关于提高以生物柴油和正丁醇为燃料的发动机性能及燃烧特性的研究

《Renewable Energy》：Study on the enhancement of the performance and combustion aspects of engine fueled with biodiesel-n-butanol

本研究通过实验与计算流体动力学模拟，优化了生物柴油与n-丁醇混合燃料的运行参数，显著提升扭矩并降低颗粒物排放，验证了多物理模型与智能算法结合的有效性。

　　

Kaimin Liu|Zhi Jiang|Xiaopeng Feng|Jintao Zhou|Penghong Liao|Hui Peng|Xinhao Zeng

中南林业科技大学机械与智能制造学院，中国长沙，410004

摘要

本研究通过添加正丁醇来降低生物柴油的粘度并抑制烟尘排放，从而解决了生物柴油在柴油发动机中存在的实际问题。结合实验和仿真方法（包括先进的计算流体动力学（CFD）模拟，该研究利用元启发式算法优化了发动机运行参数。微生物遗传算法在确定最佳喷射相位和空燃比方面表现出优越的收敛性，有效平衡了燃烧效率与排放控制。优化的Bi80N20混合物（80%生物柴油/20%正丁醇）使扭矩提高了7.69%，同时颗粒物排放减少了15.4%。CFD模拟揭示了正丁醇的两种功能机制：其低粘度改善了燃油-空气混合的均匀性，而富氧作用延长了点火延迟，促进了完全燃烧，从而减少了局部当量比的波动。这项工作建立了一个将计算智能与多物理场建模相结合的强大框架，为传统发动机改装可持续生物燃料提供了可行的策略。通过将算法创新与燃烧科学相结合，该研究推动了可再生能源在交通系统中的应用，直接支持了工业脱碳努力，并加速了全球实现碳中和目标的进程。

引言

全球交通运输行业面临着能源需求激增和环境法规日益严格的双重挑战，迫切需要采用可持续的替代化石燃料[1]。生物柴油由植物油、动物脂肪和废弃食用油等可再生原料合成，已成为解决这一问题的关键候选方案[2]。其碳中和的生命周期、可生物降解性以及与传统柴油发动机的兼容性使其成为减少温室气体排放和降低对石油依赖的可行解决方案[3,4]。生物柴油的含氧分子结构提高了燃烧效率，这一点在燃料设计研究中得到了广泛研究[5]。此外，生物柴油的高十六烷值确保了其良好的点火性能，使其成为柴油的有效替代品[6,7]。然而，其较高的粘度、较差的低温流动特性以及增加的氮氧化物（NO_x）排放限制了其广泛应用[8]。要解决这些技术瓶颈，需要创新策略来提升生物柴油的运行性能，同时保持其环境效益。

将醇类添加剂引入生物柴油配方已成为优化燃料物理和化学性质的关键研究方向。Zhen X等人[9]、Zhou F等人[10]和El-Seesy A I等人[11]的研究表明，正丁醇相比甲醇或乙醇等短链醇类具有明显优势，如更高的能量密度、更好的生物柴油相容性和更低的吸湿倾向。其适中的十六烷值和相对较低的汽化焓在燃油-空气混合形成和燃烧稳定性之间取得了最佳平衡[12]。正丁醇与生物柴油的混合显著降低了运动粘度和界面张力，从而改善了燃油喷雾雾化特性并加速了液滴蒸发动力学[13]。这种协同改性同时缓解了生物柴油的低温流动限制，并促进了均匀可燃混合物的形成，这是抑制未燃烃（HC）和颗粒物（PM）排放的关键机制[14]。

值得注意的是，正丁醇的固有氧化性与生物柴油的含氧分子结构相辅相成，通过改善中间自由基氧化途径有效减少了一氧化碳（CO）排放[15]。然而，正丁醇的高挥发性、相对于生物柴油的十六烷值差异以及非线性燃烧动力学之间的复杂相互作用，带来了复杂的性能平衡要求。这种多参数交互需要精确控制发动机的关键控制变量，特别是燃油喷射时机的优化、空燃比（AFR）管理和可变气门驱动策略，以在各种运行条件下最大化燃烧效率。

