零碳及碳中和燃料内燃机应用进展

2022-03-16纪常伟汪硕峰杨金鑫

北京工业大学学报 2022年3期

纪常伟，辛固，汪硕峰，杨金鑫，孟昊，常珂

(北京工业大学能源与动力工程学院，北京 100124)

据统计，汽油和柴油等常规燃料约占世界一次能源消耗的50%[1]以上. 2019年，中国原油进口量达到5.057 2亿t，石油进口率超过70%，远超50%的国际能源安全警戒线[2]. 道路车辆能源消耗不仅是能源消耗的重要组成部分，也是温室气体排放的最重要的驱动因素之一[3].

2016年通过的《巴黎协定》制定了具体的减排目标，即：到2030年，将全球温度上升限制在2 ℃以内，并争取控制在1.5 ℃以内[4]. 在《巴黎协定》中，中国国家自主贡献承诺在2030年左右实现CO2排放达峰，并力争早日达峰；将单位国内生产总值的CO2排放量比2005年降低60%～65%；并将非石化燃料在一次能源消费中的比重提高到20%左右. 我国能源消耗和CO2排放分别占全球的23%和27%，低碳能源转型和CO2减排对实现《巴黎协定》的目标至关重要[5].

可再生能源在我国一次能源消费结构中占比仅为4.53%，煤炭和石油等化石能源的消费比例仍然超过77.34%. 向可再生能源系统过渡是一个复杂的过程，面临着诸多挑战，为了实现既定目标，应同时包括几个步骤，包括提高能源利用效率，减少一次能源消耗，最后使用可再生能源[6]. 风能和太阳能等间歇性可再生能源会对电力系统造成冲击，将剩余电能转化为可再生燃料是一种有前景的解决方案，它们既可以作为能源，也可以作为载体进行长期存储和运输. 尽管面临诸多挑战，也不应低估内燃机的潜力，以及在某些应用场景下的独特优势[7].

当前，绝大部分车用燃料仍然来自于成熟技术生产的化石燃料，即化石能源在一次能源消费中占比较高. 碳中和燃料是以太阳能、风能等可再生能源为主要能量制取，包括各类醇、醚和生物柴油等合成燃料等. 零碳燃料可以通过可再生能源直接电解制取. 基于零碳电力的可再生燃料制取及推广，可以提高可再生能源在一次能源消费中的占比，从而使车辆动力系统减少化石能源消耗，甚至可以脱离化石能源，实现燃料净零碳排放. 可再生燃料是利用可再生能源通过电催化、光催化、热催化等技术还原CO2，以合成碳中和燃料.

内燃机可以使用的零碳燃料是氢气和氨气，碳中和燃料是甲醇、乙醇、丁醇、二甲醚及生物燃料等. 本文简要介绍了具有代表性的各类零碳及碳中和燃料的发展背景及应用现状，重点介绍了它们在压燃式发动机和点燃式内燃机中的应用技术，为内燃机使用零碳及碳中和燃料提供了基本参考.

1 零碳燃料在内燃机的应用

1.1 氢的燃烧特性及在内燃机中的应用

燃料的物化特性直接决定了其适用于发动机的类型，其中可燃极限、最小点火能量、淬火距离、自燃温度和火焰速度等燃料特性直接决定了发动机的各项性能.

可燃极限给出了混合物中可燃气体的比例. 空气中4%的氢气仍可以燃烧，与其他燃料相比，氢气具有更广的可燃性，这允许氢发动机以稀混合气工作，从而获得更好的经济性. 同时由于稀燃条件下较低的燃烧速度，缸内峰值温度也会降低，因而以稀混合气运行的氢发动机NOx排放减少. 表1总结了氢气及其他常用替代燃料的物化性质.

表1 各类燃料的物化性质

最小点火能量是点燃气体混合物所需要的最小能量. 在大气条件下，氢/空气混合物的最小点火能量比异辛烷/空气和甲烷/空气的混合物低一个数量级. 空气中22%～26%的氢气仅需要0.017 mJ即可点燃[8]. 具有较低的最小点火能量使氢发动机能够点燃稀混合气并确保迅速启动. 但是较低的最小点火能量也会增加燃烧室中的混合气被其他热源点燃的风险.

淬火距离是可燃混合气火焰在熄灭前可以靠近气缸壁的距离，距离越小，火焰越难熄灭. 氢气的淬火距离为0.64 mm，而甲烷是2.03 mm，异辛烷是3.50 mm[9].

自燃温度是确定发动机压缩比的重要参数，奥托循环中压缩之后的温升与压缩比有关，并且受到压缩比的限制，氢气较高的自燃温度允许更高的压缩比，为进一步提升热效率提供了可能.

在化学计量条件下氢气的火焰速度更快，与甲烷和异辛烷分别为0.38 m/s、0.38～0.43 m/s相比，氢气的火焰速度为1.85 m/s[10]，高火焰速度使氢发动机更接近于理想的热力循环.

1.1.1 氢在SI发动机中的应用

受益于现有发动机成熟的制造工艺和成本优势，大多数氢内燃机使用进气道燃料喷射系统(port fuel injection, PFI). 福特公司[11]研究了6.8L V10和2.3L L4氢发动机. 结果表明，增压氢发动机可以达到压缩天然气发动机的水平. Verhelst等[12]开发的GM 7.4L V8增压氢发动机的最大扭矩相较于自然吸气氢发动机提高了60%. 他们还探索了化学计量条件下废气再循环(exhaust gas recirculation, EGR)技术的效果，结果发现相较于自然吸气汽油发动机，峰值功率提高30%[13].

