乙醇-汽油混合燃料对火花点火发动机燃烧、性能及排放的影响：基于详细化学反应的实验与数值研究

《ACS Omega》：Effects of Ethanol-Gasoline Blending on Combustion, Performance, and Emissions of a Spark Ignition Engine: An Experimental and Detailed Chemistry-Based Numerical Study

为解决传统汽油发动机碳排放高、燃烧效率受限等问题，研究人员通过实验与基于详细化学反应的数值模拟，系统探究了乙醇-汽油混合燃料（E0-E100）对单缸火花点火发动机燃烧特性、性能及排放的影响。研究发现，适度掺混乙醇（如E30）可提升缸内压力与热效率，降低CO2、CO、HC及NOx排放，为清洁可再生燃料在现有发动机中的应用提供关键数据支撑。

　　

在全球应对气候变化的紧迫背景下，交通领域的碳排放已成为绿色转型的重要挑战。尽管电动汽车发展迅速，但现有内燃机（ICE）车辆仍将在未来数十年内广泛使用。如何通过燃料创新提升传统发动机的环保性能，成为学术界与工业界共同关注的焦点。乙醇作为一种可再生电子燃料（e-fuel），可通过生物质或捕获的CO₂与绿氢合成，具备碳中性潜力；其分子中含氧特性有助于促进更充分的燃烧，从而降低污染物排放。然而，乙醇与汽油混合后的燃烧机理、性能变化及其对发动机运行稳定性的影响尚缺乏系统研究，尤其是在高掺混比例下的燃烧相位、排放特性及热效率变化规律亟待深入探究。为此，本研究通过实验与高精度数值模拟相结合的手段，详细揭示了不同乙醇-汽油混合比例（E0至E100）对火花点火（SI）发动机燃烧过程、性能指标与排放特性的影响规律，相关成果发表于《ACS Omega》期刊。

研究采用实验与计算流体动力学（CFD）模拟相结合的方法。实验基于一台单缸重型研究发动机（排量661 cc），在恒定压缩比（9）、节气门开度（75%）、转速（1500 rpm）、当量比（0.81）和点火提前角（25°CA BTDC）条件下，测试了纯汽油（G100）与E30混合燃料的燃烧压力、指示平均有效压力（IMEP）及排放物（CO、CO₂、HC、NO_x）。数值模拟采用ANSYS Fluent软件，基于三维非稳态RANS方程与动网格技术，并分别使用全局单步反应模型（针对G100）和Li等人开发的详细化学反应机理（针对G100及乙醇混合燃料）进行燃烧模拟，以对比预测精度并揭示乙醇掺混对燃烧过程的化学动力学影响。

4.1. 实验验证与模型准确性

通过对比实验数据与模拟结果，验证了数值模型的可靠性。详细化学反应机理（Li等人模型）能够更准确地捕捉G100和E30的缸内压力曲线与燃烧相位，其预测的IMEP与实验值偏差约1%；而单步反应模型虽计算效率高，但低估了燃烧起始阶段压力上升速率，无法准确反映乙醇掺混带来的化学动力学变化。与显示，详细机理在预测E30的峰值压力及燃烧进程方面表现更优，为后续全比例范围的数值研究奠定了基础。

4.2. 乙醇掺混对燃烧特性的影响

随着乙醇掺混比例从G100增至E30，缸内峰值压力与IMEP均逐步提升，E30达到最高压力（约45 bar）与IMEP（约552 kPa）。这得益于乙醇较高的辛烷值、更快的火焰速度及含氧分子结构，促进了更充分、更快速的燃烧。但当比例超过E40（如E60、E100）时，峰值压力与IMEP显著下降，E100的IMEP降至约380 kPa。原因为乙醇的低热值较低，单位质量燃料释放能量减少，且其高汽化潜热导致缸内温度降低，若未优化点火相位则易造成燃烧延迟与效率损失。与清晰展示了这一变化趋势。

流场与温度场分析表明，不同燃料（G100、E30、E100）在相同进气条件下形成的缸内滚流结构与速度分布基本一致，说明乙醇掺混未显著改变宏观流动特性。显示各燃料在进气与压缩行程中速度场相似。然而，温度场分布存在差异：E100因汽化冷却效应较强，燃烧峰值温度略低于汽油，且温度分布更均匀；E30则在适度掺混下实现了较高的峰值温度与压力。直观对比了不同燃料在作功行程中的压力与温度分布。

4.3. 乙醇掺混对发动机性能的影响

指示比油耗（ISFC）与指示热效率（η_{th, I}）随乙醇比例变化呈现先改善后恶化的趋势。E30的ISFC最低（约380 g/kWh），η_{th, I}最高（约34.5%），较G100提升约11.3%。但超过E40后，由于乙醇低热值的影响及燃烧相位未优化，ISFC急剧上升，E100达到约557 g/kWh，η_{th, I}降至约22%。th, I).">显示了这一性能拐点，表明适度掺混可提升燃油经济性，而高比例乙醇需配合点火策略优化方可维持高效运行。

4.4. 乙醇掺混对排放的影响

乙醇掺混显著降低了所有主要排放物。随比例增至E60，CO₂排放指数下降16%（因乙醇碳氢比较低），CO降低27%（得益于含氧分子促进氧化），HC大幅减少57%（因燃烧更充分），NO_x亦下降38%（因燃烧峰值温度降低）。2, CO, and HC.">对比了实验与模拟的排放数据，两者吻合良好（偏差<5%），验证了模型在排放预测方面的可靠性。

结论与讨论

本研究通过实验与高保真数值模拟，系统揭示了乙醇-汽油混合燃料对SI发动机性能与排放的复杂影响。核心结论表明：乙醇掺混比例存在最优区间（约E30），此时可在提升燃烧效率与动力性能的同时大幅降低污染物排放；超过E40后，因乙醇低热值、高汽化潜热及燃烧相位滞后，性能与效率开始下降。详细化学反应机理较单步模型更能精确捕捉乙醇掺混下的燃烧细节，为燃料设计与发动机校准提供了可靠工具。研究成果为基于现有发动机平台的可再生燃料应用提供了重要依据：适度掺混乙醇可作为一种即用型低碳解决方案，在不改造基础设施的前提下实现显著减排；而高比例乙醇燃料则需通过调整点火策略、优化喷射系统等方式克服能效挑战。该工作不仅深化了对乙醇-汽油混合燃烧机理的理解，也为交通领域低碳化转型提供了兼具学术价值与工程指导意义的数据支撑。