利用响应面方法优化预热柴油与废弃食用油混合物在四冲程柴油发动机中的性能和燃油消耗

《Fuel》：Optimization of preheated Diesel-Waste cooking oil blend on performance and fuel consumption in 4-Stroke diesel engines using response Surface Methodology

本研究通过响应面法（RSM）优化废食用油（WCO）与柴油的混合比例及预加热温度，探究其对四冲程柴油发动机性能的影响。实验结果表明，预加热至2779.57 RPM和1.07°C时，D100燃料条件下可获得最大功率4489.51 kW、扭矩1612 Nm，并显著降低制动燃油消耗率至117.995 g/kWh，验证了预加热技术对提升燃料雾化与燃烧效率的有效性。

　　

作者名单：Bayu Aji Saputro、Naila Khoirina、Rusdan Aditya Aji Nugroho、Richard Richard、Wei-Cheng Wang、Adi Surjosatyo

研究机构：印度尼西亚中爪哇玛格朗Muhammadiyah大学工程学院汽车与机械工程系，邮编59214

摘要

由于废弃食用油（WCO）作为可持续替代燃料的经济和环境效益，其应用受到了关注。然而，其高粘度影响了燃烧效率，因此需要采用燃料混合和预热等优化技术。本研究利用响应面法（RSM）探讨了预热WCO-柴油混合物对发动机性能和燃油消耗的影响。实验使用四冲程柴油发动机，测试了不同的燃料混合物（D100、B25、B50）和预热温度（50°C、60°C、70°C、80°C）。结果表明，预热改善了燃料雾化和燃烧效率，尤其是对于生物柴油混合物。通过RSM确定的最佳条件为：转速2779.57 RPM，预热温度1.07°C，此时D100燃料可产生最大功率（4489.51 kW）、最大扭矩（1612 Nm）以及最低的制动比燃油消耗（BSFC，117.995 g/kWh）。实验验证证实了模型的准确性，误差范围低于2%。这些发现强调了预热在提升发动机性能和燃油效率方面的有效性，为WCO在柴油发动机中的应用提供了可行性依据。