国内学者针对氢发动机同样进行了较多研究. 杨振中等[14]针对氢发动机的异常燃烧问题进行了研究，提出了针对回火的控制策略. Ma等[15]对氢发动机进行了研究，他们发现点火正时和喷射策略对氢发动机的性能及氮氧化物(oxides of nitrogen，NOx)排放影响较大. Xu等[16]研究了进气加湿和缸内喷水对氢发动机的影响，结果发现进气加湿和缸内喷水可以显著降低NOx排放.

容积效率和异常燃烧限制了氢发动机的峰值功率输出，表2对比了氢气与汽油的能量及容积效率. PFI氢发动机进气混合物中大量氢气置换空气，导致容积效率下降. 若按体积计算化学计量条件下氢气和汽油混合物，其中氢气占据30%的空气体积，而汽油仅占2%，因此，相较于相同运行条件的汽油发动机， PFI氢发动机的最大功率仅为汽油机的83%. 受异常燃烧的限制，氢发动机的实际运行功率将显著低于83%. 对于直喷氢发动机，在进气门关闭后将氢气与空气混合，氢发动机的峰值输出功率可比汽油发动机提高15%. 然而，受制于缸内直喷氢气喷嘴的限制，直喷系统仍处于研究阶段.

表2 氢气和汽油的能量和容积效率比较[16]Table 2 Energy and volumetric efficiency comparison of hydrogen and gasoline[16]

1.1.2 氢在转子机中的应用

转子机是一种特殊结构的内燃机，设计紧凑，功重比高，在某些领域具有广泛的应用前景. 日本马自达公司对转子机进行了商业化生产. 由于转子机狭长的燃烧室导致其面容比大，燃烧效率低和污染物排放高. 然而，由于氢气较快的燃烧速度及宽泛的燃烧界限，使得转子机更适合使用氢气，这可以明显改善发动机的稀燃极限及污染物排放水平. 马自达自20世纪90年代开始研制氢转子机，为了实现高功率密度，使用了缸内直喷和进气道喷射结合的方式，实现了高功率和低NOx排放，同时提高了热效率. Wakayama等[17]采用了稀燃、三元催化器和废气再循环等策略. Salanki等[18]提出了将转子机应用于混合动力汽车的设想，并对混合动力汽车应用的氢转子机进行了研究.

近年来，Chen等[19]和Fan等[20]采用数据模拟的方法研究了转子机的燃烧过程. 研究发现掺氢可以加快火焰传播速度，提高缸内压力. Ji等[21]和Yang等[22]对纯氢和掺氢正丁醇转子机进行了实验和数值模拟的研究. 他们发现，氢气的添加明显提高了混合燃料的燃烧速度，改善了循环变动，降低了CO和HC排放水平，同时拓宽了稀燃极限，提高了发动机的热效率.

1.1.3 氢在CI发动机中的应用

压燃式发动机由于其压缩比高、无节流损失等特点，具有热效率高、功重比大等优良特性. 然而，由于氢气的自燃温度较高，在常规压燃式发动机中无法稳定工作. 长期以来，将氢应用于CI发动机的研究从未中断. 早在1978年，Homan等[23]就试图将纯氢应用于CI发动机，受限于氢气较高的自燃温度，发动机仅能在极窄的范围内运转，即使压缩比达到29∶1，也无法解决工作范围受限的问题.

如图1所示，通过喷入柴油并引燃氢/空气混合物的方式，使氢气应用于CI发动机成为可能. Varde等[25]将少量氢气供入进气道，用以减少柴油机的碳烟排放. 结果表明，在部分负荷时，发动机的碳烟排放降低50%；在全负荷时，碳烟排放降低了17%. Lilik等[26]观察到氢/柴油混合燃料运行时NOx排放增加，其中NO排放减少，NO2排放增加了，原因是主燃烧过程中存在未燃烧的氢气，这增强了NO向NO2的转化[27]；此外，氢气添加显著减少了HC、CO和CO2[28]. 在较高负荷时，氢气的添加对柴油的燃烧过程有明显的影响，峰值缸压和峰值放热率急剧增加，相较于柴油，这有利于提高发动机的热效率[29]. 通过双燃料技术，可以将氢气应用于高效的压燃式发动机中，这也为使用二甲醚和生物柴油等碳中和燃料与氢气混合使用提供了参考.

图1 CI发动机中应用氢和柴油[24]Fig.1 Use of diesel and hydrogen fuels in a CI engine[24]

废气再循环是一种有效降低NOx排放的技术，也是抑制氢/柴油双燃料发动机爆震的一种实用方法[30]. 但是，EGR的使用可能会导致发动机效率的降低，并且这种影响随着EGR率的增加而增加；此外，增加EGR率还可能造成CO、HC和碳烟排放的增加. 与柴油相比，氢气添加及EGR的双燃料运行仍能降低排放并提高发动机性能.

研究人员对将氢/柴油双燃料实现均质压燃(homogeneous charge compression ignition, HCCI)具有浓厚的兴趣. Guo等[31]研究了掺氢柴油实现HCCI的效果. 结果发现，掺氢缩短了燃烧持续期，提高了发动机的功率和效率. 在较低EGR率和稀燃条件下的热效率明显高于高EGR率及化学计量比下发动机的热效率. Park等[32]研究了氢气添加和EGR对柴油发动机的影响，并与柴油预混充量压缩点火(premixed charge compression ignition，PCCI)发动机进行了对比. 结果发现，较高氢气比例推迟了燃烧相位，氢气比例为70%时，HC和CO的排放显著降低，NOx的排放与PCCI模式的排放水平相近.

