Fe?O?纳米颗粒与Karanja油甲酯改性柴油燃料在可持续能源应用中的研究

《Next Materials》：Fe?O? nanoparticle and Karanja oil methyl ester enhanced diesel fuel for sustainable energy applications

　　哈里克里希纳·纳格万 | 迪帕克·古普塔
印度德拉敦，Graphic Era Hill大学

**摘要**
本研究探讨了Fe?O?纳米颗粒对柴油发动机性能和排放的影响，特别是在使用卡兰贾油甲酯（KOME）与柴油混合燃料运行时。卡兰贾油是一种从非食用来源获得的生物柴油，其与柴油的混合比例从10%到40%不等，并加入了50 ppm和100 ppm的Fe?O?纳米颗粒，以考察其对发动机性能和排放的改善效果。研究重点考察了包括制动热效率（BTE）和制动比燃油消耗（BSFC）在内的关键性能指标，以及烟度等排放参数。研究表明，Fe?O?纳米颗粒先进生物柴油混合物有助于提高发动机性能并减少环境影响。实验结果表明，与纯柴油相比，在部分负荷下使用Fe?O?纳米颗粒的KOME-Diesel燃料可使制动热效率提高4.7%；同时在相同负荷下，K20N100的烟度排放减少了27.8%，比传统柴油降低了25.8%。因此，含有20% KOME和50 ppm Fe?O?的混合物（K20N50）在性能、燃烧效率和排放减少方面达到了最佳平衡，可以作为一种替代传统柴油的良好选择。Fe?O?纳米颗粒通过其催化作用（如氧气缓冲、增强热传递和更大的表面反应）改善了燃烧过程，从而进一步提升了发动机性能并减少了排放。

**1. 引言**
日益严重的环境问题以及传统化石燃料储备的枯竭引发了众多环境问题。柴油汽车在燃油消耗、耐用性和产生扭矩方面优于汽油发动机。然而，尽管柴油具有这些优势，但它也导致了严重的环境问题，尤其是在空气污染和公共健康方面[1]。自20世纪90年代初以来，柴油发动机的排放受到更严格的监管[2]。柴油燃料的燃烧会产生多种有害物质，如颗粒物（PM）、氮氧化物（NO?）、一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和二氧化碳（CO?），这些问题严重恶化了空气质量[3][4][5]。因此，关于替代和可再生能源的研究日益增多。尽管发动机技术有所进步，但根据最近的真实世界排放数据，柴油动力车辆仍然是有害气体和颗粒物排放的主要来源[1]。城市空气质量恶化、呼吸系统疾病和气候变化都与这些排放密切相关。生物燃料技术，尤其是来自可再生资源（如生物柴油）的能源，在环保特性（无毒性和可生物降解性）方面发挥了重要作用[6][7]。然而，仅靠生物柴油可能无法满足广泛应用所需的性能和排放标准。由于生物柴油粘度高、挥发性低且能量含量低于传统柴油，其发动机性能可能会下降，排放也会增加[8]。

印度政府推出了一系列政策鼓励使用生物燃料，特别是乙醇和生物柴油，旨在提升能源安全、支持农业发展并减轻环境污染，例如2022年乙醇混合汽油计划（EBP）、2018年生物燃料国家政策、废弃食用油（UCO）计划及总理JI-VAN计划[9][10]。政府支持使用木质纤维素生物质等资源生产生物乙醇的项目，并为之提供补贴。这些举措表明印度致力于实现绿色和独立的未来。

生物柴油生产的最新进展旨在解决一些挑战。第二代生物柴油来自非食物生物质（如木质纤维素材料），这有助于缓解粮食与燃料之间的竞争。此外，研究人员正在研究纳米催化剂以进一步提高酯交换过程的效率并降低成本。随着技术的不断发展，生物柴油生产正变得越来越经济高效且环保。研究表明，传统的均相催化剂存在再利用率低、产生皂类物质以及分离难度大的缺点[11][12]。为克服这些局限性，研究者开始研究将金属纳米颗粒应用于燃料中。金属氧化物纳米颗粒（如氧化铁Fe?O?和Fe?O?）因能够提高燃烧效率、减少点火延迟和整体发动机性能而受到关注[13][14]。Fe?O?基磁性纳米催化剂的额外优势还包括可以通过外部磁场轻松回收，大幅缩短下游处理时间和降低运营成本[15]。最新研究显示，在理想条件下，Fe?O?支持的或混合纳米催化剂可生产出转化率超过95-98%的生物柴油，且具有较高的重复使用性[16]。例如，纳米磁性催化剂CaO/FeO?和Sr-FeO?表现出优异的催化效率和较低的活化能要求，进一步提高了工艺的可持续性和能源效率[16]。此外，超声波辅助酯交换等先进技术通过将纳米技术应用于生物柴油制造中，显著降低了反应时间和能耗[16]。

