在GDI发动机中重新平衡效率与排放之间的权衡：一种结合氧化铈、硼和多孔碳纳米粒子的三重协同方法

《International Journal of Hydrogen Energy》：Rebalancing the efficiency–emission trade-off in GDI engines: A triple-synergistic approach with cerium oxide, boron and porous carbon nanoparticles

本研究通过添加铈氧化物、硼和纳米多孔碳的三元协同纳米添加剂，在无需发动机硬件改造的情况下，显著提升汽油直喷发动机的热化学效率达0.50%，同时使CO和HC排放分别降低70.1%和55.8%，并验证了其经济可行性。

　　

Mehmet Selman G?kmen

内杰梅丁·埃尔巴坎大学（Necmettin Erbakan University），塞迪谢希尔职业高中（Seydi?ehir Vocational High School），汽车与运输技术系（Department of Motor Vehicles and Transportation Technologies），科尼亚，土耳其（Konya, Türkiye）

摘要

本研究探讨了一种三重协同作用的纳米燃料添加剂策略，旨在在不进行任何硬件修改的情况下改善内燃机中燃烧效率与碳排放（一氧化碳和碳氢化合物）之间的基本权衡。在此背景下，假设超低剂量（最大15 ppm）的氧化铈（CeO₂）、硼（B）和多孔碳（PC）纳米颗粒的联合使用可以通过物理、热和化学机制同时调节燃烧过程。实验是在一台1.2升涡轮增压汽油直喷（GDI）发动机上进行的，该发动机在50%的负载下运行，转速范围为1000–3500 rpm。

最佳三元配方（Fuel 17：5 ppm CeO₂ + 5 ppm B + 5 ppm PC）使用碳平衡方法评估后，使热化学燃烧效率提高了约0.50%。这种提升归因于PC通过微爆炸现象引起的二次雾化、硼对火焰焓值的增强，以及CeO₂的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环加速了碳的氧化。同时，一氧化碳和碳氢化合物的排放量分别减少了70.1%和55.8%，从而使基于碳的毒性指数（CTI）降低了67.1%。特定催化解毒效率（CDE_SPEC）达到每ppm +4.47%，证实了添加剂成分之间存在非线性的正向协同效应。尽管燃烧质量的提高导致NO排放量在热力学上有所增加，但边际技术经济分析表明，所获得的效率提升抵消了添加剂成本，每吨产生的净经济效益约为2.20美元，从而表明了所提出方法的工业可行性。

引言

全球能源需求和化石燃料的枯竭正在推动交通运输向高效、可持续的技术发展。虽然电气化技术不断进步，但内燃机在高负载、长距离和重型应用中仍然非常重要[1]。这凸显了在现有发动机架构的约束下提高燃烧效率同时减少受监管污染物排放的必要性[2]。

尽管汽油直喷（GDI）、均匀混合压缩点火（HCCI）和预混合压缩点火（PCCI）等发动机技术有所进步，但效率与排放之间的权衡仍然是一个关键限制。燃烧效率的提高会导致缸内温度升高，从而增加NO_x的生成[3]。这种热力学平衡构成了一个难以在没有硬件修改的情况下克服的关键工程挑战[4]。

基于纳米技术的燃料添加剂为内燃机的原位燃烧优化提供了一种有前景的方法[5]。纳米颗粒可以通过其高表面积与体积比、热导率和催化活性来影响燃烧过程。金属氧化物纳米颗粒可以增强热传递和燃烧速率，而含碳纳米结构有助于液滴破碎和微爆炸的形成[6,7]。其中，氧化铈（CeO₂）因其Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原转变和高氧存储能力（OSC）而特别值得关注，这使得它能够催化促进一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的氧化[8]。

迄今为止，大多数关于纳米燃料添加剂的研究主要集中在单组分（单体）或二元纳米颗粒系统上[9,10]。虽然这些研究展示了特定燃烧特性的改善，但它们往往未能解决燃烧过程的多方面性质，该过程同时涉及物理（雾化-蒸发）、热（热量释放）和化学（反应动力学）机制。仅隔离其中一个方面的方法通常只能带来有限的性能提升，并且常常忽略了热力学上的代价，特别是效率与NO_x之间的权衡[11]。此外，关于这些添加剂的技术经济可行性的文献中存在显著空白；大多数研究强调性能提升，但没有定量评估效率提升是否能够抵消材料和制备成本。