1.2 氨在内燃机中的应用

氨是一种无色气体，有强烈的刺激性气味. 大气条件下的自燃温度为930 K，辛烷值为130，汽化潜热很高. 图2展示了各种可燃物及电池的能量密度，作为一种零碳燃料，氨的能量密度比液氢高出70%，比70 MPa的压缩氢气高出2倍多. 氨的挑战在于其并不易燃，燃烧速度极慢. 氨正在逐渐受到关注，尤其是在船舶动力系统中具有潜在前景.

图2 可燃物及电池的体积及质量能量密度[25]Fig.2 Gravimetric and volumetric energy density of combustible materials and batteries[25]

图3展示了氨在点燃式和压燃式发动机中应用的形式. 早在1822年，Goldswor和Gureney等提出开发一种氨内燃机用于驱动小型汽车的想法[33]. 意大利的Amonia Casle公司将该设想变成现实，并于1935—1936年间申请了相关专利. 第二次世界大战期间，由于柴油供应紧张，比利时工程师[34]将氨/煤气混合气应用于CI发动机，这次成功的应用说明了氨作为燃料的可能性. 20世纪60年代，美国通用汽车公司[35]对氨在SI内燃机上的应用进行了详细的研究，对比研究了汽油和氨在相同工况下的性能. 研究发现，氨燃烧的性能明显低于汽油燃烧性能，最大功率仅为汽油的17.5%，最大热效率仅为汽油的38%，主要原因是氨的火焰速度较慢. 针对氨的燃烧特性，通用汽车公司对发动机进行了改造. 首先，针对氨最小着火能量高的问题，改进了点火系统以实现多次点火，增加压缩比并使用增压技术，最后向燃料中添加促进剂改善燃烧. 最终实现了氨发动机的指示功率超过自然吸气汽油机.

图3 发动机中应用氨的形式Fig.3 Forms of ammonia used in engines

Starkman等[36]对氨燃料应用于CI内燃机的性能进行了探究. 由于氨极高的自燃温度，即使在压缩比为30∶1、转速超过1 200 r/min时也无法实现持续压燃，因此必须借助火花塞辅助点燃[37]. 美国西南研究院的Gray等[38]通过提高进气和冷却水温度，并增大压缩比至35∶1，实现了较大范围的氨压燃. 为了实现正常压缩比下氨燃烧，他们提出了若干技术路线：

1) 喷射燃料引燃预混氨/空气；

2) 使用燃料添加剂；

3) 进气道引入其他不同的气体；

4) 在内燃机上安装其他机械装置.

后续基于氨为主燃料的研究基本都沿着Gray等提出的技术路线进行. 由于氨在内燃机中的表现，在20世纪80年代针对氨作为内燃机燃料的研究陷入低潮. 直到21世纪初，随着能源紧缺、环境污染、温室效应等问题的困扰，作为无碳燃料的氨再次引起研究者的兴趣. 与早期研究不同，民用领域受制于日益严格的排放法规，不仅关注氨内燃机的性能，更关注于其排放性能.

2008年Reiter等[39]对柴油引燃进气道喷氨的内燃机进行了研究. 研究发现，在氨能量占比在40%～80%时，能够获得合理的燃料经济性和95%的燃烧效率. 氨掺混比例超过60%后，NOx排放物相对于柴油有所降低. 作者认为，引入氨降低了缸内燃烧温度，尽管这会增加燃料型NOx的生成，但会显著降低热力型NOx的生成；缸内温度的降低导致了较高的HC和NH3排放. Niki等[40]在一台压缩比为20∶1的柴油机上进行了掺氨研究，结果证实了Reiter等的结论，同时认为氨燃烧的N2O排放可以通过提高缸内温度来促进其分解. 同时，他们认为可以通过燃料多次喷射控制NO和NH3排放处于同一水平，从而使其在选择性催化还原器(selective catalytic reactor,SCR)中发生化学反应，不过N2O不能在SCR反应中消除[41].

经过多年发展，单独使用氨作为内燃机的主燃料仍无法实现，必须引入添加剂来提升氨的燃烧性能[42].

2011年Mørch等[43]使用多燃料研究(cooperative fuel research, CFR)发动机对掺氢摩尔分数为5%～100%、过量空气系数0.85～1.35和压缩比6.23～13.58的掺氢氨的燃烧性能进行了详细研究. 结果表明由于混合气的抗爆性远高于汽油，可以通过提高压缩比提升输出功率和热效率，并且在掺混10%的氢气时得到最好的性能. NOx排放随着当量比的变化而变化，高掺氢比、过量空气系数在1.3～1.4时NOx排放最高. 作者认为这是由于氢气燃烧产生较高的温度从而提升了热力型NOx的生成，点火角对NOx的排放影响较小，这说明燃料型NOx占据主导地位[44].

另外，有研究者提出利用发动机的尾气余热对氨进行裂解，实现车载制氢. Ezzat等[45]提出了一种车载制氢方案，利用尾气余热驱动温差发电器，产生电能供给氨电解电池，从而产生氢气供应给氨/氢发动机，其最高效率能够达到31.1%. 比萨大学的Frigo等[46]开发出了一套可以利用尾气余热将NH3进行热解的催化反应器，使用化学计量比的NH3/H2燃料，发动机可以在3 000 r/min以上，在低负荷和高负荷下的热效率高于汽油燃料，并且NOx排放低于汽油燃料[47].

