《International Journal of Hydrogen Energy》：Performance and emission characteristics of a CI engine fueled with hydrogen-enriched biodiesel
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本研究通过实验评估了氢气富集对使用玉米油甲酯（COME20）的压燃发动机性能、燃烧特性及排放的影响。结果表明，氢气掺烧显著提高了燃烧效率和性能，最高掺烧比例（26.64%）使热效率达40.77%，同时降低了CO和HC排放，但NOx排放因缸内温度升高而增加。
A. Velmurugan|Kubilay Bayramo?lu|T.V. Rajamurugan|C. Rajaganapathy|S. Murugapoopathi|S. Senthil
机械工程，Dharmapuri政府工程学院，印度636704
摘要
随着减少排放和提高压缩点火（CI）发动机效率的需求日益增长，对氢辅助生物柴油燃烧的研究也在加速进行。本研究的目的是实验性地评估氢富集对使用玉米油甲酯（COME20）作为燃料的CI发动机性能、燃烧特性和排放特性的影响。实验是在一台单缸四冲程水冷直喷CI发动机上进行的，发动机以恒定速度运行。氢气通过进气歧管以13.32%、19.98%和26.64%的体积富集比引入，而纯柴油运行作为参考条件。在广泛的发动机负荷范围内测量了发动机性能参数、缸内燃烧特性和排气排放。结果表明，氢富集显著提高了燃烧效率和发动机性能。最高的氢富集水平（26.64% H2–COME20）实现了最高的制动热效率（40.77%）和最低的制动比油耗。由于氧化作用的改善，氢的添加显著减少了二氧化碳和碳氢化合物的排放，但由于缸内温度升高，氮氧化物的排放量有所增加。燃烧分析显示，随着氢含量的增加，缸内压力峰值升高、热释放率提高，点火延迟缩短。总之，氢富集的COME20燃料为提高现有CI发动机的效率并减少碳基排放提供了一种实用且有效的方法，为更清洁、更可持续的发动机技术提供了有前景的短期途径。
引言
交通运输和发电行业仍然严重依赖化石燃料，而这些燃料正受到资源枯竭、严格的排放法规和全球气候变化缓解目标的限制。由于人口增长和工业化推动的能源需求迅速增长，对更清洁、更可持续和更高效的能源转换技术的需求日益迫切[[1], [2], [3]]。在这种背景下，尽管全球正朝着电气化方向发展，内燃（IC）发动机在重型、农业和分散式能源应用中仍占据主导地位。因此，通过使用替代低碳燃料来改善IC发动机的环境性能仍然是一个关键的研究重点[4,5]。替代能源是指不会产生碳排放且环保可持续的能源。在这方面，学术界和工业界都在对氢和生物柴油等替代能源进行广泛的研究[6]。
在可再生替代能源中，生物柴油因其可再生性、生物降解性和良好的燃烧特性而成为传统柴油燃料的有希望的替代品。通过植物油或动物脂肪的酯交换反应生产的生物柴油具有较高的十六烷值、固有的氧含量、改善的润滑性以及减少的一氧化碳（CO）和未燃烧碳氢化合物（HC）排放等优点[7]。然而，生物柴油在压缩点火（CI）发动机中的实际应用仍面临一些挑战，包括较高的粘度、较差的冷流性能以及在某些运行条件下会增加氮氧化物（NOX）排放的倾向[8]。这些限制需要使用燃烧增强策略或燃料添加剂来充分发挥生物柴油的环境效益。
氢被广泛视为未来的能源载体，由于其无碳特性、宽广的燃烧范围、高的火焰速度和低的点火能量，为IC发动机提供了独特的优势[9,10]。氢燃烧仅产生水蒸气作为副产品，使其成为减少温室气体和颗粒物排放的有吸引力的选择。当作为CI发动机的补充燃料使用时，氢可以显著提高燃烧效率，促进更快的热量释放，并减少CO和HC等不完全燃烧产物[11]。然而，由于氢的高反应性和低点火能量，直接在柴油发动机中使用氢会受到异常燃烧、回火和爆震等问题限制[12,13]。因此，双燃料策略越来越受到关注，在这种策略中，氢作为辅助燃料，而柴油或生物柴油提供点火源[14]。大多数关于氢辅助生物柴油燃烧的研究都集中在大豆、棕榈、麻风树和废弃食用油甲酯等广泛使用的原料上，因为它们具有商业可用性和已建立的燃料特性[[15], [16], [17]]。这些生物柴油通常具有相对较高的饱和度和一致的燃烧行为，这导致了发动机性能和排放的明显趋势。相比之下，玉米油甲酯（COME）具有独特的脂肪酸组成，其中不饱和脂肪酸的比例较高，这影响了压缩点火发动机中的点火行为、热量释放特性和排放[18]。