本研究评估了Fe?O?纳米颗粒对卡兰贾油甲酯（KOME）-柴油混合燃料的影响。尽管已有许多关于Fe?O?、CeO?和Al?O?纳米颗粒的研究[17]，但本研究的独特之处在于针对卡兰贾油甲酯（KOME）-柴油混合物优化了Fe?O?纳米颗粒的浓度，并研究了它们在选定工作条件下的综合影响。实验使用含有150 mg/L CeO?、SiO?和TiO?纳米颗粒的B25藻类生物柴油在柴油发动机中的表现，结果显示B25TiO?混合物的表现更好：缸内压力提高了23.4%，放热速率提高了16.6%，制动热效率提高了32.4%，而制动比燃油消耗降低了25.62%，一氧化碳降低了33.4%，氮氧化物降低了68.3%，未燃碳氢化合物降低了22.75%，烟度降低了30.99%[18]。另一项实验使用含有50 ppm、100 ppm和150 ppm Fe?O?纳米颗粒的乔霍巴生物柴油在柴油发动机中进行，结果表明100J10混合物的表现最佳：一氧化碳降低了49.84%，碳氢化合物降低了66.88%，二氧化碳增加了26.33%，NO?增加了24.04%，制动比燃油消耗提高了4.02%，制动热效率提高了4.21%[19]。还有研究利用超声波辅助纳米流体生产方法制备了含有Fe?O?纳米颗粒（50、100和150 ppm）的WCO生物柴油混合物，并在柴油发动机中进行了测试，结果表明D70WCOB30+Fe?O?（100 ppm）混合物具有更好的制动热效率和更低的制动比燃油消耗，减少了CO和未燃碳氢化合物排放，同时提高了NO?含量并改善了燃烧特性[21]。还有研究使用废弃食用油生物柴油研究了柴油发动机的性能和排放，发现添加75 ppm FeO?纳米颗粒后制动热效率提高，制动比燃油消耗降低[22]。此外，该研究还探讨了Fe?O?纳米颗粒与KOME混合物（混合比例为10-40%）之间的相互作用，这些现象在之前未有充分记载。本研究为理解Fe?O?纳米颗粒在KOME-柴油混合物中的基本燃烧过程和减排机制提供了新视角，尤其是微爆现象、更好的雾化效果以及碳氢化合物颗粒的氧化增强。

尽管许多研究已经关注了Fe?O?、CeO?和Al?O?等金属氧化物纳米颗粒在生物柴油中的应用，但很少有研究专门针对卡兰贾油甲酯（KOME）在现实发动机工况下的应用进行了优化。此外，KOME比例和纳米颗粒浓度对性能、燃烧和排放特性的综合影响也尚未得到充分研究。因此，本研究通过全面评估制动热效率、制动比燃油消耗和排放特性，试图评估Fe?O?纳米颗粒（50 ppm和100 ppm）对KOME-柴油混合物（混合比例为10-40%）的影响。开发出一种能提高燃烧效率并减少有害排放的优化纳米颗粒增强型生物柴油混合物对本文具有重要意义。

**2. 材料与方法**
**2.1. 生物柴油的生产**
生物柴油是一种由植物油、动物脂肪和废弃食用油等天然油脂制成的燃料。其基本生产方法是通过酯交换反应将油脂转化为脂肪酸甲酯（FAME），同时产生甘油作为副产品[22]。生产过程首先选择原料，包括大豆油或棕榈油、卡兰贾油或麻疯树油、动物脂肪和废弃油脂[23]。为了避免与粮食供应竞争，越来越多地选择非食用和废弃油脂。在酯交换过程中，油脂与醇类和催化剂（碱性、酸性或酶基）混合。由于效率较高，通常使用碱性催化剂（如NaOH）。尽管酶催化剂成本较高，但因能简化工艺和减少废物而受到关注。反应完成后，生物柴油与甘油分离成两层。之后通过清洗去除杂质并对生物柴油进行质量检测，确保其符合ASTM D6751或EN 14214等国际标准[24]。

