异丙醇-丁醇-乙醇（IBE）直喷策略对汽油进气道喷射点燃式（SI）双燃料发动机燃烧与排放特性的影响

《Energies》：Effect of Isopropanol–Butanol–Ethanol (IBE) Direct Injection Strategy on Combustion and Emission Characteristics of a Gasoline Port Injection SI Dual-Fuel Engine Huili Dou, Yongjia Wang, Qingwei Cao, Zezhou Guo, Guiling Liu and Zhengquan Xue

　　

在双碳目标背景下，交通运输领域采用可再生替代燃料至关重要。醇基燃料通过生物质发酵或绿电驱动的CO2加氢工艺生产，具有可再生性、发动机兼容性和续航里程长等优势。生物正丁醇能量密度接近汽油，可直接驱动SI发动机，但其发酵效率低下导致生产成本高，限制了其可行性。相比之下，IBE（一种正丁醇发酵中间体）避免了昂贵的分离步骤，使其比纯正丁醇更具竞争力。现有关于IBE在火花点火发动机中的研究主要集中在固定比例的IBE-汽油混合燃料上，限制了燃料的实时调节能力。基于先前发现IBE优于ABE（丙酮-丁醇-乙醇）和正丁醇的研究成果，研究人员考察了汽油进气道喷射（GPI）+ IBE缸内直喷（IBEDI）发动机在不同直喷时刻、IBE比例和过量空气系数（λ）下的燃烧和排放特性。研究表明，在化学计量比条件下，采用早期直喷时刻并使用纯IBE可提供最佳性能。随着过量空气系数增大，80%的IBE直喷比例更具优势。IBE作为一种替代燃料前景广阔，能够提升燃烧性能并减少气体和颗粒物排放。

该论文由Huili Dou, Yongjia Wang, Qingwei Cao, Zezhou Guo, Guiling Liu和Zhengquan Xue等人发表在《Energies》期刊上。研究背景主要源于全球能源与环境问题的日益严峻，内燃机行业面临节能减排的挑战。虽然电动和混合动力汽车是达成碳中和目标的途径之一，但汽油作为主要动力燃料仍贡献大量碳排放和温室气体排放。因此，使用清洁替代能源是内燃机应对挑战的重要路径，其中可再生燃料成为研究焦点。在醇类燃料中，生物甲醇提取容易、成本低且含氧浓度高有助于提高热效率，但对发动机腐蚀性强且易形成非常规污染物；生物乙醇能量密度大于氢，可直接应用于现有加油站，但冷启动性能差且不耐低温，燃烧产生的乙酸对发动机有腐蚀作用；正丁醇沸点和点火点相对较高，能量密度高于生物甲烷和生物乙烷，可通过生物发酵或化学合成制取，但生物发酵法虽摆脱化石燃料依赖，其成本问题限制了普及。传统正丁醇发酵中的中间产物丙酮-丁醇-乙醇（ABE）已被广泛研究，但其混合物中丙酮的腐蚀性可能限制进一步应用。幸运的是，ABE发酵可转化为异丙醇-丁醇-乙醇（IBE），获得更稳定的替代燃料，减少丙酮对发动机的腐蚀。IBE由异丙醇、正丁醇和乙醇按典型体积比3:6:1组成，相比ABE，异丙醇具有更优性能，如对发动机部件腐蚀性更低、能量密度更高、辛烷值更大。目前，已有一些研究探索了IBE在压燃和火花点火发动机中的应用，但在SI发动机中IBE常与汽油预混作为燃料，且现有研究多集中在固定比例的IBE-汽油混合燃料上，缺乏IBE与汽油结合喷射模式的研究。基于此，研究人员此前发现汽油进气道喷射加醇类直喷模式优于反向配置，且汽油/IBE配置比汽油/ABE和汽油/正丁醇配置具有更高的平均指示压力，因此有必要进一步研究IBE/汽油双喷射发动机在各种工况下的燃烧与排放行为。

为开展研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：基于一台改进的四缸SI发动机，实现汽油进气道喷射（GPI）与IBE缸内直喷（IBEDI）模式；利用dSPACE快速控制硬件仿真平台作为发动机控制系统，通过MATLAB/Simulink构建的控制软件模型实时调节喷油、点火和节气门参数，独立控制两路喷油脉冲宽度和时刻；测试台架包括燃烧分析仪、排气分析仪、测功机、颗粒排放采集设备、压力传感器、氧传感器、电控系统及高低压燃油供给系统；实验方案分为两个阶段，第一阶段在λ=1和1.2条件下考察IBE直喷比例（IBEDIr）和直喷时刻（DIT）的影响，第二阶段固定DIT为300° CA BTDC，考察不同λ下IBEDIr的影响，其他参数如转速1500 rpm、直喷压力7 MPa、进气歧管绝对压力50 kPa及MBT点火时刻等保持不变；通过采集200个循环燃烧数据计算平均缸压、CA90和平均指示压力（IMEP），排放数据为排放装置采集的3组平均值，系统总体不确定度为5.8%。