近期，Lhuillier等[48]在一台改装的SI发动机上进行了NH3/H2的研究. 图4展示了不同工况下的指示平均有效压力(indicated mean effective pressure, IMEP). 研究发现，15%掺氢分数的NH3/H2燃料的指示热效率、循环变动和NOx排放与CH4燃料接近. 当量比偏稀附近燃烧可以使NOx和NH3排放处于一个数量级，有助于使用现有的后处理系统进行处理. Ji等[49]研究了少量氨气对氢发动机的影响，结果表明，氨气能够显著降低氢气燃烧速率，并提高其输出功率.

图4 指示平均有效压力[48]Fig.4 Net indicated mean effective pressure[48]

2 碳中和燃料在内燃机的应用

碳中和燃料是指利用捕集的二氧化碳与氢气经化学合成制取的甲醇、乙醇、丁醇、二甲醚等燃料，同时也包括利用生物质制取的生物燃料. 生物燃料在生产过程中消耗了CO2，从而实现了全生命周期过程中的碳中和，因此也可以成为碳中和燃料，如图5所示.

图5 内燃机使用碳中和燃料的排放Fig.5 Emissions from the use of carbon neutral fuels in internal combustion engines

2.1 甲醇及掺氢甲醇内燃机

甲醇是使用最广泛的化学品之一，已经具备大规模的生产能力和基础设施. 近年来，甲醇越来越多地应用于能源领域，每年大约有2 000万t甲醇用作燃料或燃料混合物[50]. 我国煤炭资源丰富，石油资源匮乏，因此促进了甲醇的生产和推广. 研究表明，我国甲醇生产能力可以满足我国一半的道路运输燃料需求. 我国在多个城市进行了甲醇汽车的试点推广，表3具体展示了在各个城市试运营的车辆及行驶里程.

表3 甲醇汽车试点项目[51]

甲醇具有的理化性质使其非常适用于火花点火发动机，例如：汽化潜热高、能量密度大、化学计量空燃比低、火焰速度快、燃烧温度低、高氢碳比、标准状态下为液态[52]. 研究表明，单位体积的甲醇中的氢含量比液氢多40%，而液氢的密度大约是70 MPa氢气的2倍，并且甲醇不存在运输及存储方面的问题，使其成为具有前途的代用燃料[53].

2.1.1 纯甲醇燃料发动机

20世纪90年代，美国西南研究院提出了高压缩比方案，为甲醇发动机的发展开辟了新思路. 研究发现，甲醇发动机的峰值效率达到43%，与柴油发动机相比，在更宽的速度和负载范围内保持超过40%的效率[54]. Nakata等[55]在使用甲醇在高压缩比(13∶1)的汽油机上进行了试验，相较于汽油，峰值扭矩提升20%，全负荷热效率从31.7%提升到39.6%.

甲醇更高的燃烧速度和更宽的燃烧极限为采用更灵活的负荷控制提供了可能. 研究人员针对涡轮增压发动机进行了稀燃操作，结果表明相对于化学计量的燃料，稀燃条件下的热效率提升了14%. 采用EGR配合无节气门操作(wide-open throttle，WOT)，也可以获得较高的热效率[55]. 根特大学的研究人员将一台1.9 T的柴油机改装为火花点火甲醇发动机，比较了冷却EGR对其性能的影响. 研究结果表明，无论是峰值热效率还是部分负荷的热效率，使用EGR+WOT操作时的热效率明显高于使用节流的化学计量策略[56].

由于甲醇具有吸水性，如果允许甲醇燃料含水，在经济上具有一定的吸引力. Sileghem等[57]研究了含水甲醇对发动机性能的影响，结果表明含水甲醇与纯甲醇具有基本相同的有效热效率，略高于汽油燃料. 与纯甲醇相比，含水混合燃料的NOx排放降低.

2.1.2 甲醇/汽油发动机

甲醇是一种良好的辛烷值促进剂，这为使用低辛烷值碳氢燃料提供了可能，并使整个运行区间的碳排放减少.

Xie等[58]对柴油机进行了改装，并进行了试验研究. 研究表明，在1 400 r/min、满负荷时，调整点火正时为上止点前(before top dead centre，BTDC)18°、15°和12°，甲醇发动机均能稳定运行而不发生爆震. Gong等[59-60]研究了喷射和点火正时、发动机转速和负载等对直喷甲醇发动机循环变动的影响. 结果表明，这些因素显著影响了甲醇燃烧，并且循环变化系数在最佳喷射和点火时刻达到最小. Gong等[61]还研究了压缩比对发动机性能及排放的影响，压缩比由14∶1增加到16∶1时，有效热效率提高了16%；他们还发现了甲醇发动机可以实现无烟燃烧. Li等[62]研究了喷射和点火正时对甲醇发动机的性能和排放的影响. 结果表明，直喷式甲醇发动机能够形成分层分布的非均匀混合气，具有最佳的喷射和点火正时，可以获得良好的性能和较低的排放. Zhen等[63-64]采用数值模拟的方法研究了甲醇发动机，研究发现，采用高的EGR率和较早的点火正时，表现出较好的热效率.

2.1.3 甲醇/柴油发动机

较高的自燃温度限制了甲醇在CI发动机上的应用，通过使用双燃料策略可以将其运用于CI发动机. 使用甲醇/柴油混合物的方式具有吸引力，但需要克服甲醇与柴油的互溶问题[65]，尤其是较高馏分的甲醇混合燃料，需要添加乳化剂或者助溶剂. 为了改善甲醇较低的体积能量密度，还需要对燃料供给系统进行优化.

