双燃料模式下富氢榛子油甲酯/柴油混合燃料：基于开发混合算法的发动机特性实验分析与建模

《Process Safety and Environmental Protection》：Hydrogen-Enriched Hazelnut Oil Methyl-Ester/Diesel Blends in Dual-Fuel Modes: An Experimental Analysis and Modelling of Engine Characteristics with Developed Hybrid Algorithms

　　

# 摘要

温室气体排放和对化石燃料的依赖破坏了生态平衡，加剧了全球气候变化和能源供给枯竭的风险。将清洁可持续的替代燃料整合到系统中对于解决这些问题至关重要。虽然生物燃料作为一种战略替代方案单独使用存在技术局限性，但向生物柴油中添加氢气在优化燃烧特性和改善排放性能方面具有显著潜力。基于此，研究人员通过将氢气以15和30升/分钟的流量从进气歧管加入由榛子油（从榛果中提取）制备的B30（体积含量30%生物柴油）燃料中来配制试验燃料，我国是全球榛子产量领先的国家。结果表明，虽然B30燃料的制动比能耗（BSEC）比D100燃料平均增加了3.06%，但添加15和30升/分钟氢气后，BSEC分别降低了8.60%和10.67%。制动热效率（BTE）在使用B30时呈下降趋势，而在加氢后有所提高；这证实了氢气对燃烧效率和性能的积极影响。此外，B30+15 Lpm H2燃料的CO排放量最低，所有混合燃料的排放量均随发动机负荷增加而增加。此外，采用混合预测方法（BCO-ANN、HSO-ANN、KLA-ANN）和原始ANN来对压燃发动机的性能和排放特性进行建模。结果表明，所提出的混合元启发式驱动的ANN模型比传统ANN提供更准确的预测。

# 引言

通过高效、有效地利用现有能源资源，各国可以实现经济发展，提高福利水平，并在外交政策中占据强势地位。此外，为了成为自给自足的国家、减少外部依赖并实现可持续环境，明智利用现有能源储备迫在眉睫。化石燃料资源带来的温室气体和气候变化威胁导致地理冲突、破坏空气、陆地和水生态系统、经济衰退以及劳动力和农业效率低下（Bashir等，2025）。当今的能源行业反映出化石燃料枯竭的威胁和这些资源造成的环境退化，使得引入可再生能源和替代能源选择成为必要（Aguado-González等，2025a）。风能、太阳能、生物质能、氢能和地热能被归类为可再生能源（Aridi等，2025；Baseer等，2025）。然而，考虑到其地理位置、气候条件和安装成本，这些能源来源面临着中断和低效率等问题（Hussein等，2025）。特别是，太阳能和风能资源的间歇性特征对电力供应的安全性产生显著影响（Kaur等，2025）。在这些可再生能源类型中，生物质能是通过植物将太阳能转化为化学能的过程获得的，最终储存为生物质形式（Ye等，2026）。生物质能来源于多种资源，包括农业副产品、硬果壳和市政固体废物。特别是，人类消费后大量产生的硬壳坚果废料（如榛子、杏仁、腰果和核桃等），具有转化为有用能源的潜力，属于这些替代能源来源的范畴。

榛子在全球范围内占据重要地位，是全球第二受欢迎的坚果，仅次于杏仁（Aguado-González等，2025b）。图1展示了全球领先的榛子生产国。根据2022年的生产统计数据，土耳其以765,000吨的总产量位居全球榛子产量第一。意大利和阿塞拜疆分别以98,700吨和72,100吨的产量位居其后。此外，土耳其在全球榛子生产中发挥着关键作用，其产量占全球产量的63%（Eraslan和Calhan，2024）。

生物质可以通过热解过程转化为高附加值衍生物，从而生产出有价值的热解油（Vuppaladadiyam等，2022）。生物柴油因其化学性质与纯柴油燃料相近，可以在柴油发动机中无需或仅需极少改装的情况下运行（Demirbas，2009）。与传统柴油燃料相比，生物柴油燃料既具有优势也具有劣势。生物柴油燃料含有相对较高的氧含量，不含硫，可生物降解，从而有助于减少有害排放物向大气中释放（Elkelawy等，2020；Y. Zhang等，2021）。此外，生物柴油还具有区域可获得性、能够与柴油以一定比例混合而无需额外添加剂、易于运输以及优越的润滑性能等优势，有助于提高发动机使用寿命。另一方面，较高的粘度、较低的热值、较高的NOx排放量和BSFC增加可列为生物柴油的主要缺点（Tamilselvan等，2017）。加氢生物柴油混合燃料缓解了这些挑战；然而，这种新提出的替代燃料也存在某些优势和局限性。

加氢生物柴油混合柴油燃料的优势：
- 生物柴油的热值得以提高。
- 较低的制动热效率（BTE）和较高的BSFC值得到补偿。
- 增加氢气添加量可改善燃烧特性。
- 由于其无碳特性以及空气燃料混合物的更均匀燃烧，氢气可减少对污染物的排放（Hosseini等，2023；Tutak等，2020；Winangun等，2023b）。