**2.2. 燃料成分的分析**
分析燃料成分对于了解其物理、化学和性能特性（尤其是生物柴油等替代燃料）至关重要[28][29]。这确保燃料符合发动机使用标准，并有助于提高性能和降低排放。大多数燃料含有碳氢化合物、氧化合物及各种添加剂，这些成分影响燃烧过程。分析这些成分有助于确定能源含量、粘度、密度和排放潜力等参数[30]。

**2.3. 化学组成**
燃料的化学成分是其能量含量和燃烧方式的重要决定因素。燃料主要由碳氢化合物组成，这些分子由氢原子和碳原子构成。柴油燃料主要由长链烷烃组成，而生物柴油则主要由脂肪酸甲酯（FAME）构成。生物柴油中的氧原子通过酯键结构提高了燃烧效率，但相对降低了能量含量。本研究采用红外光谱技术分析生物柴油的化学组成，并将其与纯柴油进行对比。红外光谱对分析化合物结构（特别是分子中的官能团）非常有效[32]。图1展示了红外光谱装置的基本原理：样品置于腔室中，红外光照射在其上，通过调整频率的方式测量不同频率的光的透过或吸收情况。此检测器连接了一台计算机，该计算机生成了一个图表，显示了不同频率下的透射率，频率以波数形式表示，范围从3997.34到599.907 cm?1。下载：下载高分辨率图片（28KB）下载：下载全尺寸图片

图1. Karanja油的甲酯的红外光谱。Karanja油甲酯和柴油的透射率与波数之间的关系分别显示在图2和图3中。下载：下载高分辨率图片（91KB）下载：下载全尺寸图片

图2. Karanja油生物柴油的红外光谱。下载：下载高分辨率图片（83KB）下载：下载全尺寸图片

图3. 柴柴油的红外光谱。在对这两种燃料的光谱分析中，观察到了长的碳氢链。然而，在1742.02 cm?1和1649.52 cm?1波数处出现了一个关键区别，这些波数是生物柴油所独有的。这些峰值表明存在羰基或酯类化合物，与变形振动有关[33]。酯类的存在表明含有氧气，这有助于提高柴油发动机的燃烧效率[34]。羰基的轻微频率偏移归因于甲酯的电子捐赠效应[35]。

2.4. Fe3O4纳米粒子的SEM分析
扫描电子显微镜（SEM）技术用于分析Fe?O?（磁铁矿）纳米粒子的表面形态和结构特性。在这项研究中，使用SEM来确定纳米粒子的大小和形状。
Gul等人[36]利用SEM研究了氧化铁纳米粒子在中密度纤维板（MDF）中的分散情况及其相互作用。该研究揭示了纳米粒子的形态特性及其对复合材料性能的影响。通过传统的SEM对纳米粒子进行了表征。图4展示了纳米粒子的SEM图像。图像中所示的粒子大小进一步使用ImageJ软件进行了分析。选择了一部分图像并测量了15个纳米粒子的大小，结果见表2。分析表明，这些粒子的平均直径为98.042 nm，说明它们属于纳米粒子尺寸范围。

