃料在运行区间内未对燃烧稳定性造成明显恶化。压力响应方面，Pmax在2750 rpm达到峰值，但在3000 rpm时因摩擦损失和燃烧时间缩短而略有下降；max(dP/dθ)在2500至3000 rpm间保持相对稳定，表明化学促进与物理约束达到平衡。CNHR分析显示，RSOME着火始点保持一致，对发动机控制稳定性至关重要，且未引入异常放热行为。MBF分析指出，由于高十六烷值，燃烧始点提前(MBF10)，但在中高速时主燃烧期(MBF50)推迟，滞燃期缩短而燃烧持续期(MBF90-10)延长，这是导致该转速区间NOx峰值形成的主要驱动因素。在3000 rpm时，B100的燃烧持续期缩短，表明燃料结合氧有效加速了后期氧化。
*分析*
研究通过火用平衡分布量化了热力学不可逆性和能量损失。ηEx与BTE表现出强烈的依赖性和相似趋势。从B5到B20，ηEx与B0相近，但随着RSOME含量增加至B50和B100，火用质量出现明显下降。火用分布分析显示，熵产生率随转速从0.06 kW/K显著上升至0.29 kW/K。在中高转速下，高十六烷值促使早燃，但高粘度等物理限制延长了燃烧Duration，导致火用损增加。在3000 rpm时，B100比B50展现出更好的稳定不可逆性水平。整体而言，RSOME混合燃料在不损害稳定BTE的前提下改变了热力学损失路径。
**总结与讨论**
在本研究中，研究人员对玫瑰果籽油甲酯作为新型生物柴油原料进行了全面评估。证实了RSOME具有11.46%的高氧含量和52.36的优越十六烷值。评估了纯柴油、各比例混合燃料及纯RSOME在CI发动机中的性能、燃烧特征、污染物排放及火用损。研究表明，B5混合燃料在几乎所有发动机转速下均表现出最高的效率，相较于柴油，其BSFC改善了1.2%至5.5%，火用效率提高了1.6%至5.9%，且火用损降低了1.3%至8.5%。燃烧呈现出从低速物理受限向高速化学优势主导的转变：在3000 rpm时，Pmax提升了6.0%，IMEP改善了5.4%。排放方面，尽管在1500 rpm时NOx和CO排放分别高出32%和18%，但在2500 rpm以上的中高转速下，其性能逆转，在3000 rpm时NOx降低6.8%，CO排放大幅降低65%，这归功于燃料含氧量对碳完全氧化的有效促进及高温滞留时间的减少。尽管该研究取得了积极成果，但考虑到玫瑰果籽油在高职健康和化妆品领域的高附加值应用，RSOME作为生物柴油的大规模商业化可能受到原料获取的制约。未来的研究应聚焦于变负荷工况及发动机长期耐久性场景下该燃料的应用表现。