房晟等[66]研究了不同海拔下掺醇比例对发动机循环变动的影响，如图6所示，在高海拔下，较高的替代率在高海拔下的循环变动更小，说明含氧燃料在高海拔条件下的优势，然而在低海拔下，甲醇较小的能量密度及混合均匀性等问题，导致其循环波动较高.

图6 甲醇替代率对指示平均有效压力循环变动的影响[66]Fig.6 Effect of methanol substitution rate on engine COVIMEP[66]

研究结果表明，相较于柴油，在低负荷时双燃料的热效率略有下降，高负荷时略有增加[67]. 针对柴油发动机较高的NOx和PM排放，人们更关注添加甲醇对其排放的影响. Wei等[68]研究发现，在整个负荷和运行转速范围内，双燃料策略都减少了发动机的NOx排放，并且随着甲醇添加比例的增加，最高降幅达到了50%. 添加甲醇对于改善颗粒物排放同样具有较好的效果，因为甲醇不含芳烃，没有C—C键，并且甲醇通过预混方式供给，不存在局部富集区. 甲醇较高的汽化潜热，导致点火延迟增加，使柴油有更多的时间蒸发并与空气混合，使得碳烟降幅达到80%. 不幸的是，随着甲醇比例的增加，CO和HC的排放增加[69].

2.1.4 甲醇掺氢发动机

氢气具有较高的扩散速度、火焰速度和宽的可燃极限，因此，富氢燃烧对于改善甲醇发动机的性能是有利的. Ji等[70]研究了部分负荷条件下加氢对甲醇发动机性能的影响，结果表明，加氢后，循环变动得到改善，有效热效率得到提升，HC和CO排放降低，NOx在稀薄条件下有效减少.

2.1.5 甲醇燃料面临的挑战及改进方向

尽管甲醇具有诸多益处，但是它的毒性和安全问题成为阻碍其使用的主要障碍之一. 研究表明，醇类毒性基本相当，致命计量为1～2 mL/kg，正常体质量范围，相当于60～240 mL，可以通过混合添加剂，避免意外摄入甲醇.

另一个挑战来自于甲醇的材料兼容性，在所有的醇类中，甲醇的腐蚀性最强. 通常轻质醇对镁、铝、铜具有极强的腐蚀性，对钢铁和其他黑色金属的影响较小[71]. 这需要对发动机燃料系统进行修改，避免金属及橡胶密封件等可能受到甲醇腐蚀的影响.

混合较高比例的甲醇汽油的冷启动长期以来具有挑战性. 针对甲醇燃料的冷启动性，最新的解决方案是优化发动机运行，包括进气加热、优化气门正时、提高启动转速、多火花塞点火、分层燃烧等[72-73].

2.2 乙醇及掺氢乙醇内燃机

2.2.1 乙醇在SI发动机中的应用

醇类的抗爆性是相对于其他烃类燃料的主要优势之一，这允许醇类燃料以更高的压缩比运行，从而提高发动机的输出功率，相较于汽油，乙醇具有更高的汽化潜热和火焰速度，这有利于提高发动机的效率. 巴西凭借良好的产业条件率先推广了乙醇汽油，美国以及欧洲部分国家也在逐步推广，表4展示了主要国家推广的乙醇汽油.

Celik[74]研究了乙醇汽油发动机的性能，发现对于10∶1的压缩比，即使在全负荷条件下使用E50也不会发生爆震，并且提高了热效率. Park等[75]研究了使用乙醇及乙醇重整气体的发动机性能，结果表明由于乙醇的汽化潜热较高，进气歧管温度降低，排气温度降低，冷却损失减少了. Ozsezen等[76]研究了WOT条件下的乙醇汽油发动机的燃烧特性，发现与汽油相比，乙醇汽油提高了燃烧效率. 他们还发现低含量乙醇汽油没有显示任何冷启动及运行不稳定等问题. Turner等[77]研究了乙醇汽油在直喷发动机中的燃烧特性. 他们发现乙醇的加入改变了混合燃料的蒸发特性，乙醇有助于提高火焰速度，增强了燃烧的稳定性，提高了发动机效率. Schifter等[78]研究了含水乙醇与汽油混合燃料的燃烧特性，结果表明，含水乙醇可以提高缸内压力并降低进气温度，燃烧效率未受到含水量的影响. Venugopal等[79]在PFI发动机中进行了含水乙醇汽油混合物(E10)的实验研究. 结果表明在部分负荷下提升了功率输出，由于较高的火焰速度和更宽的可燃极限，循环变动降低了. Yoon等[80]研究了乙醇汽油在增压发动机中的燃烧特性. 结果表明乙醇的添加增加了容积效率，提高了缸内压力，降低循环变动系数.

研究表明[81]，添加乙醇降低了发动机的CO排放，有研究人员[82]报道E60相较于E10，CO降低了80%，此外，含水乙醇燃料导致CO排放略有增加. 针对NOx排放的研究没有一致性，可以确定的是含水乙醇可以有效降低NOx排放[83]. 很显然，添加乙醇降低了发动机的未燃碳氢的排放[84]. 对于非常规污染物排放，乙醇燃料的乙醛和甲醛的排放量随着水含量的增加而增加，随着负荷的增加而减少，而芳烃、苯、甲苯、乙苯和二甲苯等污染物的排放降低[85].

2.2.2 乙醇在CI发动机中的应用

乙醇应用于柴油机面临着几个问题：

1) 乙醇的低热值比柴油低；

2) 难以将大量乙醇与柴油混合，并且长时间放置不稳定；

3) 乙醇的十六烷值非常低，启动困难；

4) 乙醇的润滑性较差.

