《Journal of the Energy Institute》：Effects of metallic and metal oxide nanoparticle composition and concentration on the combustion and emission characteristics of diesel
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纳米颗粒对柴油发动机燃烧及排放的影响研究显示，金属和金属氧化物纳米颗粒（如CeO?）通过促进燃料脱氢和增强热传导提升热效率，低中高负荷下效率分别提高3.3%-3.7%、2.9%-2.8%、2.4%-1.7%。纳米颗粒同时减少NOx排放达35.8%-51.6%，其中CeO?因丰富的表面氧化位点效果最佳，200 ppm时热效率最高且排放最优。
孙万晨|谢星珍|张浩|姜梦琪|郭亮|李德刚|曲大伟|杨淼|杜家坤
吉林大学汽车底盘集成与仿生技术国家重点实验室，长春，130025，中国
摘要
纳米颗粒在燃烧系统中的应用引起了广泛关注。然而，不同类别纳米颗粒之间的比较机制研究以及纳米颗粒浓度与发动机负荷之间的耦合机制尚未得到充分探索。为此，本研究系统地研究了金属和金属氧化物纳米颗粒的组成和浓度对柴油发动机燃烧和排放特性的影响，以揭示其背后的机制。结果表明，添加金属和金属氧化物纳米颗粒可以通过脱氢效应增强燃烧过程，从而提高热效率。在低、中、高负荷条件下，热效率分别提高了3.3%和3.7%、2.9%和2.8%、2.4%和1.7%。同时，通过增强燃料滴与空气之间的热传递，燃烧的周期性变化得到了减小。与金属纳米颗粒相比，金属氧化物纳米颗粒引起的微爆炸更为温和，并且具有更低的热导率，这进一步促进了它们在提高热效率和减少燃烧周期性变化方面的优势。此外，金属和金属氧化物纳米颗粒通过增强碳氢化合物和氧的活化反应显著降低了NOx排放，在高负荷下的减排效果更为显著，分别降低了35.8%、40.6%和51.6%。此外，研究表明，由于其丰富的表面氧化位点，CeO2在抑制CO和颗粒物排放方面最为有效。更重要的是，系统优化揭示了抑制效应和微爆炸效应之间的竞争。这些相互对立的影响导致热效率在CeO2浓度升高时先增加后降低。其中，当CeO2纳米颗粒的添加浓度为200 ppm时，热效率的提高最为显著，在低、中、高负荷条件下分别提高了3.3%、2.7%和1.6%，同时也实现了最佳的总体排放性能。
引言
在日益严重的能源短缺和环境限制背景下，纳米颗粒因其独特的物理化学性质而在学术界和工业界引起了广泛的研究兴趣，尤其是在燃烧系统中的应用[[1], [2], [3]]。在能源和燃烧领域，提高热效率和减少污染物排放的主要技术策略包括燃料改性（例如，将柴油与乙醇混合）、燃烧系统优化（例如，高压共轨喷射）和后处理技术（例如，选择性催化还原）。然而，这些方法都有缺点：燃料改性可能会降低热值；燃烧系统的改进受到机械设计限制；后处理技术增加了系统的复杂性和能耗[4,5]。因此，从燃烧反应的基本层面增强燃料反应性和优化能量释放过程仍然是克服当前技术限制的关键方向。通过向传统液体燃料中添加纳米颗粒形成的纳米燃料展示了独特的优势[[6], [7], [8]]。先进合成方法（如沉淀和水热技术）的成熟使得能够精确控制纳米颗粒催化剂的大小、形态和结构。这一能力拓宽了它们的应用范围[[9], [10], [11]]，从而确立了它们作为修改燃料物理化学性质的重要手段[[12], [13], [14]]。当纳米颗粒作为燃烧催化剂添加到燃料中时，通过适当的组成和引入策略，可以赋予纳米燃料更优的燃烧特性[15,16]。因此，将纳米颗粒添加到柴油中作为燃烧促进剂代表了一种具有理论意义和实际工程可行性的创新方法，用于改善柴油发动机的燃烧和排放性能[17,18]。
目前，已经开展了一系列关于纳米颗粒催化剂在柴油等燃料中的研究。Srinidhi [19]研究了纳米Ni颗粒对生物柴油-柴油混合物燃烧特性的影响。研究发现，将Ni纳米颗粒以25 ppm、50 ppm、75 ppm和100 ppm的浓度添加到基础燃料中，分别使指示的燃油消耗降低了5.3%、6.9%、7.1%和7.9%。Hayder [20]的研究表明，将Al2O3和TiO2纳米颗粒添加到柴油中，分别使指示的热效率提高了5.4%和1.6%，同时点火延迟分别缩短了5.5%和1.0%。同样，Jegan [21]证明，将混合纳米金属氧化物颗粒加入到柴油-生物柴油混合物中，使缸内压力峰值提高了23.4%，热释放率提高了16.6%，指示的热效率提高了4.0%。此外，CO、NOx、UHC和烟尘的排放分别减少了33.4%、68.3%、22.8%和31.0%。总体而言，向发动机使用的燃料中添加合适的纳米颗粒催化剂已被证明有助于提高发动机性能，包括提高指示的热效率、降低燃油消耗和减少污染物排放。