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图4. Fe3O4的扫描电子显微镜（SEM）图像。

表2. 纳米粒子大小的分析。

| 序号 | 面积 | 平均值 | 最小值 | 最大值 | 角度 | 长度 |
|------|------|---------|-------|-------|------|
| 163 | 3.032 | 149.81 | 135 | 163.76 | 357.52 |
| 163 | 291 | 126.26 | 624 | 545.46 | 714 |
| 163 | 156 | 1135 | 156 | 73.61 | 85.80 |
| 163 | 149 | 234 | 545.46 | 715 |
| 166 | 102.52 | 89.28 | 346 | 33.03 |
| 163 | 133 | 484 | 128.14 | 141.16 | 65.37 |
| 163 | 127 | 834 | 558 | 614 |
| 163 | 114 | 88.92 | 131 | 551 | 144.44 |
| 163 | 117 | 014 | 642 | 22.02 | 112 |
| 163 | 131 | 359 | 113 | 33.17 | 610 |
| 163 | 245 | 790 | 214 | 95.56 | 135 |
| 138 | 155 | 561 | 354 | 79.34 | 837 |
| 135 | 139 | 724 | 691 | 105.55 | 610 |
| 109 | 654 | 719 | 397 | 73.70 | 613 |
| 126 | 145 | 799 | 126 | 155.92 | 104 |
| 109 | 235 | 892 | 160.71 | 414 | 817 |
| 110 | 131 | 98.75 | 114 | 235 | 814 |
| 112 | 414 | 511 | 665.37 | 127 |
| 116 | 597 | 445 | 124 | 5467 |
| 126 | 272 | 116 | 136 | 333 |
| 116 | 339 | 213 | 87.29 | 213 | 484 |
| 114 | 661 | 154 | 445.46 | 126.27 |
| 116 | 333 | 931 | 184 | 22.02 | 112 |
| 131 | 355 | 911 | 133 | 33.17 | 610 |
| 184 | 563 | 725 | 902 | 149.20 | 513 |
| 155 | 561 | 354 | 793 | 483 |
| 139 | 724 | 691 | 105.55 | 610 |
| 109 | 654 | 719 | 397 | 73.70 | 613 |
| 126 | 145 | 799 | 126 | 155.92 | 104 |
| 109 | 235 | 892 | 160.71 | 414 | 817 |
| 110 | 131 | 98.75 | 114 | 235 | 814 |
| 112 | 414 | 511 | 665.37 | 127 |
| 116 | 597 | 445 | 124 | 5467 |
| 126 | 272 | 116 | 136 | 333 |
| 116 | 393 | 188 | 7.29 | 213 | 469 |
| 134 | 68.91 | 150.43 | 135 | 157 |
| 128 | 669 | 301 | 125 | 989 |
| 135 | 629 | 160.59 | 112 | 179.81 | 112 |
| 112 | 621 | 255 | 911 | 133 | 133 |
| 163 | 763 | 597 | 103.24 | 184 | 563 |
| 184 | 563 | 725 | 902 | 149.20 | 513 |
| 135 | 561 | 354 | 793 | 483 |
| 139 | 724 | 691 | 105.55 | 610 |
| 109 | 654 | 719 | 397 | 73.70 | 613 |
| 126 | 145 | 799 | 126 | 155.92 | 104 |
| 109 | 235 | 892 | 160.71 | 414 | 817 |
| 110 | 131 | 98.75 | 114 | 235 | 814 |
| 112 | 414 | 511 | 665.37 | 127 |
| 116 | 597 | 445 | 124 | 5467 |
| 126 | 272 | 116 | 136 | 333 |
| 116 | 339 | 188 | 7.29 | 213 | 469 |

2.5. Karanja油甲酯的红外光谱分析
Karanja油甲酯的透射率与波数之间的关系如图2所示。柴油的透射率与波数之间的关系如图3所示。

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图2. Karanja油生物柴油的红外光谱。

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图3. 柴柴油的红外光谱。

在两种燃料的光谱分析中，都观察到了长碳氢链。然而，在1742.02 cm?1和1649.52 cm?1波数处出现了一个关键区别，这些波数是生物柴油所独有的。这些峰值表明存在羰基或酯类化合物，与变形振动有关[33]。酯类的存在表明含有氧气，这有助于提高柴油发动机的燃烧效率[34]。羰基的轻微频率偏移归因于甲酯的电子捐赠效应[35]。

2.6. Fe3O4纳米粒子的SEM分析
扫描电子显微镜（SEM）技术用于分析Fe?O?（磁铁矿）纳米粒子的表面形态和结构特性。在这项研究中，使用SEM来确定纳米粒子的大小和形状。

Gul等人[36]使用SEM研究了氧化铁纳米粒子在中密度纤维板（MDF）中的分散情况和相互作用。该研究揭示了纳米粒子的形态特性及其对复合材料性能的影响。通过传统的SEM对纳米粒子进行了表征。图4展示了纳米粒子的SEM图像。图像中所示的粒子大小进一步使用ImageJ软件进行了分析。选择了一部分图像并测量了15个纳米粒子的大小，结果见表2。分析表明，这些粒子的平均直径为98.042 nm，说明它们属于纳米粒子尺寸范围。