由于乙醇的低热值远低于柴油，因而掺入乙醇的混合燃料的能量降低，随着混合燃料中乙醇含量的增加，在相同的输出功率时，发动机需要消耗更多的燃料[86-87].

Parthasarathi等[86]对使用柴油和乙醇柴油的发动机进行了测试，结果发现相较于柴油，使用E05燃料增加了发动机的有效热效率，随着乙醇的进一步增加，有效热效率降低，但仍高于纯柴油. 他们还发现，纯柴油与混合燃料的有效热效率随着负荷的增加而增大. 这是由于乙醇的十六烷值较低，增加了点火延迟，导致更多的燃料可以蒸发，促进了热量的释放，从而提高了有效热效率[88].

Taghizadeh-Alisaraei等[89]在直喷发动机上进行了研究，结果表明，发动机的有效功率随着乙醇含量的增加而增大. 这是因为乙醇中的氧促进了燃烧，同时，乙醇较高的汽化潜热增加了容积效率.

CI发动机的NOx排放是最重要的限制因素，其形成主要取决于缸内温度和氧气浓度. Parthasarathi等[86]研究发现乙醇柴油的NO排放与柴油基本相同或者略低. 乙醇- 柴油乳化燃料的NOx排放减少，并随着乙醇的增加而降低. NOx排放减少的原因在于乙醇的低热值产生了降温效果，但是这种效果因乙醇中氧的存在而削弱，并且点火延迟的增加导致了更长的时间形成NOx.

He等[90]研究发现，与柴油相比，乙醇柴油的CO排放增加了，这是由于乙醇较高的汽化潜热和较低的燃烧温度造成的.

几乎所有的研究者均得出结论，乙醇柴油增加了HC的排放. 由于乙醇较高的汽化潜热，降低了循环温度，造成更多的燃料未燃烧，并且随着转速的增加而增加[91- 92].

2.3 丁醇及掺氢丁醇内燃机

丁醇的腐蚀性很小，因而可以利用现有的基础设施进行运输和储存，对于发动机的改造更少. 长期以来，由于长链醇的生产工艺复杂而难以推广，然而随着技术进步使得丁醇的生产更加方便，使用丁醇作为代用燃料成为可能.

2.3.1 丁醇在SI发动机中的应用

Elfaskhany等[93]在SI发动机中使用0%、3%、7%和10%的正丁醇- 汽油混合燃料. 研究结果表明添加丁醇显著增强了燃烧. 但是正丁醇的加入使缸内压力和废气温度略有降低，因为正丁醇的热值和饱和压力低于汽油. Singh等[94]使用5%～70%等不同比例的丁醇混合物与汽油进行了对比. 研究发现，混合燃料的放热更晚，燃烧持续期相较于汽油更长，但是在较高负荷时持续时间缩短. Sayin等[95]还对使用异丁醇燃料的发动机进行了研究. 结果表明，随着异丁醇比例的增加，缸内压力增大，异丁醇的加入使缸内压力和瞬时放热比汽油更早. He等[96]采用独立的进气道喷射和缸内直喷系统对丁醇混合燃料进行了研究. 结果表明喷射方式影响燃烧过程，总体上高丁醇比例提高了燃烧稳定性. 陈征等[97]研究了正丁醇掺混比对发动机爆震强度的影响，如图7所示，随着正丁醇比例的增加，平均爆震强度也随之增加. Wei等[98]在直喷汽油机中使用正丁醇混合燃料进行了爆震研究. 研究发现正丁醇具有更好的耐爆震性，将爆震限制点火正时从27°提前到32°，爆震振荡频率取决于燃烧室共振模式. 他们还研究了EGR对正丁醇爆震燃烧的影响. 结果表明，EGR可以降低爆震强度和延迟爆震开始时间，并且对缸内压力的影响可以忽略不计，这表明在高进气压力和高压缩比的直喷式发动机中使用EGR可以有效抑制爆震并稳定燃烧. Zhang等[99]对比分析了乙醇- 汽油和丁醇- 汽油的抗爆性，结果表明乙醇的抗爆性高于丁醇.

图7 正丁醇体积分数对平均爆震强度的影响[97]Fig.7 Effect of n-butanol volume fraction on average knock intensity[97]

Gravalos等[100]研究了醇类燃料的排放性. 结果表明，醇类汽油混合物可以减少CO排放. 这是由于醇类燃料增强了燃烧，使CO更多地转化为CO2，从而降低了CO. HC的排放随着丁醇比例的增加同样减少，这也得益于醇类中氧的存在促进了燃烧过程[101]. 研究表明，丁醇或者其他醇类的加入，同样降低了NOx排放，这是因为较高的汽化潜热产生了降温效果，降低了缸内温度，从而抑制了NOx的生成[102-103].

2.3.2 丁醇在CI发动机中的应用

在柴油发动机中使用丁醇具有多种方式，例如纯丁醇、进气道喷射与直喷相结合的双喷射、丁醇与柴油混合直喷等.

丁醇进气道喷射结合柴油直喷，并配以EGR策略[104]，可以有效地控制碳烟排放水平，但是较高比例丁醇会增加HC和CO的排放，并导致热效率的降低[105]. 李临蓬等[106]研究了汽油和正丁醇掺混柴油对部分预混压燃发动机的影响，结果如图8所示，碳烟和NOx排放之间存在较强的trade-off关系. 研究发现[107]，丁醇含量的增加降低了十六烷值，从而延长了点火延迟，这增加了预混燃烧阶段，峰值放热率和峰值缸压均略有增加. 随着丁醇比例的提高，由于其较快的燃烧速度，有效热效率增加，但是因为丁醇的低热值小于柴油，混合燃料的比油耗增加[108]. 与柴油相比，由于丁醇中氧的存在，混合燃料的碳烟排放降低；混合燃料会增加未燃HC和CO的排放[109]，这是因为丁醇黏度小于柴油，可能造成撞壁[110].