研究结果如下：

3.1 燃烧特性

研究人员通过CA0-90（从着火时刻到累积放热90%经历的曲轴转角，用于定量评估整体燃烧发展过程）和CoV_IMEP（平均指示压力变动系数，用于评估运转稳定性）进行分析。结果显示，在λ=1时，DIT为300°和255° CA BTDC下CA0-90随IBEDIr增加而持续下降；DIT在210–75° CA BTDC范围内，CA0-90随IBEDIr增加呈先降后升趋势，最低CA0-90对应的IBEDIr分别为100%、100%、40%、20%、20%和20%（DIT从300到75° CA BTDC）。这是因为早期DIT（300°或255° CA BTDC）下IBE的高层流火焰速度（LFS）促进火焰传播，减少CA0-90；较晚DIT（210–75° CA BTDC）下IBE喷入气缸时间晚，蒸发混合时间缩短，导致混合物不均和燃烧不完全，且IBE高汽化潜热和高粘度恶化蒸发、混合和燃烧过程，故高IBEDIr时CA0-90趋于增加。随着DIT推迟，最佳IBEDIr减小，因为延迟DIT减少IBE蒸发混合时间，大喷量加剧混合不良，需降低IBEDIr保证较好混合燃烧。300° CA BTDC的CA0-90在各DIT中最低，因早期DIT提供更多蒸发时间，化学计量比下高直喷量也需要更多蒸发时间。λ=1.2时CA0-90趋势与λ=1基本相似，但最低CA0-90对应的IBEDIr分别为100%、80%、60%、20%、20%和40%，最佳IBEDIr较λ=1有所提高，因为λ增大时进气量固定则喷油量减小，即便DIT较晚IBE也更易完全蒸发，故更多IBE因高LFS缩短燃烧持续期，高IBEDIr燃料在稀燃和晚DIT条件下更具竞争力。CoV_IMEP在λ=1时，DIT=300和255° CA BTDC下随IBEDIr增加持续下降；DIT=210–75° CA BTDC下先降后升。早期DIT下充足蒸发混合时间使IBE趋于均质，减少缸内混合物成分循环变动，加之IBE火焰传播速度快等特性促进稳定燃烧，故CoV_IMEP随IBEDIr增加而降低。λ=1.2时CoV_IMEP均先降后升，因为稀燃条件下燃烧过程趋于不稳定，高IBEDIr下若IBE未均匀蒸发混合，会导致局部过量空气系数超过1.2，过稀混合气引起燃烧不稳定和循环变动增加，故高IBEDIr时CoV_IMEP上升；极早或极晚DIT下循环变动较小，早期喷射促进均质混合气形成，晚期喷射形成分层混合气，均利于稳定燃烧，但中间喷射时刻（尤其约120° CA BTDC）应避免在稀燃条件下使用。扭矩方面，λ=1时随IBEDIr增加，DIT=300和255° CA BTDC下扭矩持续增加；DIT=210和165° CA BTDC下先增后减；DIT=120和75° CA BTDC下持续减小。DIT提前时IBE更早进入气缸，额外时间用于蒸发和空气-燃料混合，弥补IBE高汽化潜热及高粘度的缺点，促进混合气形成，在此基础上IBE较汽油火焰传播快和含氧特性使得IBEDIr增加时燃烧改善。DIT推迟时IBE蒸发混合时间减少，高喷量IBE导致混合物不均，恶化燃烧过程，故DIT=210和165° CA BTDC时高IBEDIr下扭矩变化减小；DIT=120和75° CA BTDC时扭矩随IBEDIr增加持续减小，因为DIT延迟导致蒸发不完全，IBE量增加引起缺氧燃烧，扭矩总体随喷射时刻推迟呈下降趋势，但在75° CA BTDC略有恢复，化学计量比下较大IBE喷量因喷射延迟混合不充分导致扭矩降低，而75° CA BTDC晚期喷射可能形成分层混合气稳定燃烧，故扭矩轻微恢复，但仍显著低于300° CA BTDC。λ=1.2时不同DIT下扭矩随IBEDIr增加均先增后减，因为IBE蒸发吸热不利于稳定着火（尤其稀燃条件），故100% IBEDIr不适合稀燃条件；DIT从300到75° CA BTDC，扭矩最高对应IBEDIr分别为80%、80%、80%、40%、20%和60%，DIT=300–120° CA BTDC随DIT推迟应减少IBE喷量避免混合物不均，故最佳IBEDIr从80%降至20%；但DIT=75° CA BTDC最佳IBEDIr回升至60%，因为IBE晚期喷射可在火花塞周围形成局部浓混合气，改善稀燃条件下燃烧，然而该时刻扭矩仍远低于300° CA BTDC。总之，化学计量比或早期喷射时刻下高IBEDIr具竞争优势；随着喷射时刻推迟和过量空气系数增大，应适当降低IBEDIr。固定DIT=300° CA BTDC时，λ=0.9–1.1扭矩随IBEDIr增加持续增加；λ=1.2–1.3时随IBEDIr增加先增后减，最大在IBEDIr=80%。稀燃条件下若IBEDIr=100%燃料不能完全均匀蒸发混合，会导致局部过稀混合气易失火，故稀燃下少量汽油进气道喷射形成的均质混合气可有效保证火焰传播稳定，IBE的燃烧促进效果进一步凸显，故IBEDIr=80%时扭矩最大；λ=0.9–1.1混合气较浓，增加IBE喷量持续促进燃烧，故IBEDIr=100%时扭矩最大。综上，早期IBE喷射时，随过量空气系数增大应适当降低IBE直喷比例。