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图4. Fe3O4的扫描电子显微镜（SEM）图像。

表2. 纳米粒子大小的分析。

| 序号 | 面积 | 平均值 | 最小值 | 最大值 |
|------|------|---------|-------|
| 163 | 3.032 | 149.81 | 135 |
| 163 | 291 | 126.26 | 624 |
| 163 | 156 | 1135 | 156 |
| 163 | 736 | 185.80 | 234 |
| 163 | 149 | 234 | 545.46 |
| 163 | 158 | 263 | 149.11 |
| 166 | 102.52 | 89.28 | 346 |
| 163 | 133 | 484 | 128.14 |
| 163 | 141 | 116 | 65.37 |
| 127 | 834 | 558 | 614 |
| 163 | 114 | 88.92 | 131 |
| 166 | 102.52 | 89.28 | 346 |
| 131 | 333 | 412 | 128.14 |
| 163 | 114 | 116 | 65.37 |
| 127 | 834 | 558 | 614 |
| 114 | 88.92 | 131 | 551 |
| 116 | 102.52 | 89.28 | 346 |
| 131 | 333 | 484 | 128.14 |
| 163 | 114 | 116 | 65.37 |
| 127 | 834 | 558 | 614 |
| 114 | 88.92 | 131 | 551 |
| 116 | 102.52 | 89.28 | 346 |
| 131 | 333 | 412 | 128.14 |
| 163 | 114 | 116 | 65.37 |
| 127 | 834 | 558 | 614 |
| 114 | 88.92 | 131 | 551 |
| 116 | 102.52 | 89.28 | 346 |
| 131 | 333 | 484 | 128.14 |
| 163 | 114 | 116 | 65.37 |
| 127 | 834 | 558 | 614 |
| 114 | 88.92 | 131 | 551 |

2.7. 纳米粒子混合生物柴油的制备
纳米粒子的长期分散稳定性是其在液体燃料系统中应用和性能的关键因素。为了获得均匀稳定的悬浮液，使用超声辅助分散过程并加入适当的表面活性剂来制备Fe?O?纳米粒子混合的Karanja生物柴油[37]。分别向所有燃料混合物中添加了50 ppm和100 ppm的Fe?O?纳米粒子。还加入了一种名为十二烷基硫酸钠（SDS）的阴离子表面活性剂，以改善分散稳定性并防止粒子聚集。之后，将混合物在20至40 kHz的频率下用探头超声处理10-15分钟[38]。超声处理过程中产生的声学空化效应产生了微小气泡，这些气泡迅速生长并破裂，形成了局部高能区[39]。这些力量成功打破了纳米粒子团簇，使它们更容易在燃料中均匀分散。聚集量的减少提高了混合物的均匀性和纳米粒子与燃料的相互作用。为了确保均匀分散并避免沉淀，超声处理后对混合物进行了约半小时的机械搅拌。当表面活性剂处理、超声处理和机械搅拌共同作用时，最终得到了一种分散性能更好的稳定纳米燃料，可用于进一步的表征和发动机性能评估。

2.8. 生物柴油和纳米粒子混合柴油的物理属性
需要将生物柴油和纳米粒子混合柴油的物理属性（如粘度、密度、热值、闪点和燃点）与柴油进行比较，以确保发动机在气缸内的最佳性能和正常燃烧[40]。在大多数情况下，生物柴油的粘度比石油柴油高。这种额外的粘度可能会影响燃料流动、雾化以及在发动机中的喷射特性，从而导致燃烧不完全。然而，较高的粘度也有助于改善润滑，减少发动机磨损。较高的密度可能会通过改变燃烧效率和燃料消耗量来影响进入燃烧室的燃料[41]。此外，生物柴油的能量含量比石油柴油低大约8-10%。这意味着使用生物柴油的车辆动力或燃油经济性略有下降。尽管生物柴油中的氧气含量可以提高燃烧效率，但降低了其能量含量[42][43]。