加氢生物柴油混合柴油燃料的局限性：
- 氢气添加导致的气缸内压力和温度升高可能会导致较高的NOx排放量。
- 过度加氢，特别是在高发动机负荷条件下，可能导致爆震现象（Aydin和Kenano?lu，2018；Poursadegh等，2023；Saravanan和Nagarajan，2008）。

用各种清洁的可再生能源系统取代对石油基燃料的依赖，并将这些能源整合到更广泛的现代生活应用中，是应对气候危机和全球变暖的有前景的方法（Saracoglu和Coruh，2024；Singh和Rajput，2026）。在此背景下，Eraslan和Calhan（2024）将榛子壳（HS）、核桃壳（WS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）废料混合物的热解过程所得生物油与柴油以10%、20%和30%的体积比混合。他们研究了新型燃料混合比与柴油燃料相比对性能特性和排放值的影响。随着生物油/柴油燃料混合比的增加，BSFC上升且燃料燃烧恶化。然而，生物油较高的运动粘度和较低的十六烷值特性导致所有生物油/柴油混合燃料的CO和HC排放增加。Winangun等（Winangun等，2023a）在实验中研究了混合棕榈油生物柴油的性能和燃烧动力学。研究结果表明，生物柴油+10 Lpm氢气混合物与纯生物柴油相比实现了69%的BSFC降低，并确保最佳运行条件。Musthafa和Asokan（Musthafa和Asokan，2024）检查了在1500 rpm下使用Juliflora生物柴油和氢气（6、9和12 Lpm）驱动的柴油发动机特性。随着氢气添加量增加，观察到HC和CO排放降低以及NOx排放增加。

文献综述表明，针对榛子油生物柴油与氢气添加对内燃机特性综合影响的研究数量极为有限。本研究的主要关注点和关键贡献在于评估榛果相关农业资源——以土耳其作为全球领先生产国——在可持续能源框架中的潜力，具体而言是通过利用榛子油甲基酯与柴油混合并加氢在压燃发动机中的应用。研究中使用了商业柴油燃料（D100）、由70%纯柴油和30%榛子油生物柴油组成的燃料混合物（B30），以及通过分别以15 Lpm和30 Lpm的流量供应氢气获得的B30+15 Lpm H2和B30+30 Lpm H2燃料。试验燃料在2000 rpm恒定转速下、15至60 Nm负荷范围内进行测试，以分析其对发动机特性的影响。本研究有望为废物转化为有价值能源资源、实现能源独立以及应对环境污染和气候变化等问题提供全面框架。

要理解运行条件与发动机性能参数（如BSFC、BSEC和BTE）以及排放特征（包括CO、HC和NOx）之间复杂的相互作用，需要对压燃发动机研究进行全面而精确的实验映射。在当今世界，弥合实验精度与虚拟效率之间差距的强大计算工具已成为必需而非可选项。在此背景下，本文提出了名为BCO-ANN（基于贝塞尔曲线优化的人工神经网络）、HSO-ANN（基于整体群优化的人工神经网络）和KLA-ANN（基于基尔霍夫定律算法的人工神经网络）的混合预测算法。使用RMSE、MABE、rRMSE和MAPE指标评估并比较了所开发模型和经典ANN在压燃发动机性能和排放特性预测中的成功程度。

## 部分片段

### 试验燃料

本研究包括四种不同的燃料组合。这些燃料描述为D100（100%商业柴油燃料）、B30（70%柴油+30%榛子油甲基酯（生物柴油））、B30+15 Lpm H2和B30+30 Lpm H2。榛子甲基酯通过甲醇酯交换反应生产，并与柴油进行体积混合。氢气（纯度99.99%）储存在实验室外一个体积为6.61 m3的氢气罐中，压力为200 bar。表1总结了关键特性。

### 燃烧特性

燃烧过程中产生的气缸内压力是影响发动机性能和热效率的基本参数之一，所使用燃料的物理和化学特性、空燃比和燃烧特性等变量直接影响气缸内压力曲线的形状和最大值。实验在Lombardini LDW 1003型号、3缸、4冲程、水冷、自然吸气发动机上进行。

## 结论

本研究基于对四种不同燃料组合（D100（100%商业柴油燃料）、B30（70%柴油+30%榛子油甲基酯）、B30+15H2（B30+15 Lpm H2）和B30+30H2（B30+30 Lpm H2））进行测试，使用配备预燃室燃烧系统的3缸、4冲程、水冷、自然吸气、间接喷射（IDI）柴油发动机，在2000 rpm恒定转速和不同负荷下运行。测试中使用的氢气从进气歧管供应，其影响……

## CRediT作者贡献声明

ümit A?bulut：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论，调查研究。Fikret Polat：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论，调查研究，概念化。Suat Sar?demir：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论。Beyzanur Yavuz Abanoz：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告工作的情况。

Mehmet Af?ar | Beyzanur Yavuz Abanoz | Hüseyin Bak?r | Fikret Polat | Suat Sar?demir | ümit A?bulut