3.2 气体排放

HC（碳氢化合物）排放方面，DIT=300° CA BTDC时随IBEDIr增加稳步下降，因为早期直喷时刻使IBE有足够时间蒸发并与进气充量混合，IBE固有特性（高含氧量和快火焰传播速度）促进更完全燃烧，减少火焰淬熄层并加速HC氧化，故HC排放持续降低。除DIT=300° CA BTDC外，HC排放随IBEDIr增加先减后增，最小值在IBEDIr为40%或60%处；DIT减小使IBE喷入气缸较晚，蒸发混合时间短且混合物不均，局部富燃料区易导致不完全燃烧，故高IBEDIr时HC排放增加。λ=1时最小HC排放一般对应40% IBEDIr，λ=1.2时集中在60% IBEDIr，因为过量空气系数增大使喷油量减小，缓解混合物不均，故最小HC排放对应IBEDIr增大。随喷射时刻推迟，HC排放一般呈先增后略减趋势，因为延迟喷射时刻缩短IBE蒸发混合时间，促进不完全燃烧和HC排放增加；但DIT=75° CA BTDC时HC排放较120° CA BTDC略低，归因于75° CA BTDC下IBE混合时间短导致严重分层混合气，IBE在开始扩散前即开始燃烧，减少壁面淬熄引起的HC排放，且晚喷射导致燃烧相位延迟，促进HC后氧化减少HC排放，但HC排放在75° CA BTDC仍显著高于300° CA BTDC。由于DIT=300° CA BTDC下HC排放普遍较低，进一步分析表明不同λ下HC排放随IBEDIr增加均持续下降，说明早期喷射条件下IBE实现更均匀蒸发混合，纯IBE具优势；IBEDIr=100%时，λ=0.9–1.3下HC排放较纯汽油分别降低82%、75%、63%、69%和69%，表明发动机在浓燃条件下IBE对降低HC排放作用更大。随λ增加，HC排放先减后增，λ=1.2最小，因为λ=1.2相对富氧促进燃料更完全燃烧和HC后氧化；λ=1.3时HC排放显著增加，归因于该条件下混合气过稀，火焰淬熄和失火可能导致未燃HC排放大幅增加。