2.9. 纳米粒子混合生物柴油的制备
纳米粒子的长期分散稳定性是其在液体燃料系统中应用和性能的关键因素。为了获得均匀稳定的悬浮液，使用超声辅助分散过程和适当的表面活性剂制备了Fe?O?纳米粒子混合的Karanja生物柴油[37]。分别向所有燃料混合物中添加了50 ppm和100 ppm的Fe?O?纳米粒子。还加入了一种名为十二烷基硫酸钠（SDS）的阴离子表面活性剂，以改善分散稳定性并防止粒子聚集。之后，将混合物在20至40 kHz的频率下用探头超声处理10-15分钟[38]。超声处理过程中产生的声学空化效应产生了微小气泡，这些气泡迅速生长并破裂，形成了局部高能区[39]。这些力量成功打破了纳米粒子团簇，使它们更容易在燃料中均匀分散。聚集量的减少提高了混合物的均匀性和纳米粒子与燃料的相互作用。

2.10. 发动机测试
使用单缸Kirloskar制造的四冲程柴油发动机进行燃料样品的性能和排放测试，该发动机可以使用替代燃料和柴油混合物。发动机额定转速为1500 rpm，额定制动功率输出为燃料混合物的热值变化。此外，在所有燃料样品的测试中，纯KOME样品（K100）显示出最低的能量含量，约为27 MJ/kg。同时，KOME-Fe3O4纳米颗粒混合物（K-N混合物）的热值相对稳定，某些混合物的热值与柴油相当。这是因为Fe3O4纳米颗粒通过改善热传递、催化氧化、氧气缓冲和反应动力学来促进燃烧，而不仅仅是通过提高燃料特性。这些过程共同作用，使得含有纳米颗粒的KOME燃料能够更高效地利用能源并减少排放[48]。然而，KOME含量较低的混合物（K10N50和K10N100）具有较高的热值指数，可以作为柴油的潜在替代品。总体而言，除非通过其他成分进行补充，否则KOME的比例会导致能量输出的减少。这一分析强调了优化燃料成分的必要性，以保持能源效率与排放结果之间的平衡[47]，[49]。

3.2. 性能与排放特性
性能测试检查了生物柴油混合物在压缩点火（CI）发动机中的运行情况，并进行了燃烧测试。其主要目的是检验燃油的特定制动油耗（BSFC）和制动热效率。这些数据用于了解燃料在发动机中的点火和燃烧情况。数据是通过与发动机连接的设备实时采集的。测试有助于揭示替代燃料对发动机热管理和能量输出的影响，从而确定最佳的发动机设置，并验证生物柴油和混合纳米颗粒的柴油可以在柴油发动机中安全可靠地使用。

3.2.1. 特定制动油耗（BSFC）
通过改变燃料混合物来确定特定制动油耗（BSFC）。在25%、50%、75%和100%的发动机负载下观察每种燃料配置的BSFC值。如柴油发动机通常所见的，随着负载的增加，所有测试燃料的BSFC逐渐降低，这是因为燃烧效率得到了提高。BSFC的降低是由于缸内温度和压力的升高促进了燃料的雾化和蒸发，从而实现了更充分的燃烧[50]。图9和图10展示了不同燃料混合物的BSFC变化。据报道，纯柴油在25%负载下的BSFC范围为0.5629 kg/kWh，在满负载下为0.3174 kg/kWh，代表基线性能。当KOME与柴油以不同比例混合（K10D90至K40D60）时，在所有负载水平上都记录到BSFC的稳定上升。这种增加是由于KOME的热值较低、粘度较高以及雾化和燃烧特性较差所致（表1）。在满负载时的BSFC值从K10D90的0.3290 kg/kWh增加到K40D60的0.4058 kg/kWh，表明随着KOME比例的增加，燃油经济性显著降低。

为了提高生物柴油混合物的燃烧特性，在燃料中添加了两种浓度的金属氧化物纳米颗粒。从这些结果可以推断，加入纳米颗粒后，在大多数测试操作中BSFC值都有显著改善。例如，K20D80混合物在满负载下的BSFC为0.3442 kg/kWh。相应的K20N50和K20N100混合物的BSFC分别为0.3308 kg/kWh和0.3360 kg/kWh。由于纳米颗粒的催化作用，可能导致燃烧得到增强，因为氧化反应的诱导得到改善，同时燃料与空气的混合更加充分，燃烧也更为完全。在特定负载条件下，K20N50混合物的BSFC表现最佳，使用的燃料较少。因此，K20N50混合物可能是在燃油经济性和可再生燃料含量之间取得最佳平衡的潜在选择。

