《Journal of the Energy Institute》：A Comprehensive RSM Approach for Modeling and Optimization of Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine Fueled with Waste Tire Pyrolysis Oil and Transformer Oil Blends
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作者：?lhan Volkan ?NER、Orhan ARPA、Tuba Hatice DO?AN、Muhammet Kaan YE??LYURT、Levent KANDEM?R
土耳其埃尔祖鲁姆阿塔图尔克大学工程学院机械工程系，邮编25240
摘要
本研究将废变压器油（WT
作者：?lhan Volkan ?NER、Orhan ARPA、Tuba Hatice DO?AN、Muhammet Kaan YE??LYURT、Levent KANDEM?R
土耳其埃尔祖鲁姆阿塔图尔克大学工程学院机械工程系，邮编25240
摘要
本研究将废变压器油（WTRO）和废轮胎热解油（WTPO）以不同的体积比例与标准柴油混合，制备了四种燃料样品（D100、WTRO25WTPO25、WTPO50、WTRO50）。首先，通过密度（832.3–862.3 kg/m3）、运动粘度、浊点/流动点、低热值和FT-IR光谱对燃料进行了物理化学表征；除WTPO50（1.77 mm2/s）外，所有混合物均符合ASTM D975粘度标准（1.9–6.0 mm2/s）。在第二阶段，在单缸四冲程风冷压缩点火（CI）发动机的全负荷条件下，对燃料的性能和排放进行了测试，测试转速范围为1200–2400 rpm。实验数据采用二阶多项式响应面方法（RSM）模型进行分析；BTE、BSFC、CO和NOx的统计一致性很高，R2值为0.964–0.978（p < 0.001）。方差分析（ANOVA）结果显示，发动机转速对性能参数具有主导作用，而帕累托分析表明转速与WTRO的交互作用项在排放参数中具有统计学意义。在发动机性能方面，与D100相比，WTRO50混合物在1200 rpm时扭矩增加了8.9%，制动功率增加了8.7%，同时BSFC降低了4.3%。由于WTPO50的低热值（40.74 MJ/kg）和高芳香烃含量，在2400 rpm时其BSFC值最高（486.01 g/kWh）。WTRO25WTPO25混合物的排放性能与D100相当。利用Derringer–Suich适宜性函数和差分进化算法，在四种优先级场景（基础、性能、经济、排放优先）下进行了基于场景的加权多标准优化。总体适应度值保持在较窄范围内（D = 0.346–0.535；ΔD = 0.189），但在不同场景下最佳发动机转速存在显著差异（性能场景S-2：1542.9 rpm；排放优先场景S-4：2375.5 rpm）。在所有优化场景中，最佳WTRO比例为50%，WTPO比例为0%；这一发现从统计学上证明了未经处理的WTPO在性能-排放平衡方面不如WTRO。本研究有三个原创的工程贡献：（i）首次基于RSM的研究，将WTRO和WTPO同时作为柴油替代品进行评估；（ii）首次定量证明了在性能优先和排放优先场景之间最佳转速差为832.6 rpm；（iii）从统计学上证明了未经处理的WTPO需要预处理。
引言
化石燃料储备的枯竭和环境法规的收紧使得寻找用于压缩点火（CI）发动机的废弃物衍生替代燃料成为战略重点。本研究探讨了两种工业废弃物：废变压器油（WTRO，用于电力变压器，使用寿命结束后成为危险废物）和废轮胎热解油（WTPO，通过400–550 °C的热解获得）。将这些废弃物作为燃料进行评估不仅有助于能源安全，也符合循环经济中的废物管理目标。
早期研究显示，WTRO与柴油混合后可以提高发动机低热值（BTE），并且在FT-IR分析中显示出类似柴油的烷烃结构。虽然采用双燃料和喷射时序等策略在一定程度上解决了NOx增加的问题，但不可避免地导致了BTE与排放目标之间的冲突。燃料预处理方法（如蒸馏[5]、生物柴油生产[6]和催化裂化[7]）虽然提高了发动机性能，但改变了适当的混合比例。最近的研究考察了WTRO在广泛转速范围内的表现，并发现生物柴油补充可以部分补偿NOx的持续增加[9]。然而，现有文献主要局限于不使用恒定转速、单燃料流和RSM的实验方法。
