对氢气、生物柴油和丁醇混合物在柴油发动机中的性能、燃烧及排放特性的实验评估

《Renewable Energy》：An experimental evaluation of hydrogen, biodiesel and butanol blends on performance, combustion and exhaust characteristics in a diesel engine

生物柴油、丁醇和氢气作为替代燃料在四冲程四缸柴油发动机中的性能、燃烧及排放特性研究。发现氢气比例增加导致制动能量消耗率上升，缸内压力和温度显著升高，NO排放达9.2g/kWh，生物柴油替代柴油增加HC、NO和CO2排放，丁醇混合燃料减排效果明显。

　　

穆斯塔法·瓦尔贡（Mustafa Vargün）|沃尔坎·卡伦德（Volkan Kalender）|伊尔克尔·图尔古特·耶尔马兹（Ilker Turgut Y?lmaz）

土耳其伊斯坦布尔马尔马拉大学（Marmara University）技术学院机械工程系，邮编34854

摘要

发动机排放的高水平污染物会加剧环境污染，进而引发全球变暖。在这方面，使用环保燃料被认为是内燃机的一个可行选择。本研究考察了生物柴油、丁醇和氢气（H₂）作为化石柴油替代品对四冲程四缸柴油机性能、燃烧过程及尾气排放的影响。随着氢气在能源中所占比例的增加，制动比能耗上升而制动比燃油消耗下降。在高氢气比例的测试中，气缸内气体压力超过了100巴，气体温度超过了2000开尔文，同时最大压力增加率也提高了50%以上。此外，在B30 + 70H₂组合下，最大氮氧化物（NO）排放量仅为9.2克/千瓦时。用生物柴油替代柴油通常会导致碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO）和二氧化碳（CO₂）排放量的增加；而添加丁醇后，根据纯生物柴油的测试结果，排放量有所减少。

引言

近年来，人们对温室气体（GHG）排放对环境和公共健康影响的关注日益加剧。因此，国际政策和监管框架越来越重视减少主要由化石燃料产生的二氧化碳（CO₂）排放[1]。根据欧盟（EU）的统计数据，大约四分之一的温室气体排放来自交通运输领域[2]，其中道路交通占比超过70%[2]。为了实现全球净零排放目标[5]，有必要加速向低碳[3]和碳中和[4]能源的转型，以有效替代交通运输领域的传统石油基燃料。

研究人员近期研究了酒精[6,7]、氨[8,9]、生物柴油（包括本地生产的生物柴油[10]和基于废弃物的生物柴油[11]）以及氢气（H₂）在内燃机中的应用[12,13]。氢气作为一种无碳气体燃料，具有高能量密度，并有多种生产途径，是可再生能源领域的一个有力候选者[14]。然而，目前氢气的储存、运输及总体成本仍是其广泛应用的重大障碍[15]。此外，像生物柴油[16]和高级醇类[17]这样的可再生燃料已被证明能有效减少对环境和人类健康构成威胁的特定排放物。

Leo G.M.L.等人[18]发现，使用生物柴油时气缸内气体压力略低于使用柴油时。另一方面，添加氢气会导致气缸压力峰值上升。另外，替代燃料与柴油的混合物可以减少一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的排放。Li Z.等人[19]指出，在40牛顿米（Nm）的发动机负载下，增加氢气比例可以提高最大热释放率（HRR）和燃烧持续时间。总体而言，使用柴油-氢气混合物后，一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）和碳氢化合物（HC）的排放量均有所下降；但同时制动比燃油消耗（BSFC）上升，制动热效率（BTE）下降。

