《International Journal of Hydrogen Energy》：Impact of hydrogen enrichment along with n-pentanol and exhaust gas recirculation on the engine combustion, performance, and emission characteristics
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本研究探究n-戊醇 blending、废气再循环（EGR）与氢气加注对柴油发动机燃烧、性能及排放特性的协同效应。结果表明，n-戊醇 blending导致BSFC升高4.12%但BTE下降1.89%，EGR（15%）可降低NOx排放46.31%和烟尘25.49%，氢气（4 LPM）进一步使BTE提升3.68%并实现烟尘减排91.5%。三者协同优化可平衡性能与减排目标。
作者：Tamilselvan Pachiannan、Zeyu Li、Sunday B. Ogunjide、Ronghai Mao、Haiying Lin
中国杭州，北京航空航天大学杭州国际创新研究院，邮编311115
摘要
本研究探讨了正戊醇混合、废气再循环和氢气富集对柴油发动机燃烧性能和排放特性的协同效应。研究结果表明，由于正戊醇的燃料特性，其添加会增加制动比燃油消耗并降低制动热效率，但同时会降低燃烧压力比（MPRR）。随着废气再循环率（EGR）的增加，由于混合气稀释和燃烧温度的降低，也观察到了类似的结果。在15%的EGR率下，与基线柴油运行相比，P10混合物使NOx排放量减少了46.31%，烟尘排放量减少了25.49%。此外，4 LPM的氢气富集显著提高了发动机性能，制动热效率（BTE）从29.02%提高到了32.7%，同时显著降低了排放量，烟尘排放量减少了91.5%，NOx排放量减少了40.27%。
引言
随着柴油、汽油等化石燃料的逐渐枯竭，以及日益严格的排放法规的实施，人们开始转向可再生、经济且环保的替代能源。日益严重的环境问题和严格的排放标准加剧了寻找内燃机（IC）可持续和清洁能源替代方案的研究努力。尽管柴油发动机在热效率和耐用性方面优于汽油发动机，但它们会显著增加温室气体排放和有害空气污染物（包括氮氧化物[1]、颗粒物排放等）[2][3][4]。这些挑战促使人们广泛研究替代燃料和先进的燃烧策略，以在保持或提高发动机性能的同时减少这些排放。
来自可再生生物质来源的含酒精燃料因其富氧特性和更清洁的燃烧特性而成为内燃机的有希望的替代品。传统上，酒精因其高辛烷值而被认为是汽油发动机的理想替代品；然而，它们在柴油发动机中的潜在应用最近引起了广泛关注[6]。将酒精加入柴油燃料为柴油发动机的可持续运行提供了一条可行的途径。许多研究已经探讨了甲醇和乙醇等低级酒精在柴油发动机中的使用。然而，它们的低碳特性带来了一些挑战。由于–OH基团的极性和亲水性，特别是在低温下，酒精/柴油混合物中经常发生相分离[7]，导致燃料储存系统和燃料处理部件长期损坏[8]。因此，这些问题限制了这些低级酒精燃料在柴油发动机中的长期有效应用。此外，低级酒精的低十六烷值、低热值和高汽化潜热使得它们直接用于柴油发动机变得不太可行。
随着酒精碳数的增加，其燃料特性显著改善，包括更高的十六烷值和更低的汽化潜热。此外，高级酒精由于其较长的直链结构，具有更明显的非极性分子结构，这在低温条件下增强了疏水性和防水性[10]。在高级酒精中，正戊醇因其良好的特性（如高能量密度、固有的氧含量以及与柴油发动机的兼容性而不引起腐蚀[11]而受到越来越多的关注。正戊醇是一种五碳酒精，可以通过微生物发酵或从葡萄糖生物合成生产[12]。由于其较长的碳链，其生产所需的能量比低级酒精燃料少[13]。此外，正戊醇可以很容易地与柴油燃料混合，并且其燃料特性（如密度、粘度和汽化潜热）更接近纯柴油燃料。它的可再生来源和与现有发动机基础设施的兼容性使其成为柴油发动机中有吸引力的混合组分。然而，全面了解其对燃烧特性、发动机性能和污染物排放的影响是必要的。
多项研究探讨了高级酒精在柴油发动机中的应用。Atamali和Yilmaz[10]在各种发动机负荷下研究了正丁醇和正戊醇混合物（体积比5%至35%），发现制动比燃油消耗（BSFC）增加了约14.02%，制动热效率（BTE）降低了7.36%，与纯柴油燃料相比。值得注意的是，正戊醇使NOx排放量减少了约14.27%；然而，这两种酒精都引起了缸内冷却效应，导致燃烧效率降低，CO和HC排放量略有增加。在另一项研究中，甲醇和正戊醇以不同的比例与红花油甲酯一起注入进气歧管中作为引燃燃料[14]。在10%的质量分数下，正戊醇的效率高于甲醇；而在30%的比例下，甲醇的性能优于正戊醇，因为甲醇具有更高的汽化潜热。尽管这种喷射策略显著减少了烟尘排放，但它导致HC、CO和NOx排放量增加。
由于生物柴油的高粘度和不利的燃烧特性，它们在柴油发动机中也存在挑战。为了解决这些问题，Huang等人[15]研究了在不同操作条件下添加正戊醇到生物柴油-柴油混合物中的效果，并伴有废气再循环（EGR）。他们的发现显示，虽然保持了与纯柴油运行相当的BTE，但热释放率得到了提高。此外，观察到颗粒物排放（包括烟尘、总颗粒数浓度和总颗粒质量浓度）显著减少。Campos-Fernandez等人[16]证明，柴油发动机可以使用高达25%的戊醇-柴油混合物运行，而无需对发动机进行任何修改。在恒容燃烧室进行的燃烧研究也报告称，由于戊醇的富氧特性，戊醇-柴油混合物（20-40%）的烟尘排放量有所减少[17]。然而，大多数研究一致报告称，尽管NOx和颗粒物排放量有所减少，但在低至中等负荷条件下，燃油消耗量和CO及HC排放量却增加了[18,19]。使用柴油-戊醇混合物的研究表明，根据发动机操作条件，整体热值有所降低，同时NOx排放量有所改善。然而，HC和CO排放量通常较高，尤其是在低至中等负荷条件下。
