在柴油机中富含Ni2O3纳米颗粒的生物柴油–正丁醇混合燃料的性能、燃烧、排放及优化特性

无需全面改造即可让卡车发动机更清洁

重型柴油发动机运输食品、物资和人员，但也排放烟尘和温室气体。短期内不可能将所有柴油机一夜之间全部换成电动或氢能驱动，因此工程师们在寻找让现有发动机更清洁、更高效的方法。本研究探讨了一条有前景的路线：将可再生生物柴油和植物来源的醇类与微小的金属氧化物颗粒混合，以便在不改变发动机硬件的情况下，从每滴燃料中挤出更多有用功并减少有害排放。

把更清洁的燃料和微小助剂混合

研究人员聚焦于可直接在现有柴油机中使用的燃料。他们以B20（一种常用的20%生物柴油与80%常规柴油的混合物）为起点，并考察了另一种称为B20But10的混合燃料，该燃料额外加入了10%可由生物质制得的正丁醇。他们在这些燃料中加入了极小量的三价氧化镍（Ni₂O₃）纳米颗粒，浓度高达每百万份100 ppm——相当于每吨燃料中只有几滴固体。由于纳米颗粒可以充当微观的燃烧催化剂和热传导体，团队研究它们是否能帮助燃料在气缸内更完全、更均匀地燃烧。

把新型燃料混合物付诸试验

团队在一台单缸柴油机上进行了试验，这类发动机常见于发电机和小型机械，保持恒定转速但改变负荷，从轻载到满载不等。他们将未经添加的B20和B20But10与掺有不同Ni₂O₃水平的版本进行比较。测试前，他们仔细检查了颗粒的分散情况并确认燃料在数周内保持稳定。随后测量了每次燃烧循环中气缸内压力和温度的变化、产生单位功率所需的燃料量，以及排气中的成分——如一氧化碳（CO）、未燃烃（HC）、氮氧化物（NOx）、烟度和二氧化碳（CO₂）。为了解析众多负荷与纳米颗粒浓度组合的影响，他们使用了响应面法（一种统计工具）来建立数学模型，并在效率与排放之间寻找最佳权衡。

纳米颗粒如何改变燃烧

气缸内测量显示，加入Ni₂O₃会细微地重塑燃烧过程。在最高纳米颗粒剂量且满载时，两种燃料的峰值气缸压力约升至56 bar，最大放热速率也有所上升。与此同时，喷油到点火开始之间的延迟缩短了几个曲轴角度。实际上，这些微小颗粒似乎有助于燃料更快蒸发并与空气混合，随后以更有力但仍受控的方式燃烧。尽管燃烧更剧烈，但气缸内压力上升速率仍在安全范围内，表明并未增加爆震或机械应力。

每滴燃料输出更多功且尾气更清洁

从能量和燃油经济性角度看，结果令人鼓舞。在满载情况下，当使用100 ppm Ni₂O₃时，两种混合燃料的制动热效率——即燃料能量转化为轴功的比例——从约24.0%提高到近24.9%。最佳纳米颗粒水平（通常在50–75 ppm左右）下，单位功率燃料消耗对B20下降约7%，对含丁醇的燃料下降约4%。尾气测量显示，一氧化碳降至原来的约三分之一，未燃烃下降13–28%，烟度下降8–43%，NOx下降12–21%，具体取决于工况。二氧化碳排放略有增加，作者将其解释为更多燃料碳被完全氧化，而不是以有害的部分燃烧产物形式逸出。

找到最佳点及其意义

由于更高的纳米颗粒剂量最终会带来收益递减甚至负面结果——例如某些排放项目略有回弹以及长期稳定性问题——团队利用其统计模型定位了实用的“最佳点”。对于典型工况，他们发现约50–75 ppm的Ni₂O₃水平可实现大多数益处：更高的效率、更清洁的尾气和更低的整体燃料成本，估算在将效率提升考虑在内后，相比基线燃料可节约约15–16%。尽管关于镍基颗粒长期对发动机磨损和环境影响的问题尚存，该工作表明基于现有生物柴油配方、经过精心配制的纳米燃料可能是迈向更清洁货运与发电的现实一步，同时为完全无化石系统扩展争取时间。

引用: Avcı, A.S., Yavaşoğlu, S.F. Performance, combustion, emission and optimization characteristics of biodiesel–n-butanol blends enriched with Ni₂O₃ nanoparticles in a diesel engine. Sci Rep 16, 5608 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36115-y

关键词: 生物柴油, 纳米颗粒, 柴油机, 丁醇, 尾气排放