图8 不同负荷下掺丁醇对soot-NOx的trade-off关系的影响[106]Fig.8 Effects of blending fuels on soot-NOx trade-off trend under different BMEP loads[106]

纯丁醇可以作为HCCI发动机的燃料[111]，它的氧含量有助于抑制碳烟的形成，较高的汽化潜热降低了缸内温度，从而降低NOx的形成. 在中低负荷下，不使用EGR即可实现超低的NOx和碳烟排放. 使用适度的EGR稀释可以进一步降低NOx排放. 相较于柴油，丁醇的负载范围可以扩大25%，但是相较于汽油，其运行范围略小[112].

2.4 二甲醚及掺氢二甲醚内燃机

二甲醚(dimethyl ether，DME)是乙醇的同分异构体，常温常压下为无色、轻微醚香味、对金属无腐蚀性的气体. 作为燃料，二甲醚具有自燃温度低、十六烷值高、最小点火能量低等优势，具有良好的着火特性.

2.4.1 二甲醚在SI发动机中的应用

Liang等[113]研究了纯二甲醚的燃烧特性. 结果表明，二甲醚可以在SI内燃机中实现冷启动和稳定的怠速. 因为二甲醚高十六烷值、较低的饱和蒸气压改善了冷启动过程，降低了冷启动过程的燃料消耗量. 但是由于二甲醚高的十六烷值和较低的自燃温度增加了SI内燃机的爆震趋势，这造成了二甲醚在SI内燃机中无法全工况运行. 何邦全等[114]利用高速摄像研究了直喷二甲醚在汽油机中的压缩自然特性. 图9、10展示了内部EGR (iEGR)率为32%时，二甲醚起始喷射时刻分别为20°BTDC和30°BTDC时的自燃图像，从图中可以看出，随着起始喷射时刻靠近上止点，发光区域更集中于缸内中心区域，提前燃料喷射时刻，则初始自燃区域更为分散，发光面积和发光强度相对更大.

图9 iEGR=32%、SOI=-20°工况下不同时刻的自燃火焰图像[114]Fig.9 Spontaneous combustion flame images at different times under the working conditions of iEGR=32% and SOI=-20°[114]

图10 iEGR=32%、SOI=-30°工况下不同时刻的自燃火焰图像[114]Fig.10 Spontaneous combustion flame images at different times under the working conditions of iEGR=32% and SOI=-30°[114]

二甲醚可以作为混合燃料掺入SI发动机，用以调节燃料的辛烷值，改善SI发动机的稀燃特性. Shi等[115]研究了掺二甲醚对汽油机的影响. 研究发现，进气中掺入二甲醚可以提高内燃机的燃烧定容度，改善发动机的有效热效率、降低燃料消耗率. 如图11所示，由于二甲醚中不存在C—C健，因此，掺入二甲醚降低了颗粒物排放. 纪常伟等[116]对醇类燃料中掺入二甲醚的燃烧特性进行了研究. 结果发现，凭借二甲醚的低温氧化放热过程可以促进醇类燃料的蒸发及燃料与空气的混合，加快混合气的燃烧速度，从而降低燃料消耗率，提高有效热效率. Shi等[115]研究了掺氢二甲醚的燃烧特性. 结果表明，掺氢提高了可燃混合气的燃烧速度，改善了发动机的热效率，同时降低了NOx排放水平.

图11 二甲醚/汽油复合喷射内燃机颗粒物总数排放随负荷的变化[115]Fig.11 Total particle number emissions versus MAP for gasoline engines blended with DME[115]

2.4.2 二甲醚在CI发动机中的应用

二甲醚的燃烧特性与柴油相近，使其成为CI内燃机的可替代燃料. 二甲醚和柴油可以分别通过进气道和直喷方式供入气缸，通过二甲醚的燃烧特性改变传统柴油机的燃烧模式. Chapman等[117]研究了气道喷射二甲醚对柴油发动机的影响. 结果表明，预混二甲醚- 空气混合气的起燃过程是自发的，并且二甲醚的自燃作用增加了柴油机的峰值缸压，提高了发动机的热效率，降低了NOx排放，但是CO、HC和PM的排放增加；此外，EGR可以控制二甲醚的自燃过程. 李东昌等[118]针对上述模式进行了系统研究，并发现在较高的二甲醚掺混比下，内燃机的燃烧过程呈现出3次放热现象；其中前2次分别为低温放热和高温放热，第3次放热主要由柴油的燃烧所致；在中低负荷下掺入二甲醚有助于降低柴油机的燃油消耗率、提高热效率，同时还可降低NOx与颗粒物排放. EGR可推迟燃烧起始时刻并延长燃烧持续期，进而降低内燃机的峰值缸压、峰值放热率和最大压升率[119].