NOx排放方面，λ=1.2条件下，NOx排放随IBEDIr增加持续下降，归因于IBE三个关键特性：（1）蒸发时吸热更多；（2）绝热火焰温度较汽油低；（3）燃烧产物比热容更高，均有助于降低缸内温度从而减少NOx生成。尤其IBEDIr超过60%时NOx降低更明显，主要因超过60% IBEDIr时扭矩显著降低意味着燃烧恶化、燃烧温度低，且大量直喷IBE吸收缸内热量导致温度明显下降进一步抑制NOx生成。此外，随DIT推迟，NOx排放一般呈先减后增趋势，因为适度推迟喷射时刻可降低缸内温度，但过度推迟导致不完全燃烧和局部高温区促进NOx生成，最佳DIT在中间范围。固定DIT=300° CA BTDC时，λ=0.9–1.2下NOx随IBEDIr增加持续下降，归因于：（1）IBE直喷因高汽化潜热从充量吸取更多热量，降低缸内温度；（2）IBE绝热火焰温度低于汽油，降低燃烧温度，限制NOx生成；（3）IBE理论过量空气系数较低，使得双燃料总质量随IBEDIr增加，燃烧产物质量更大、比热容更高，进一步降低缸内温度；综合效应导致NOx随IBEDIr增加下降。但λ=1.3时NOx随IBEDIr增加先增后减，与扭矩特征相似，可能因稀燃条件下燃烧稳定性差，较高扭矩意味着较好燃烧质量，富氧环境下改善燃烧对应较高燃烧温度从而产生更多NOx；更高IBEDIr下NOx后续下降可能源于IBE冷却效应克服燃烧稳定性改善的温度升高。

CO排放方面，λ=1时DIT=300–120° CA BTDC下CO随IBEDIr增加下降，因为化学计量比下氧气不足，IBE高含氧特性可抑制CO生成；DIT=75° CA BTDC时喷射时刻过度延迟，IBE混合时间不足且缺氧燃烧，导致CO随IBEDIr增加持续上升。较高λ下氧气充足氧化效应使CO排放较低，故λ=1.2下所有条件CO排放低于0.15 vol%；DIT=300时CO随IBEDIr增加下降，DIT=255–165° CA BTDC下CO先减后升，DIT=120–75° CA BTDC下CO持续上升趋势，说明早期喷射下增加IBEDIr可降低CO排放，归因于其高含氧优势；随喷射时刻推迟，高IBEDIr燃料CO排放增加，主要因晚DIT下大量IBE喷入气缸导致混合物不均，局部缺氧燃烧增加CO，且直喷时刻进一步延迟时现象更明显，DIT=255、210和165° CA BTDC时100% IBEDIr的CO排放较纯汽油分别增加0%、60%和160%；DIT延迟至120–75° CA BTDC时添加IBE不再改善CO排放，因为过度延迟直喷时刻导致不均匀混合物缺氧燃烧产生CO排放。综上，高比例IBE适用于早期喷射，随直喷时刻推迟应降低IBEDIr。固定DIT=300° CA BTDC时，λ在1至1.3之间CO几乎随IBEDIr增加下降，且此过量空气系数范围内CO极低；λ=0.9时CO排放较高，因为浓混合气条件下喷油量高且氧气不足，易在局部富燃料区形成缺氧燃烧导致CO生成；λ>1时CO排放非常低，λ=0.9和1时IBE混合燃料的CO排放低于纯汽油，说明早期喷射高比例IBE在化学计量比及更宽稀燃条件下具优势。

3.3 颗粒排放

PN（颗粒数量）方面，λ=1和1.2下不同DIT时PN随IBEDIr变化显示：较早DIT下PN总体极低，IBEDIr增加也降低PN；DIT推迟至120° CA BTDC及进一步至75° CA BTDC时PN开始显著增加，尤其75° CA BTDC下IBEDIr增加导致PN急剧增加。DIT早于120° CA BTDC时，IBE混合的PN低于纯汽油，且DIT较早时高IBEDIr下PN水平极低，因为大部分颗粒在火焰锋面高温缺氧区形成，IBE可增加火焰锋面氧含量减少反应物成烟倾向；同时较高IBE含量的燃料燃烧时产生更高浓度活性组分如OH，OH自由基强氧化作用加剧多环芳烃（PAH）和烟炱氧化；此外增加IBEDIr意味着减少汽油喷量，也抑制PAH生成反应。但当IBEDIr过高且DIT过晚时，不均匀混合物导致HC排放过高，引起颗粒生成显著增加，故IBEDIr超过40%且DIT=75° CA BTDC时PN急剧增加，甚至达纯汽油十倍。λ=1.2时混合气相对稀，纯汽油PN已非常低，但早期喷射下添加IBE仍可进一步降低PN；然而DIT=165° CA BTDC时纯IBE的PN高于纯汽油，DIT=120° CA BTDC时80% IBEDIr的PN已超过纯汽油，说明稀燃条件下高IBEDIr燃料不太适合晚喷射，可能因为稀燃下汽油进气道喷射形成相对均匀混合气，而增加IBEDIr使直喷IBE易形成不均匀混合物，从而恶化颗粒排放，该现象在DIT=75° CA BTDC尤为明显；无论过量空气系数如何，晚DIT下增加IBE喷射比例将显著增加颗粒物排放，针对颗粒物排放及法规挑战，不建议晚DIT下继续增加IBE直喷比例。固定DIT=300° CA BTDC时，随λ增加PN持续下降，尤其λ=1.2和1.3时PN维持在极低水平，说明稀燃可显著减少PN；λ=0.9和1时仅IBEDIr超过40% PN才维持在很低水平；而λ=1.2和1.3时甚至20% IBE足以使PN维持低水平，表明较浓混合气条件下需适当增加IBEDIr以实现更低颗粒排放；综上，早期喷射时刻（DIT=300° CA BTDC）下，IBEDIr高于40%足以在λ=0.9–1.3范围内维持PN极低水平。