纳米颗粒对燃烧特性的改善得益于其较高的表面积与体积比，这增强了催化氧化反应[51]。BSFC的提高可归因于Fe3O4的催化特性，它为氧化反应提供了更多的活性位点。这些纳米颗粒还充当氧气缓冲剂，促进了燃料富集区域的更充分燃烧和局部氧气供应。除了改善燃料滴内的微观热传递外，它们的高热导率还加快了蒸发过程并缩短了点火延迟[52]。

3.2.2. 制动热效率（BTE）
在不同负载条件下观察了不同燃料混合物的制动热效率（BTE），以验证Karanja油甲酯（KOME）和纳米颗粒在发动机热性能中的作用。BTE是一个参数，用于衡量燃料的化学能被发动机转化为机械能的程度。从图11可以看出，对于清洁柴油，BTE随负载增加而升高，在75%负载时达到最高值25.76%，然后在满负载时略有下降。这种模式符合常规压缩点火发动机的行为，即较大的负载有助于因为缸内温度和压力的升高而实现更好的燃烧。

向KOME-柴油混合物中添加纳米颗粒后，BTE得到了显著提升，尤其是在较高负载下。据推测，纳米颗粒本身可以作为燃烧催化剂，促进燃料和空气的混合并加速氧化反应。结果显示，尽管在较高负载水平的柴油发动机中使用KOME可能会导致热效率略有下降，但加入金属氧化物纳米颗粒后，BTE得到改善，从而提高了燃烧质量并减少了未燃烧燃料的损失（图12）。这归因于纳米颗粒的高导电性，促进了燃烧室内的良好燃烧。此外，Fe3O4纳米颗粒富含氧气的组成有助于增强碳基分子的氧化，减少了不完全燃烧并提高了有用的能量输出[3]。由于纳米颗粒的催化活性，氧化反应加速，热转换效率得到提升，这进一步提高了效率并减少了点火延迟[53]。根据协同效应，纳米颗粒富集的生物柴油混合物成为提高发动机效率的理想选择，同时保持了生物柴油的环境效益。

3.2.3. 烟雾排放特性
测量了各种燃料样品的烟雾排放情况，包括纯柴油、Karanja油甲酯（KOME）混合物以及添加了纳米颗粒的生物柴油混合物，在25%、50%、75%和100%的发动机负载下进行测试。烟雾主要是由排气中的烟尘颗粒引起的，是不完全燃烧的标志，通常用不透明度或过滤器烟雾数来表征。统计数据显示，在所有负载设置下，纯柴油的烟雾排放量较高，在满负载时达到43.5 HSU（Hartridge烟雾单位）。这与早期研究结果一致，即较高负载下碳氢化合物的不完全氧化会增加颗粒物，较高的燃烧温度和燃料富集区域也会导致同样的现象[54]。当KOME与柴油混合时，较低负载下的烟雾排放量通常会减少。从图13可以看出，在25%和50%负载下，K10D90混合物的烟雾水平分别为8.05和4.03，而纯柴油的烟雾水平分别为10.8和8.7。这是因为生物柴油含有更多的氧气，从而实现了更完全的燃烧并降低了烟尘积累。

在燃料混合物中加入纳米颗粒后，烟雾排放量明显减少。作为催化剂，金属氧化物纳米颗粒能够促进燃料分子的快速氧化，从而改善燃烧并减少烟尘的产生[57]，[58]。在75%和100%负载下，K10N100和K20N100混合物的烟雾排放量显著下降（图14）。在满负载下，K20N100混合物的烟雾值为36.28 HSU，明显低于其基础混合物K20D80（46.38 HSU）和纯柴油（43.5 HSU）。这些结果证实，将生物柴油的比例保持在20-30%左右可以获得最佳的排放和性能特性，尤其是当与Fe3O4纳米颗粒添加剂结合使用时[59]。这是因为纳米颗粒具有较高的热传递能力，改善了燃料蒸发和燃烧效率。生物柴油的氧化性质以及纳米颗粒催化的氧化作用减少了烟尘的形成[60]。