西安交通大学周龙宝课题组[120-122]对燃用二甲醚/柴油混合燃料的发动机进行了研究. 他们的研究指出，二甲醚的掺入降低了混合燃料的饱和蒸气压，减小了燃料发生气阻的概率. 二甲醚较易气化，这有利于燃料与空气的混合，促进了燃料的更充分燃烧. 在较高负荷下，掺二甲醚使柴油机的颗粒物和NOx排放降低. 随着生物柴油的推广及应用，研究人员研究了生物柴油中掺入二甲醚对发动机性能的影响. Hou等[123]研究了二甲醚/生物柴油混合燃料的燃烧及排放特性. 结果表明，随着二甲醚的增加，混合燃料的点火延迟、峰值缸压、峰值放热率以及峰值缸内温度均下降，各个峰值随曲轴转角均推迟，同时，NOx排放降低；随着二甲醚的增加，HC和CO的排放急剧升高. Sun等[124]研究了EGR对二甲醚/生物柴油混合燃料发动机的影响. 结果显示，EGR改变了缸内混合气的反应活性，增加了点火延迟、燃烧持续期，推迟了燃烧相位；同时，颗粒物排放呈现为核态，随着生物柴油和EGR率的增加而增加.

二甲醚十六烷值高、扩散速度快，是一种适合HCCI燃烧模式的燃料. 国内研究学者对HCCI燃烧模式进行了较为全面的研究. Yao等[125]的研究显示，可以通过甲醇对二甲醚发动机的HCCI燃烧过程进行控制，拓展HCCI燃烧模式的工况上限；掺入甲醇后发动机的热效率降低，HC和CO排放升高. 无论是采用EGR策略还是燃料控制策略，HCCI燃烧模式均呈现出较高的热效率；相较于EGR，燃料控制策略可使发动机具有更宽的稳定运行范围. 天津大学尧命发、郑尊清等以及上海交通大学黄震、李德钢等均对纯二甲醚内燃机采用HCCI燃烧模式下的燃烧与排放特性进行了研究[126-129]. 他们的研究结果表明，纯二甲内燃机在HCCI燃烧模式下呈现出明显的二次放热特征，其第1阶段(低温)放热过程出现在缸内温度为700 K左右的热力学条件下，第2阶段(高温)放热过程出现在缸内温度为900 K左右的热力学条件下，且整体燃烧持续期很短. 但由于二甲醚十六烷值高，高压缩比内燃机燃用纯二甲醚仅可在中低负荷较小的范围内对HCCI燃烧过程进行控制.

2.5 生物柴油内燃机

1977年，巴西科学家Expedito申请了生产生物柴油的第一种工业工艺专利[130]. 该方法得到汽车行业的广泛认可，根据该工艺所制成的燃料被定义为生物柴油.

生物柴油因其无毒、可降解、较高的闪点、氧化性质带来的清洁燃烧能力、有害排放减少、零硫含量以及易于制造而变得越来越受关注. 生物柴油的概念最早由柴油机的发明者鲁道夫·迪塞尔首先提出，并使用了纯花生油驱动发动机. 随着技术进步，多种油被提议作为柴油的替代品. 生物柴油的大多数性质接近柴油，因而可以与柴油以任意比例混合. 生产生物柴油的原料主要分为四大类.

1) 植物油，分为食用植物油和非食用植物油. 食用植物油包括：向日葵、油菜籽、米糠、大豆、椰子、玉米、棕榈、橄榄、芝麻、花生、红油果等；非食用植物油包括：麻风树、棉花籽、亚麻籽、橡胶籽等.

2) 动物脂肪，包括牛脂、鸡油、鱼油副产品等.

3) 废气或回收的食用油.

4) 藻类.

我国研究学者从喷雾特性和燃烧特性等各方面对生物柴油进行了研究. 高东志等[131]对比了不同压力下生物柴油和柴油的喷雾特性，图12展示了在120 MPa喷油压力下B5生物柴油和京标10号柴油的喷雾发展过程，研究表明，B5生物柴油油束蒸发时间更长，喷雾锥角更小，表明B5生物柴油的黏性和沸点相对更高. 米永刚等[132]对生物柴油的喷雾燃烧特性进行了研究，结果表明生物柴油的十六烷值较高，导致生物柴油的点火延迟期小于纯柴油.

图12 120 MPa喷油压力下的喷雾发展照片[131]Fig.12 Development of spray under an injection pressure 120 MPa[131]

Ong等[133]研究了使用麻风树油甲酯混合物的发动机的性能. 结果显示B10燃料的扭矩略有增加，功率和平均燃料消耗率明显改善；他们发现HC、CO2、碳烟降低了，但是CO和NOx增加了. Remadhas等[134]研究了使用橡胶籽油发动机的性能. 他们发现B10的有效热效率明显改善；此外，在所有负载条件下，较低掺混比时的平均燃料消耗率均低于柴油. An等[135]对使用回收食用油的共轨发动机进行了研究. 结果表明，相较于柴油，在较高负载时B100的峰值扭矩提高了5.1%，但是在低负载时降低了10.7%；随着掺混比例的增加，排气温度降低；由于氧的存在，降低了CO2和HC的排放. Aydin等[136]研究了棉花籽油对发动机排放特性的影响. 结果表明，B5产生的扭矩略高于其他掺混比的燃料；随着掺混比例的增加，扭矩降低，可能的原因是棉花籽油较高的黏性及较低的热值；他们还发现CO减少了. Buyukkaya等[137]研究了菜籽油的燃烧及排放特性. 结果显示，所有混合燃料的有效热效率均高于柴油. Qi等[138]测试了大豆油在发动机的燃烧及排放特性. 结果表明，NOx减少5%，CO减少27%，HC减少27%，碳烟减少52%.

总体而言，生物柴油的功率输出取决于其混合质量和燃烧燃料的负载条件. 燃料的热效率基于燃料特性，并且这些特性将随着掺混物以及生物柴油质量的变化而变化.