此外，由于纳米颗粒具有良好的机械稳定性和纳米级尺寸，添加纳米颗粒催化剂不需要对发动机进行结构修改。纳米燃料还与传统的燃料喷射系统具有良好的兼容性[22]。在关于纳米燃料的研究中，纳米颗粒对燃料-空气界面混合和热传递过程的影响被广泛认为是提高基础燃料燃烧特性的主要因素。Zhang [23]的研究表明，纳米颗粒在滴液表面的积聚限制了蒸汽传输，并提供了比燃料滴液本身更高的热吸收效应，从而促进了滴液蒸发速率的提高。Guerieri [24]提出，在火焰激发下，高能量或高化学活性的纳米颗粒有助于促进燃料滴液蒸发和燃料-空气混合，促进了纳米颗粒向火焰的传输，并增强了能量和氧的释放，最终提高了燃烧速率。纳米颗粒的高比表面积是纳米燃料研究中另一个受到广泛关注的关键参数。研究人员将纳米颗粒对燃料雾化和燃烧过程的增强效应主要归因于其高比表面积。Hosseini [25]的研究表明，纳米颗粒的高比表面积在燃烧过程中增强了界面热传递速率，从而降低了纳米燃料中HC、CO、NOx和烟尘的排放。Gad [26]的研究表明，纳米颗粒的反应性表面促进了燃料的更完全燃烧，从而降低了排气温度和NOx排放。Nanthagopal [27]将HC、CO和NOx等排放物的减少归因于纳米颗粒活性表面发生的催化氧化还原反应。最近的进展强调了将纳米颗粒和二次燃料战略性地结合作为优化发动机性能和排放特性的可行途径[28]。例如，碳基纳米材料（如碳纳米管）与后处理系统结合使用，进一步减少了污染物排放[29]，而多功能纳米颗粒催化剂在燃料燃烧过程中表现出增强的催化活性[30]。在纳米颗粒添加到柴油发动机方面的研究取得了显著进展，证实了它们在提高燃烧效率和减少排放方面的巨大潜力。Murugesan [31]系统地比较了各种纳米添加剂（包括ZnO、Al2O3和TiO2），并报告某些金属氧化物可以将制动热效率提高多达8.3%。Tuan Hoang [32]的综述指出，金属纳米颗粒由于其高比表面积和热传递系数，显著改善了燃料雾化特性。关于广泛研究的材料CeO2，Che Hsiao [33]发现CuO-CeO2复合纳米颗粒分别降低了CO和NOx排放32.2%和7.56%。Tesfaye [34]也证实了CeO2在生物柴油中的优异催化性能。
然而，尽管现有研究证实了纳米颗粒的积极效果，但在深入分析其背后的机制方面仍存在局限性。首先，缺乏在同一平台上对金属和金属氧化物纳米颗粒进行比较的机制研究。正如Vellaiyan [35]最近指出的，不同纳米颗粒组成在减排方面表现出不同的优势；然而，这些差异背后的物理化学机制——特别是它们对燃烧相位和周期性变化的不同影响——仍有待阐明。其次，现有的关于纳米颗粒浓度优化的研究主要局限于报告宏观影响，未能揭示与发动机负荷的耦合机制。例如，Alenezi [36]观察到Al2O3浓度较高时NOx排放增加，但这种非单调趋势的原因尚未得到解释。因此，文献中缺乏一个统一的机制框架来理解浓度变化对性能的影响。为了填补这些研究空白，本研究探讨了纳米颗粒类型和浓度在柴油燃烧条件下的燃烧和排放特性影响。这项工作为柴油发动机的优化提供了一条创新的纳米催化途径，有望为催化辅助燃烧的理论框架做出贡献，并为其他基础燃料中应用纳米颗粒提供基础数据和理论支持。
实验平台与测量设备
热力学发动机实验平台和测量设备
图1显示了本研究中使用的热力学实验平台的示意图，该平台已在团队之前的研究成果中进行了详细描述[37]。这里仅提供简要描述。实验平台主要由一个从四缸柴油发动机改造而来的单缸发动机、涡流测功机及其测量和控制系统、燃料供应系统、两级模拟涡轮增压系统、中冷EGR系统等组成
纳米颗粒组成对基础燃料燃烧特性的影响
该研究首先以200 ppm的添加浓度为例，探讨了纳米颗粒组成对基础燃料燃烧和排放特性的影响。图3展示了纳米颗粒组成对缸内压力和热释放率的影响。结果表明，无论是金属还是金属氧化物纳米颗粒的添加都能促进燃烧的开始，并在各种负荷条件下提高缸内压力峰值
结论
本研究系统地研究了金属和金属氧化物纳米颗粒的组成和浓度对柴油燃料燃烧和排放特性的影响。这项工作加深了对纳米燃料燃烧机制的理解，并为它们在柴油发动机中的目标应用奠定了基础。主要结论如下：
1.研究揭示了纳米颗粒组成的关键影响，并确立了金属氧化物的综合优势
作者贡献声明
孙万晨：监督、方法论、正式分析。谢星珍：写作——审稿与编辑、初稿撰写。张浩：资源获取、资金筹集、数据管理。姜梦琪：初稿撰写、软件使用、数据管理。郭亮：正式分析、概念构思。李德刚：验证、监督、软件使用。曲大伟：验证、监督、软件使用。杨淼：正式分析、概念构思。杜家坤：正式分析、概念构思。
利益冲突
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52576118, 52202470）的财政支持。
