《Case Studies in Thermal Engineering》：Enhancing Agricultural Engine Efficiency with Pongamia Biodiesel: A Case Study in Thermal Performance and Emissions
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本研究针对非食用生物柴油在压燃式发动机中替代石化柴油时存在的效率下降与NOx排放升高问题，以水黄皮（Pongamia pinnata）生物柴油-柴油混合燃料为研究对象，通过响应面法（RSM）和中心复合设计（CCD）建立了制动热效率（BTE）与氮氧化物（NOx）排放的预测模型。研究在1500 rpm恒定转速下，系统测试了B0-B100不同掺混比及25%-100%负荷工况，发现高比例生物柴油（如B100）虽能降低CO排放，但会导致BTE从柴油的30.4%降至24.9%，NOx升至11.8 g/kWh。通过多目标优化获得最佳工况为69%负荷、近纯柴油条件，BTE达26.6%，NOx为843 ppm（合意度0.664）。该成果为农用非道路发动机的燃料选择与负荷调控提供了理论依据，并指出未来需结合EGR（废气再循环）与喷油校准策略以平衡高比例生物柴油应用的环保与能效需求。
随着全球能源转型压力日益加剧，生物柴油作为可再生的柴油替代燃料，因其原料多样性、燃烧清洁性及与现有发动机的兼容性而备受关注。然而，非食用类生物柴油（如源自水黄皮种子的油料）在实际应用中面临核心矛盾：一方面其含氧特性有助于提升燃烧完整性，降低一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放；另一方面，其较高的黏度和密度可能恶化雾化质量，导致混合气形成延迟，加之较低的热值，往往造成发动机制动热效率（BTE）下降。更棘手的是，生物柴油的富氧燃烧会推高缸内局部温度，加剧氮氧化物（NOx）的生成，形成“效率-排放”的权衡难题。以往研究多聚焦于固定掺混比或狭窄工况，缺乏对掺混比与负荷双因子交互作用的系统建模，难以指导实际变工况运行。为此，Gopinath Varudharajan等研究人员在《Case Studies in Thermal Engineering》上发表论文，通过严谨的实验设计与多目标优化，为水黄皮生物柴油在农用发动机中的科学应用提供了量化依据。
本研究采用的关键技术方法包括：1）从印度南部野生水黄皮种子中机械压榨获取粗油，经碱催化酯交换反应制备脂肪酸甲酯（生物柴油），并按体积比配制B25、B50、B75、B100混合燃料；2）在单缸水冷直喷式柴油机（Kirloskar TV1型，5.2 kW/1500 rpm）上，采用涡流测功器加载，通过中央复合设计（CCD）安排13组实验（含5个中心点重复），覆盖掺混比（0%-100%）和负荷（25%-100%）全范围；3）测量扭矩、转速、燃油消耗量、排气温度及排放物（CO、HC、NOx），计算BTE和制动燃油消耗率（BSFC）；4）运用响应面法（RSM）建立BTE和NOx的二次回归模型，并通过合意度函数进行多目标优化。
3. 结果与讨论
BTE随负荷变化：BTE随负荷增加而单调上升，全负荷时柴油（B0）为30.4%，B100降至24.9%。高比例生物柴油因低热值和高黏度导致雾化差、蒸发慢，扩散燃烧阶段损失增加，效率显著降低。
BSFC变化趋势：BSFC随负荷增加而下降，但同负荷下随生物柴油比例增加而升高（B0全负荷为0.25 kg/kWh，B100为0.33 kg/kWh），源于生物柴油单位质量能量输出需更多燃料补偿。
排气温度（EGT）升高：生物柴油的富氧燃烧促进后期氧化，使排气温度升高（全负荷时B0为430°C，B100达510°C），预示热负荷增加和NOx生成条件强化。
CO排放改善：CO随负荷和生物柴油比例增加而下降（全负荷B0为2.2 g/kWh，B100为1.2 g/kWh），燃料氧含量提升了局部氧化效率。
NOx排放升高：NOx随负荷和生物柴油比例增加而显著上升（全负荷B0为9.1 g/kWh，B100为11.8 g/kWh），富氧环境与高温历史共同促进了热力型NOx生成。
缸压-曲轴角轨迹：生物柴油比例增加使爆发压力峰值降低且相位略提前，B100比柴油峰值压力低约6-7 bar，燃烧相位趋近上止点，加剧高温停留时间。
能量输入与BTE关联：单位制动功所需燃料能量输入随生物柴油比例增加而上升，B100比柴油高约27%，而BTE同步下降，凸显能效挑战。
掺混适宜性矩阵：B25在BTE损失较小（29.1%）前提下，NOx增幅仅7.7%，属较优折中区；高比例掺混（B75、B100）则落入高NOx、低BTE区间。
性能-排放指数（PEI）：PEI随生物柴油比例增加而单调下降（B0为1.0，B100趋近0），显示当前权重下高比例生物柴油的综合性能劣化。
游离脂肪酸降低的影响：酯化程度提升初期改善BTE和CO，但超过50%后BTE反降，NOx持续上升，反映转化率与燃烧特性间的复杂平衡。
年排放量对比：按年运行500小时计，B25相较柴油可降低CO（9.1%）和HC（10.4%）排放，但NOx增加7.6%，提示需辅助措施控制NOx。
4. RSM分析
BTE二次模型：模型显著（p=0.0011），负荷正效应显著，掺混比负效应显著且具曲率（A2项p=0.0009）。预测BTE在低掺混比、高负荷区最优。
NOx二次模型：模型高度显著（p<0.0001），负荷与掺混比均呈强正效应，且具显著曲率。NOx在高掺混比、高负荷区急剧上升。
多目标优化：合意度优化得最佳点为掺混比≈0%（近纯柴油）、负荷69%，对应BTE=26.6%、NOx=843 ppm（合意度0.664）。当前模型下生物柴油掺混未被推荐，因同时恶化BTE和NOx。
5. 结论
本研究通过系统实验与建模表明，水黄皮生物柴油掺混可有效降低CO和HC排放，但会牺牲BTE并升高NOx。RSM模型精准捕捉了双因子交互作用，优化结果指出中高负荷、低掺混比（如B25）为当前较优操作窗口。未来需结合喷油参数调整、EGR及后处理技术，方能在高比例生物柴油应用中实现效率与排放的协同控制。该研究为区域化非食用生物质燃料在农用动力装备中的清洁高效利用提供了实验依据与决策工具。