颗粒尺寸分布方面，λ=1、IBEDIr=20%时不同DIT下颗粒集中于核模态（nucleation mode）且呈单峰分布，峰值粒径约12 nm，因为IBEDIr=20%时缸内直喷量相对较低，混合更均质，且汽油进气道喷射形成混合气较均匀，导致大部分颗粒处于核模态且峰值尺寸集中在12 nm附近，说明较低直喷比例下改变直喷时刻主要影响颗粒数量浓度，对颗粒尺寸分布影响极小。λ=1、DIT=75° CA BTDC时不同IBEDIr下PN较高，IBEDIr超过60%时急剧增加；颗粒尺寸分布显示IBEDIr低于40%时颗粒呈单峰分布且主要集中于核模态；IBEDIr为20%和40%时PN值略有下降但峰值粒径较纯汽油稍大，因为晚DIT减少IBE蒸发混合可用时间导致混合物不均，IBE喷量仍较低故颗粒仍主要处于核模态，但混合均匀性较差导致峰值粒径略增大；IBEDIr超过60%时积累态（accumulation mode）颗粒更普遍，分布逐渐呈双峰特征，因为过度晚喷IBE蒸发混合时间不足，形成局部富燃料区促进积累态颗粒形成，且更高IBEDIr对应颗粒数量浓度增加；这些发现表明尽管IBE在减排颗粒方面具普遍潜力，但过度延迟直喷时刻结合高直喷量仍可导致大量更大尺寸颗粒生成。

讨论与结论总结：研究人员基于此前IBE表现优于ABE和正丁醇的发现，研究了GPI + IBEDI双燃料组合喷射模式下SI发动机的燃烧与排放特性，通过发动机台架试验评估了IBEDIr、DIT和λ的影响，关键结论如下：燃烧持续期方面，高IBEDIr燃料在稀燃条件和晚DIT下更具竞争力；为获得较低CoV_IMEP，稀燃条件下应避免中间喷射时刻（尤其约120° CA BTDC）。无论化学计量比或稀燃条件，DIT=300° CA BTDC时扭矩输出最具竞争力，且CoV_IMEP低于2.1%；此外最佳IBEDIr随DIT推迟呈减小趋势，说明应抑制晚喷射，DIT=300° CA BTDC时允许进一步增加IBEDIr。除λ=1.3外，NOx排放随IBEDIr增加呈下降趋势，而中间喷射时刻对应最小NOx排放；IBE有助于降低CO排放，高比例IBE适用于早期喷射，但随直喷时刻推迟和λ增大应降低IBEDIr。IBE在降低颗粒数量方面功效显著，尤其在早期DIT和高IBEDIr条件下；早期直喷时刻（DIT=300° CA BTDC）下，IBEDIr超过40%足以在λ=0.9至1.3范围内维持极低PN水平。IBEDIr相对较低（IBEDIr 20%，λ=1）时颗粒尺寸分布呈典型单峰特征，即便相对延迟DIT条件下该分布特征仍稳定；尽管IBE在减排颗粒方面具普遍潜力，但过度延迟直喷时刻结合高直喷量仍可导致10–50 nm颗粒显著增加。纯IBE在化学计量比和早期DIT条件下具竞争力，而λ增大或DIT减小时应降低IBEDIr；总之，在合适DIT和IBEDIr下，IBE可有效改善GPI + IBEDI模式下的发动机燃烧与排放性能。IBE作为生物质基绿色清洁燃料，碳排放低且应用前景广阔，但受实验条件限制，本研究未考虑甲醛和乙醛等非法规污染物排放，未来工作将进一步考虑非法规排放并利用数值模拟方法揭示IBE燃烧机理。