可持续醇-柴油混合燃料推动交通运输能源转型

《Biomass and Bioenergy》：Boosting the energy transition in the transport sector through the use of sustainable alcohol–diesel blends

为应对交通运输领域碳减排压力，本研究探讨了可持续醇类（短链、长链及支链）与柴油混合对欧6压燃式发动机在WLTC工况下排放性能的影响。结果表明，所有混合燃料均能显著降低PM和CO排放，但NOx和HC排放特性则取决于醇类的十六烷值(DCN)、氧含量和汽化焓。研究成果为在不改造发动机硬件的前提下，筛选最优的“即用型”可再生燃料提供了关键数据支持。

　　

在寻求更清洁未来的道路上，交通运输领域的“减碳”压力日益增大。尽管欧洲和北美在2023年已显著减少了石油消耗，但化石燃料仍提供了全球近80%的初级能源。为了应对这一挑战，利用生物质或废弃物生产的醇类等含氧燃料，被视为满足汽车行业能源需求、降低对石油依赖的重要选项。然而，醇类燃料种类繁多，其物理化学性质（如十六烷值(DCN)、氧含量和汽化焓）各异，与柴油混合后对发动机性能和污染物排放的影响错综复杂。此前的研究多在稳定工况下进行，而在模拟真实行驶条件的世界统一轻型汽车测试循环(WLTC)这一动态工况下的评估却相对缺乏。因此，明确不同醇-柴油混合燃料在实际驾驶条件下的排放特性，对于识别最环保的“即用型”燃料，加速交通能源转型，具有紧迫而现实的意义。本篇发表在《Biomass and Bioenergy》上的研究，便致力于解答这一系列关键问题。

为开展研究，作者团队采用了几个关键的技术方法。首先，他们选择并配制了包含短链（乙醇、丙醇）、长链（丁醇、己醇、辛醇）和支链（甲基丙醇、乙基丁醇、乙基己醇）在内的多种醇类与柴油的混合燃料，并详细测定了其密度、粘度、氧含量、十六烷值和汽化焓等关键物化性质。其次，研究在一台符合欧6标准的日产Qashqai 1.5 dCi柴油发动机上进行，该发动机连接至底盘测功机，通过路载模拟(RLS)系统精准复现WLTC驾驶循环的负载条件，每种燃料均进行三次循环测试以确保可靠性。最后，对发动机排气进行了全面测量：使用Envea分析仪在废气后处理系统下游测量CO、CO₂、HC和NO_x等气态污染物；同时，在柴油颗粒过滤器(DPF)上游使用电子低压冲击器(EEPS)测量颗粒物数量(PN)，并通过校准的密度关联换算为颗粒物质量(PM)，以评估不同燃料对颗粒物形成的影响。

研究结果通过多个维度揭示了不同醇-柴油混合燃料的排放特性：

4.1. 燃烧模式分析

热释放率(HRR)曲线显示，所有燃料的燃烧模式总体相似，发动机电子控制单元(ECU)通过调整喷射策略适应了不同燃料的差异。然而，在低速阶段，D85ET15（含15%乙醇）和D60OC40（含40%辛醇）等混合燃料由于汽化焓和十六烷值的影响，出现了轻微变化，导致预混燃烧更剧烈，进而影响了累积排放。

4.2. CO₂排放

所有混合燃料的CO₂排放与纯柴油(D100)相比变化相对温和，增幅在+7.30%（D90PR10, D85MP15）到降幅-2.25%（D80HX20）之间。这种相对稳定性是因为，虽然醇类含氧量更高（有利于降低单位质量的CO₂），但其较低的热值需要消耗更多燃料以维持同等功率输出。

4.3. CO排放

所有混合燃料均显著降低了CO排放，主要归因于醇类提供的额外氧气促进了更完全的氧化。其中，D60OC40（含40%辛醇）和D85BU15（含15%丁醇）的降低幅度最大，分别达到-44.73%和-42.48%。然而，短链醇（如乙醇）的高汽化焓产生的“冷却效应”部分抵消了其高氧含量的益处，限制了CO的减排效果。

4.4. HC排放

与CO₂和CO不同，除D80OC20（含20%辛醇）外，所有醇-柴油混合燃料均增加了HC排放。这主要与醇类的高汽化焓引起的“冷却效应”有关，它降低了缸内温度，导致燃料不完全燃烧。例如，D85ET15（含15%乙醇）的HC排放增加了惊人的211.82%。而D80OC20凭借其与柴油相近的汽化焓和适宜的氧含量，协同作用最小化了冷却效应，成为唯一降低HC排放的混合燃料。

4.5. NO_x排放

除D80EH20（含20%乙基己醇）外，所有混合燃料均增加了NO_x排放。其关键影响因素是十六烷值(DCN)，DCN越低，点火延迟期越长，导致更多燃料在点火前预混，产生更剧烈的燃烧和更高的缸内峰值温度，从而通过泽尔多维奇机制促进热力型NO_x的形成。D85ET15（DCN最低，为42.09）的NO_x增幅最大（+25.59%）。高氧含量作为次要因素，通过促进更快燃烧进一步加剧了NO_x的生成。

4.6. 颗粒物质量排放

所有醇-柴油混合燃料均显著降低了颗粒物(PM)质量排放，降幅从-28.09%（D80EH20）到-58.69%（D60OC40）不等。这种系统性降低主要归因于醇类的氧含量促进了更完全的碳氧化，减少了碳烟形成。同时，柴油被醇类部分替代，也减少了芳香烃等碳烟前驱体的含量。分子结构也有影响，支链醇（如乙基己醇）由于含有更多叔碳原子，其减排PM的效果略逊于直链醇。

研究结论与讨论部分明确指出，将生物质衍生的醇类与化石柴油混合会显著改变柴油发动机在WLTC循环下的排放特征，其结果取决于混合燃料的化学结构和理化性质。在评估的所有配方中，含20%辛醇的混合燃料(D80OC20)表现出最佳的综合排放性能，同时降低了CO、HC和PM（尽管NO_x略有增加），这得益于其接近柴油的高十六烷值和适中的氧含量。乙醇（D90ET10）虽然因低十六烷值和高汽化焓导致NO_x和HC增加，但在降低PM和CO方面效果显著，且因其成熟的生产和分销基础设施（尤其在乙醇经济国家），仍是一个具有良好经济可行性的战略选择。乙基己醇(D80EH20)则提供了一个可行的折中方案，平衡了排放减少与工业可用性。因此，选择理想的醇类用于柴油混合燃料，不仅要考虑燃烧和排放特性，还需兼顾区域可用性、生产规模和潜在的技术适配性。这项研究为在不进行硬件改造的前提下，筛选最具环境效益的“即用型”可再生醇类燃料提供了关键数据和深刻见解，对于推动交通能源的清洁化转型具有重要意义。