K?se H.和Civiniz M[20]指出，与柴油燃料相比，使用柴油-氢气混合物可以提高制动热效率（BTE）和排气温度。此外，柴油-氢气混合物通常能减少一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的排放，但会增加氮氧化物（NO_x）的排放。Mahto S.等人[21]研究了柴油-生物柴油-氢气混合物对四冲程单缸柴油机性能和尾气排放的影响。随着发动机负载的增加，所有燃料类型的熱效率都有所提高。增加氢气比例可以减少一氧化碳（CO）的排放；但在低负载条件下，柴油-生物柴油混合物会导致氮氧化物（NO_x）排放量上升。Rajak U.等人[22]使用柴油-乙醇-氢气混合物在四冲程单缸柴油机上进行了研究，分析了其对发动机性能、燃烧过程和尾气排放特性的影响。添加乙醇和氢气后，气缸内气体压力高于纯柴油运行时；压缩比增加也提高了热效率。Gültekin N[23]发现，在所有测试条件下，随着发动机负载的增加，热效率均有所提升，其中柴油-乙醇混合物的效率最高。替代燃料提高了气缸内气体压力，并减少了碳氢化合物（HC）和二氧化碳（CO₂）的排放。

Yadav P. S.等人[24]研究了柴油-生物柴油-氢气混合物在四冲程单缸柴油机中的应用。与纯柴油和柴油-生物柴油混合物相比，这种混合物的热效率较低，燃油消耗较高。所有替代燃料混合物均减少了碳氢化合物（HC）和二氧化碳（CO₂的排放。?ner I. V.等人[25]报告称，混合燃料增加了燃油消耗并降低了热效率。基于这些研究，本研究重点评估了向发动机供应大量氢气以及向由废弃食用油制成的生物柴油中添加高比例酒精对发动机性能的影响。文献回顾显示，氢气的添加比例通常有限[26, [27], [28]]；而本研究则探讨了通过进气系统输送的氢气流量高达30升/分钟（30 L/min）和70升/分钟（70 L/min）的情况。

由废弃食用油制成的生物柴油被视为化石柴油的有希望的替代品。因此，在本研究中，生物柴油与丁醇（一种含氧酒精燃料）进行了混合。为了保持相稳定性和确保可靠燃烧，生物柴油-丁醇混合物中的丁醇含量被控制在体积比的30%。实验使用的是一款K9K-700型四缸商用柴油机，该发动机通常在部分负载下运行。测试在40牛顿米（其最大负载的25%）以及1400、1500和1600转/分钟（rpm）的转速下进行，这些转速代表了典型的运行条件。研究系统地评估了这些燃料混合物和氢气添加对发动机性能、气缸内燃烧过程及尾气排放特性的影响。

测试平台

本研究使用了一台涡轮增压、水冷、四缸、八气门的柴油机，配备了共轨燃油喷射系统。实验装置包括K9K测试发动机、涡流测功机、Febris燃烧分析软件、Bosch尾气分析仪和Bosch诊断单元。图1展示了测试系统的整体布局。

发动机测试在三种不同的转速（1400 rpm、1500 rpm和1600 rpm）以及五种不同的燃料条件下进行。

制动比能耗（BSEC）

如图2所示，在恒定发动机负载（40 Nm）下，不同转速和燃料类型下的制动比能耗（BSEC）变化情况。观察到在1600 rpm转速下，FBDF的能耗比1400 rpm转速下的能耗降低了5%以上。这可能是由于发动机转速提高导致的热传递减少所致。

结论

本研究使用配备共轨直喷系统的四冲程四缸水冷柴油机，探讨了五种不同燃料对发动机性能、燃烧特性和尾气排放的影响。测试在恒定负载和不同转速下进行。与纯生物柴油（FBDF）相比，所有替代燃料的制动比能耗（BSEC）均有所增加，其中B30 + 70H₂混合物的降低幅度最大。

作者贡献声明

穆斯塔法·瓦尔贡（Mustafa Vargün）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计及概念构建。沃尔坎·卡伦德（Volkan Kalender）：负责初稿撰写、方法论设计、数据整理。伊尔克尔·图尔古特·耶尔马兹（Ilker Turgut Y?lmaz）：负责审稿与编辑、监督工作、方法论设计、数据整理及概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。