为了弥合这些空白，本研究提出了一种“三重协同机制”，整合了三种不同的纳米颗粒来在多个层面上调节燃烧过程。在这种设计中，由于硼（B）纳米颗粒与传统碳氢燃料相比具有极高的比重和体积能量密度，因此被特别选为热增强剂。硼的高能量氧化会产生一个局部高温区域，从而支持火焰稳定性并增强混合物的热焓值[12]，这是单一的催化或物理添加剂无法提供的关键功能。这种热贡献旨在补充多孔碳（PC）引起的物理二次雾化和氧化铈（CeO₂）促进的化学催化氧化[14],[15],[16]。

因此，本研究的主要目的是通过实验评估CeO₂/B/PC系统对GDI发动机中燃烧效率与碳排放之间基本权衡的综合影响。与以往的研究不同，本研究采取了全面的方法：

i.

使用严格的碳平衡方法量化化学能向热能的转换率；

ii.

定义新的毒性加权指标，即基于碳的毒性指数（CTI）和特定催化解毒效率（CDE_SPEC），以评估超出简单浓度测量的环境影响；

iii.

进行边际技术经济分析，以确定能够实现自我补偿的经济平衡的配方。

通过整合这些物理、热和化学调节剂而不需要硬件修改，本研究旨在为将现有的内燃机架构转变为更清洁、更高效的运行模式提供科学依据。

部分摘录

测试燃料和纳米颗粒制备方案

本研究使用符合EN 228标准的95辛烷值无铅汽油作为参考燃料，该汽油由壳牌公司（Shell）提供。为了验证三重协同机制的核心假设，选择了三种具有互补物理化学性质的纳米颗粒添加剂。

•

PC：由于其高比表面积和多孔结构，PC可以加速燃料液滴内的热传递，从而促进与微爆炸相关的二次液滴分解过程

热化学燃烧效率和协同作用

热化学燃烧效率表示燃料化学能转化为热能的比例，反映了发动机的内在燃烧效率。图3显示了参考汽油以及最佳单一、二元和三元配方下η_comb随发动机速度的变化情况。参考燃料与三元混合燃料曲线之间的区域展示了纳米颗粒添加剂带来的效率提升。

掺有纳米颗粒的燃料显示出更高的热转化效率

实际应用和环境限制

本研究突出了三元混合纳米颗粒添加剂策略的潜力。然而，从实验室到工业应用的过渡需要解决燃料稳定性、摩擦学效应、后处理相互作用和颗粒排放等方面的不确定性。

•

燃料稳定性和物流管理

这里使用的“即时制备”方案有助于实验隔离，但不适用于商业燃料分配。纳米颗粒的高表面能可能会带来风险

未来工作

除了第4节讨论的技术和操作限制之外，建议以下研究方向以更全面的方式深化三重协同机制的基本科学基础并评估其可持续性影响：

多相CFD建模和反应动力学：尽管基于实验观察，PC和CeO₂/B颗粒火焰相互作用产生的微爆炸现象仍无法可视化。未来的工作应包括高保真度的CFD模拟

结论

本研究探讨了CeO₂、B和PC纳米颗粒之间的协同作用，以解决内燃机中的“效率-污染困境”。结果表明，三重混合纳米颗粒添加剂策略既可以提升性能，也可以调节燃烧过程。

Fuel 17（5 ppm CeO₂ + 5 ppm B + 5 ppm PC）的热化学燃烧效率达到了99.7%，显著高于参考汽油。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本作品时，作者使用了广泛的AI辅助技术[Gemini]来改进语言、可读性和格式。图形摘要是由基于AI的图像生成工具生成的，随后由作者进行了审查和编辑。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

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报告的工作。

致谢

作者感谢Hasan AYDO?AN教授在实验测量期间提供的宝贵支持。