引言

随着交通运输领域对生物柴油作为替代燃料的需求增加，研究人员开始探索利用现有资源更有效的生产方法[1]。生物柴油的优势在于其可再生性、能够提升发动机性能以及降低碳排放[2]。这归因于其高氧含量、低硫含量以及与其他燃料的化学兼容性。生物柴油由植物油和动物油制成，是一种可行的非化石燃料来源[3]。 由于植物油与传统柴油相似，因此已被用作柴油发动机的替代燃料[4]。然而，植物油的成本高于柴油，影响了生物柴油生产的经济可行性。此外，植物油在食品生产中的使用也带来了供应挑战[5][6]。废弃食用油（WCO）是一个有前景的替代品，因为它具有与植物油相似的特性，但成本显著更低[3][7]。尽管如此，基于WCO的生物柴油粘度仍高于柴油，这对燃料雾化和燃烧效率有负面影响。为降低粘度，人们开发了热解、酯交换和微乳化等多种工艺[6]，但这些方法耗时且成本较高[8]。一种更实际的方法是将WCO与柴油混合并在燃烧前进行预热。研究表明，WCO-柴油混合物可在柴油发动机中有效使用，粘度的降低有助于改善燃烧和燃油效率[8][9][10]。 预热燃料可增强雾化效果，扩大喷雾范围，并减小燃料滴径，从而实现更完全的燃烧[4][10][11]。随着燃料温度的升高，其密度降低，粘度也随之减小[12]。这种改进的燃料-空气混合使得燃烧效率更高，燃油消耗更低。因此，针对不同燃料混合物优化预热条件对于最大化发动机性能和效率至关重要[13][14][15]。将预热与柴油和废弃食用油（WCO）的混合相结合，提供了一种实用且经济有效的方法，以克服生物柴油生产和应用中的挑战。预热有助于改善燃料雾化，确保燃烧室内更好的空气-燃料混合，从而直接影响发动机性能和燃油效率。 多项研究探讨了预热和混合对生物燃料性能的影响。Ibrahim等人（2018年）研究了在60–100°C下预热Jatropha curcas油的效果，发现雾化和制动热效率显著提高，CO排放量降低[15]。同样，Srinivasan等人（2022年）分析了来自废弃动物脂肪的预热生物柴油，发现较高温度（60–120°C）可降低粘度并提高燃烧稳定性[1]。Copec等人（2023年）在拖拉机柴油发动机中测试了WCO-柴油混合物（B10–B30），发现B30混合物的性能与纯柴油相当，但未研究预热效果或应用任何优化方法[9]。 尽管这些研究提供了有价值的见解，但它们主要局限于单变量研究，要么固定预热温度，要么预设混合比例，未分析温度、混合成分和发动机速度等多参数的交互作用。此外，大多数现有研究缺乏能够在印度尼西亚柴油规格和运行环境下识别最高效预热条件的定量优化模型。 以往的研究也探索了WCO和生物柴油-柴油混合物在提高柴油发动机可持续性方面的应用，但通常仅分析混合比例或预热温度中的一个因素。例如，Gad等人（2020年）报告了预热WCO后雾化的改善，但未优化参数之间的相互作用[16]；Ghanati等人（2026年）在稳态条件下研究了生物柴油-柴油混合物，但未进行统计建模。Rajavel等人（2025年）开发了一个基于RSM-ANN-GA的生物柴油优化框架，但未考虑预热因素[17]；Elkelawy等人（2024年）应用RSM研究了WCO-柴油混合物，但未包含预热[18]；Halwe等人（2023年）在固定预热温度（约45°C）下使用RSM/Taguchi方法进行排放优化，未考虑混合比例、预热和发动机速度的联合效应[19]。 为了克服这些局限性，本研究结合了系统预热（50–80°C）和响应面法（RSM），对预热温度、WCO-柴油混合比例和发动机速度对关键性能参数（如功率、扭矩和制动比燃油消耗（BSFC）的综合影响进行了建模和优化。这种综合实验-统计方法能够定量识别出在最大化扭矩和功率的同时最小化BSFC的最佳预热-混合组合。RSM是一种高效的统计和数学工具，适用于优化具有多个变量的复杂过程。该方法可以开发预测模型[20][21]，识别最具影响力的因素，提供关于预热和混合如何影响发动机性能指标（如制动热效率、特定燃油消耗和排气排放）的宝贵见解[22][23]。实验结果和优化分析将为在柴油发动机中实际应用柴油-WCO混合物提供依据，进一步强化这种方法的可行性，不仅有助于降低燃油成本，还能减少使用传统柴油燃料带来的环境影响。

燃料制备

本研究使用的柴油燃料来自PT. Pertamina旗下的公共加油站，符合印度尼西亚石油和天然气总局第146 K/10/DJM/2020号法令规定的Cetane Number 51标准[24]。废弃食用油来自三宝垄国立大学学生创业中心的食堂，这些油已使用过3–5次烹饪过程。

燃料和预热对发动机扭矩的影响

扭矩是一个衍生量，用于计算物体绕轴旋转时产生的能量[44]。图3展示了在正常燃料温度（50°C、60°C、70°C、80°C）变化下，D100、B25和B50燃料在1600、2000、2400、2800、3200、3600、4000 RPM每转时的扭矩计算结果。图3中的误差条表示三次重复测量的标准误差（SE），以绝对单位（0.01–1.3 Nm）表示。

结论

本研究探讨了预热温度和燃料混合物组成对使用废弃食用油（WCO）和柴油混合物运行的柴油发动机性能的影响。通过实验和统计分析，评估了不同加热水平（0–80°C）和燃料混合物变化（D100、B25、B50）对扭矩、功率和制动比燃油消耗（BSFC）的影响。响应面法（RSM）被用来确定最佳参数组合。

作者贡献声明

Bayu Aji Saputro：撰写初稿、验证、软件使用、资源准备、方法设计、研究实施、概念构建。 Naila Khoirina：撰写与编辑、数据可视化。 Rusdan Aditya Aji Nugroho：撰写与编辑、研究实施、数据分析、数据整理、概念构建。 Richard Richard：撰写与编辑、数据可视化。 Wei-Cheng Wang：项目监督、项目管理。 Adi Surjosatyo：项目监督、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

特别感谢Muhammadiyah大学工程学院和三宝垄国立大学（UNNES）的工程实验室在实验工作中提供的实验室设施和技术支持。第一作者还感谢Sepuluh Nopember技术学院（ITS）的化学工程系和印度尼西亚大学的机械工程系的学术支持和合作。