3.3. 与现有研究的比较
将本研究与现有的纳米颗粒辅助生物柴油-柴油混合物的研究进行比较，表5显示了在BSFC、BTE和烟雾/其他颗粒物或排放气体方面的竞争性能和排放特性。该比较表明，与使用纯柴油相比，这些参数有所改善。

表5. 本研究与现有近期研究的对比
| 研究 | 燃料混合物/添加剂 | BSFC | BTE | 烟雾/颗粒物减少 |
|--------|------------|-------|--------|
| 本研究 | Karanja油甲酯+柴油+Fe?O?纳米颗粒 | 类似于纯柴油 | ↑4.7% | ↓25.8% |
| Tiwari等人[61] | 微藻生物柴油+SiO?纳米颗粒 | ↓约8.5-15.3% | ↑1.6-4.8% | ↓烟雾、NOx |
| Sharma等人[62] | 柴油+废弃烹饪油生物柴油+TiO? | -- | ↓5.6%和16.6%（HC排放） |
| Hassan等人[3] | 废弃葵花籽油+柴油+TiO?和CuO | ↓高达20.1% | ↑6.9%（HC、CO和PM减少，NOx增加高达82.9%） |
| Khidr等人[52] | 柴油+Al?O?/CuO | ↓5%（Al?O?）和3%（CuO） | ↓HC减少38% |

比较研究表明，KOME-柴油-Fe?O?混合物在排放和性能方面与最近的纳米颗粒-生物柴油研究结果相当。K20N50混合物是一种可行的柴油发动机替代燃料，它在燃油经济性、热效率及污染管理方面提供了最佳平衡。

4. 结论
本研究表明，Karanja油甲酯（KOME）-柴油和Fe?O?纳米颗粒混合物作为柴油发动机的替代燃料是可行的。在物理化学参数方面，添加KOME略微提高了粘度值并降低了热值。然而，由于氧气含量的增加，燃烧质量得到了改善。为了确认Karanja油成功转化为生物柴油，进行了FTIR分析。SEM表征也确认Fe?O?纳米颗粒具有纳米级特性。发动机性能测试发现，KOME含量的增加提高了特定制动油耗（BSFC），但由于生物柴油的能量密度较低，制动热效率（BTE）略有下降。观察结果显示，在75%的发动机负载下，K20D80混合物的BTE为24.6%，而纯柴油为25.6%。当向K20混合物中添加100 ppm的纳米颗粒（K20N100）后，BTE显著提高至约26.8%，相比纯K20D80提高了8.9%，相比传统柴油提高了4.7%。通过添加Fe3O4纳米颗粒，由于纳米颗粒的催化作用，BSFC和BTE也得到了改善。排放分析显示，所有生物柴油混合物的烟雾不透明度显著降低，尤其是在添加纳米颗粒后。20% KOME和50 ppm Fe?O?（K20N50）的组成在性能、燃烧效率和排放方面提供了最佳折中方案。观察到与K20D80相比，K20N50的烟雾排放减少了27.8%，与纯柴油相比减少了25.8%。总体而言，结果显示，将KOME与柴油混合并添加Fe?O?纳米颗粒可以使燃料更加可持续和清洁，同时不会显著降低发动机性能。这种方法可以有效减少对化石燃料的依赖，并限制负面环境影响。未来的研究可以深入探讨在长期发动机运行过程中使用纳米颗粒所带来的环境影响，以全面验证这些混合燃料的实用性。尽管目前的研究取得了令人鼓舞的成果，但仅限于稳态条件下的短期实验测试。研究中并未涉及NOx排放行为的详细分析、储存过程中的可能聚集现象、发动机的长期耐久性以及燃料中纳米颗粒的稳定性等问题。这些因素需要进一步研究，因为它们可能会影响掺有纳米颗粒的燃料的实际应用效果。为确保此类燃料的长期使用，建议未来的研究还应涵盖纳米颗粒排放对环境和人类健康的影响。

CRediT作者贡献声明：
Deepak Gupta：负责写作、审稿与编辑工作，以及研究指导。
Harikrishna Nagwan：参与初稿撰写、验证方法、进行研究设计、进行正式数据分析、数据整理及概念框架构建。