尽管WTPO的热值接近柴油，但由于其十六烷值低、芳香烃含量高和硫浓度高，对发动机性能和排放特性产生了显著影响。Mikulski等人（2021）在综述中综合了200多项研究，建议WTPO的比例不应超过10%[10]；但后续实验对此限制提出了质疑[11, 12]。燃烧动力学研究表明，WTPO会因点火延迟延长而增加热释放率（HRR）和气缸压力[13]，同时降低BTE[13]。催化预处理可以通过提高十六烷值来部分缓解这一问题[14]。氢气补充[15]和选择不同质量的基燃料[16]也是缓解WTPO技术限制的方法。三组分混合物（WTRO、柴油、醇类或生物柴油）可以抑制NOx、CO和HC排放[17, 18]，但在BTE方面仍不及柴油。?ner等人（2023）报告称，在高达50%的WTPO比例下未观察到爆震现象[19]；Nabi等人（2022）建议未经处理的WTPO的安全使用比例不超过10%-30%[20]。
响应面方法（RSM）在CI发动机优化中越来越受欢迎，因为它能够用有限的实验点表征非线性关系并量化多变量交互作用。在生物柴油系统中，?im?ek和Uslu（2020）开发的模型R2值达到98-99%[21]；Govindasamy等人（2024）使用RSM适宜性函数将NOx降低了17.24%，烟雾减少了44.44%[22]。在生物质[23]、富氧[24]和宽转速/负荷范围[25]系统中，也证实了RSM的高统计一致性。在废弃物燃料系统中，?ahin等人（2025）使用RSM和机器学习优化了WTPO-柴油混合物，但他们仅研究了低WTPO比例（2-7%），且排除了WTRO成分[26]。Chow等人（2025）将RSM与CCD结合应用于四组分柴油-生物柴油-DEE-WTPO系统，但未包含WTRO[27]。?im?ek等人（2022, 2024）比较了RSM和ANN，证实两种方法都具有很强的预测能力[28, 29]。所有这些研究都采用等权重单场景优化；目前文献中尚无同时考虑WTRO和WTPO的综合性RSM框架。
表1中的文献分析揭示了三个关键空白：（1）WTRO和WTPO仅作为独立燃料替代品进行研究；没有同时将两者作为变量纳入同一燃料矩阵的RSM研究。（2）大多数研究在恒定转速下进行，缺乏对速度依赖的性能-排放平衡的系统性分析。（3）当前的RSM优化采用等权重单场景方法；尚未探讨决策者优先级变化对最佳运行点的影响。
本研究通过三个原创贡献解决了上述问题：（i）首次将WTRO和WTPO作为同一燃料矩阵中的同时变量进行RSM研究。（ii）在四种不同权重场景下，确定了832.6 rpm的显著最佳转速差（性能优先场景S-2：1542.9 rpm；排放优先场景S-4：2375.5 rpm）；定量证明了单点优化的不足。（iii）在所有优化场景中，WTPO = 0%和WTRO = 50%的结果表明，未经处理的WTPO在性能-排放平衡方面无法与WTRO竞争，这为废弃物燃料的选择提供了明确的工程边界条件。
此外，本研究通过提出基于排放的优化框架为废弃物能源转化策略做出了贡献；然而，为了进行更全面的可持续性评估，还需要包括HC、PM和烟尘排放的全面环境评估以及生命周期分析（LCA）。
章节摘录
燃料样品的制备
实验中使用的WTRO和WTPO分别由TE?A?埃尔祖鲁姆地区办事处和Era Environmental Technologies Inc.提供。在制备混合物之前，对这些样品进行了过滤以确保燃料质量，并去除了残留物和水分。如下表2所示，共制备了四种不同的混合物。
为了进行实验研究，每种混合物准备了2500 ml的样品。为了达到完全均匀性和防止相分离，使用了高速机械...
RSM模型方程
根据RSM分析结果，得到了四个响应变量的二阶多项式回归方程。其中，自变量为WTPO比例（x?，%）、WTRO比例（x?，%）和发动机转速（x?，rpm），响应变量为BTE（%）、BSFC（g/kWh）、CO（ppm）和NO?（ppm）。模型形式包括常数项、线性项、二阶项和交互项，如方程（4）所示。
结论
本研究在单缸压缩点火（CI）发动机中，全面研究了通过将废变压器油（WTRO）和废轮胎热解油（WTPO）以不同体积比例与标准柴油混合得到的燃料样品D100、WTRO25WTPO25、WTPO50和WTRO50的性能和排放特性。实验数据采用二阶多项式响应面方法（RSM）进行建模...
CRediT作者贡献声明
Levent KANDEM?R：撰写——初稿、可视化、方法论、研究。Muhammet Kaan YE??LYURT：撰写——审稿与编辑、资源管理、数据整理、概念化。Orhan ARPA：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、方法论、数据整理。?lhan Volkan ?ner：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法论、研究、数据整理。Tuba Hatice DO?AN：撰写——初稿撰写、资源管理...
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的研究结果。
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的研究结果。