最近的研究表明，对生物柴油燃料的氢富集可以显著改善发动机性能和排放特性。Kumar [19] 通过研究功能性添加剂、氢富集和条件监测技术在优化内燃机性能和排放方面的作用，重点关注了生物质生物柴油的利用。Arivalagan等人[20]研究了使用来自氨裂解的氢与微藻基生物柴油混合物作为柴油发动机辅助燃料对燃烧、性能和排放的影响。Palani和Subramanian [21]研究了柴油、Prosopis Juliflora油甲酯混合物以及氢添加对双燃料模式下柴油发动机燃烧、性能和排放的影响。Selvam D等人[22]研究了氢熏蒸对使用皂果生物柴油的单缸压缩点火（CI）发动机燃烧效率和排放特性的影响。Shirfule等人[23]展示了在不同燃料喷射时间下，氢补充对废弃食用油生物柴油燃料压缩点火发动机性能、燃烧和排放参数的影响。Kül等人[24]研究了在重型柴油发动机中添加生物柴油、纳米硼烷和氢的效果。Nayak等人[25]研究了在双燃料模式下运行的柴油发动机车辆中添加有机抗氧化剂对氢富集生物燃料（Azolla pinnata）性能的影响。Leo等人[26]使用响应面方法（RSM）分析了运行在腰果壳油生物柴油和氢上的双燃料柴油发动机的最佳运行条件。
对现有文献的批判性回顾显示，大多数研究集中在常用的生物柴油原料上，如大豆、棕榈和废弃食用油或麻风树甲酯。相比之下，尽管玉米油甲酯（COME）具有有利的脂肪酸组成、可用性和可持续生物柴油生产的潜力，但对其的研究相对较少。此外，许多研究仅考察了有限的氢富集水平，或者主要关注性能或排放，而没有提供包括缸内压力、热量释放率（HRR）和点火延迟在内的燃烧动力学的全面分析。
本研究的新颖之处主要在于使用了相对较少被研究的生物柴油原料——玉米油甲酯（COME20）进行氢辅助燃烧研究。此外，该工作在相同的发动机运行条件下系统地研究了多种氢富集比，从而能够一致且可靠地评估氢对发动机行为的影响。与许多仅关注有限性能或排放指标的先前研究不同，本研究通过同时分析发动机性能、排气排放和缸内燃烧特性，提供了全面的评估。这种综合方法建立了氢含量与燃烧动力学之间的明确定量关系。
本研究的结果为氢富集生物柴油燃烧的扩展文献做出了有意义的贡献，提供了直接相关的实验验证见解，这些见解对发动机优化和可持续燃料开发具有重要意义。从更广泛的能源转型角度来看，结果表明，氢富集生物柴油可以作为减少现有柴油发动机环境足迹的实用且可行的短期解决方案，同时需要对现有发动机技术进行最小的硬件修改和兼容性调整。
部分摘录
氢燃烧特性
尽管氢燃烧在排放方面是环保的，但其实际应用与存储、泄漏和易燃性相关的安全挑战有关。因此，在将氢集成到内燃机应用中时，适当的安全系统和操作规程是必不可少的[27]。由于这一特性，没有点火源的情况下无法在柴油发动机系统中使用氢。因此，必须存在一个点火源
发动机性能特性
研究人员通过进气歧管将氢气引入使用生物柴油的DI柴油发动机中。添加的氢气比例在13.32%、19.99%和26.64%之间变化。作者观察到，添加到生物柴油发动机中的26%的氢发生了爆震。研究人员分析了几项指标，如排放、性能和燃烧，并将其与不同负荷条件下的纯柴油发动机进行了比较。
结论
本研究实验性地研究了在不同氢富集比例下，使用玉米油甲酯（COME20）作为燃料的直喷压缩点火发动机的性能、燃烧和排放特性的影响。COME20和氢的联合使用对于现有柴油发动机平台的环境可持续性和更清洁的能源转换尤为重要。本研究的主要发现如下：
?实验结果
CRediT作者贡献声明
A. Velmurugan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，项目管理。Kubilay Bayramo?lu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，方法论。T.V. Rajamurugan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，资源，项目管理。C. Rajaganapathy：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查，概念化。S. Murugapoopathi：撰写 – 审稿与
利益冲突声明
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