重型柴油发动机在满足日益严格的排放法规方面面临重大挑战，尤其是在NOx和烟尘排放方面[20]。当使用戊醇-柴油混合物在高负荷下运行时，这一挑战更加突出[21]。废气再循环（EGR）是一种有效的策略，通过将部分废气重新循环到进气空气中来降低缸内温度和氧浓度，从而减少NOx排放。虽然EGR能有效抑制NOx的形成，但它通常会导致CO和颗粒物排放增加，因为燃烧不完全。先前的研究表明，将戊醇-柴油混合物与EGR结合使用可以在中等负荷下将NOx排放量减少多达57%，在高负荷下减少30%[22]。
最近，由于氢气的清洁燃烧特性和高反应性，氢气作为一种无碳能源载体受到关注。氢气与其他燃料的富集通过其高火焰速度和优异的扩散性提高了燃烧效率，从而减少了CO和颗粒物等不完全燃烧产物。研究表明，氢气富集可提高效率高达3%，并降低燃油消耗2-4%[23]。Duraisamy等人的研究[24]探讨了以不同速率（2.5至10 LPM）添加氢气，并与Prosopis Juliflora Methyl Ester生物柴油和癸醇混合使用的情况。氢气显著提高了制动热效率（在10 LPM时高达3.1%），并降低了燃油消耗，这归功于氢气的较高能量含量。CO（高达19.46%）、UHC（高达44%）和烟尘（高达81.57%）排放量显著减少，而NOx（高达25.69%）排放量有所增加。Serin和Y?ld?zhan[25]的研究报告称，在茶籽油生物柴油混合物中添加氢气可使燃油消耗量减少3-15%，CO排放量减少11-23%，尽管NOx排放量有所增加。Tyari和Abedi[26]的研究表明，在微藻生物柴油混合物中添加高达10 LPM的氢气显著降低了燃油消耗量、HC（34.3%）、CO（13.7%）和CO2（6.8%）排放量，同时燃油消耗量也有所提高（6%），尽管微藻生物柴油的热值较低，但NOx排放量有所增加。Zhang等人[27]观察到，在氢辅助生物柴油燃烧过程中，气缸压力、缸内温度和热效率有所提高，HC和CO排放量大幅减少，尽管NOx排放量有所增加。在氢富集的CNG双燃料发动机中也报告了类似的排放效益[28][29][30]。
尽管早期的研究分别探讨了正戊醇/柴油混合物、EGR和氢气富集在压缩点火发动机中的效果，但将这三种策略整合到单一实验框架中的系统研究仍然很少（见表1）。特别是，尚未全面报道在不同发动机操作条件下同时优化正戊醇混合比例、EGR率和氢气供应的情况。本研究通过实验评估正戊醇、EGR和无碳氢气富集的协同效应，特别关注缓解由于添加正戊醇和实施EGR而常见的发动机性能下降和燃油消耗增加的问题。与早期报告由于正戊醇热值较低而导致燃油消耗增加的研究不同，本研究表明氢气富集有效地弥补了这些特定缺点，提高了发动机性能，同时减少了发动机排放。本研究的新颖之处在于确定了实现发动机性能、燃烧行为和排放特性平衡改善的最佳正戊醇燃料混合比例、EGR水平和氢气富集率组合。通过提供这些方法之间的实验协同效应和优化，本研究有助于填补知识空白，并为可持续和低碳运输技术提供有价值的见解。
实验设置
发动机测试是在一台四冲程CRDI柴油发动机（单缸）中进行的，其实验设置如图1所示。发动机的技术规格详细列在表2中。共轨喷射系统使用高压泵确保了稳定的燃油供应，而电子控制单元调节了喷射压力和时机。气缸压力结果通过安装在气缸头部的压电传感器记录下来。
正戊醇、EGR和氢气富集对发动机性能特性的影响
图2显示了在不同发动机负荷下，不同正戊醇混合比例、废气再循环（EGR）率和氢气富集水平对制动热效率（BTE）和制动比燃油消耗（BSFC）的变化。总体而言，随着发动机负荷的增加，BTE提高而BSFC降低，这归因于在较高负荷下燃烧效率的提高和化学能向有用功的有效转化。
结论
在一台使用正戊醇/柴油混合物（体积比10-40%）作为燃料的压缩点火发动机上进行了实验研究，同时结合了废气再循环（最高25%）和氢气富集（1-6 LPM）。结果表明，虽然正戊醇混合本身由于其物理化学特性引入了一定的性能和排放惩罚，但EGR和优化氢气富集的联合应用可以有效克服这些限制，从而实现
作者贡献声明
Tamilselvan Pachiannan：撰写——原始草案、方法论、形式分析、概念化。Zeyu Li：撰写——审阅与编辑。Sunday B. Ogunjide：撰写——审阅与编辑、形式分析。Ronghai Mao：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。Haiying Lin：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT和Quill Bot AI工具来改进语言和可读性。使用这些工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了北京航空航天大学杭州国际创新研究院的研究资助（资助编号：2024KQ143）的支持。