现有的关于生物柴油-正丁醇混合物的研究主要集中在对发动机性能和排放特性的经验评估上。表1总结了最近关于生物柴油/醇类混合燃料在压缩点火（CI）发动机应用的关键研究发现。例如，甲醇混合物通常会增加热效率并增加NO_x排放，而正丁醇添加剂通常会增加特定燃油消耗率，但会减少烟雾和PM排放。其他研究还表明，添加正丁醇可以将PM排放减少多达15%，但由于燃烧温度升高，NO_x会有所增加[16]。然而，这些发现往往缺乏对燃料性质如何影响缸内现象（如喷雾破碎动态、当量比分布和火焰稳定机制）的机制性理解。研究表明，仅优化单一变量（如混合比例或喷射压力）无法准确描述双燃料燃烧系统的综合耦合特性。例如，提前喷射时机以补偿正丁醇的较低十六烷值可能会提高点火稳定性，但会通过延长高温燃烧阶段无意中加剧NO_x的形成[17]。同样，为了减少CO排放而调整AFR可能会影响扭矩输出。这一局限性充分暴露了单变量优化方法在处理燃烧系统多维参数耦合特性方面的固有缺陷。

优化算法的最新进展为解决发动机燃烧系统中的这些挑战提供了有效方案。正如Xie M等人[24]所展示的，遗传算法模拟自然选择过程来传播高适应度参数组合，而群体智能方法模拟集体决策以高效探索广阔的设计空间。这些方法在优化生物柴油-正丁醇混合燃烧系统方面显示出特别的前景，其中燃料性质与发动机运行参数之间的非线性耦合效应显著影响系统性能。通过全面优化关键参数（包括进气和排气门定时、燃油喷射参数和压缩比设置），这些先进算法可以发现传统实验方法可能无法识别的高效运行条件。

CFD的集成进一步增强了优化框架的预测能力。高保真CFD模型能够解析亚毫秒级的喷雾动态、温度梯度和污染物形成路径，提供了对控制燃烧的热化学机制的详细洞察。例如，模拟可以量化正丁醇的低粘度如何影响液滴尺寸分布，或者富氧如何改变火焰传播模式[25]。这些机制性洞察不仅验证了实验观察结果，还将微观现象与宏观性能指标联系起来，从而改进了优化算法。

总之，尽管生物柴油的潜力已得到广泛认可，但由于可视化能力的限制，生物柴油-正丁醇混合燃料的基本燃烧机制仍知之甚少。为解决这一差距，本研究建立了一个集成高保真CFD与GT-Power仿真技术的仿真框架，用于分析生物柴油-正丁醇混合燃料。通过将恒容燃烧室的多条件燃烧数据与高保真CFD模型相结合，我们系统地研究了正丁醇对喷雾雾化、火焰稳定性和反应动力学的物理化学影响。CFD仿真的可视化揭示了瞬态燃油-空气混合和燃烧过程，为观察到的排放趋势提供了机制性解释。因此，可以通过生物柴油-正丁醇混合燃料的燃烧特性来描述PM和NO_x的生成机制。这些研究不仅为生物柴油-正丁醇发动机的多参数优化策略提供了指导，还有助于提高发动机性能和燃烧效率，同时为未来的深入研究提供了宝贵的参考。

部分摘录

发动机台架测试

实验装置使用了一台四缸四冲程高速CI柴油发动机，因其评估各种燃料混合物（特别是丁醇-柴油混合物）的性能特性而具有相关性。发动机台架配备了先进的测量仪器，用于获取关键性能参数，包括制动扭矩、制动比燃油消耗（BSFC）和排放。发动机和测试设备的主要规格在

数值方法

使用GT-Power构建了以D100和丁醇-生物柴油混合物为燃料的发动机仿真模型，如图2所示。模型主要子组件的输入数据及其采集方法已详细描述。这些数值模型可以预测发动机性能、燃油经济性和排放特性。为了评估发动机模型的准确性，图3显示了校准后的数值模型的一些结果以及仿真

优化运行变量的选择

根据Liu等人的研究结果[28]，包括气门定时、点火角、空燃比和压缩比在内的关键运行参数全面影响了以丁醇-汽油混合物为燃料的高速SI发动机的燃烧特性。Deng等人[29]进一步通过热释放分析表明，点火角优化显著影响了生物丁醇/汽油混合物的燃烧过程和能量释放模式。此外，Feng等人[30]

CFD模型构建

使用MGA联合优化了影响满负荷下Bi80N20燃料动力性能的多个高度耦合的运行变量，包括IVO、EVO、DIT和DIM。扭矩增加了7.69%，验证了MGA驱动方法在现实世界发动机校准中的实际效果，并展示了其在解决双燃料燃烧系统中的复杂非线性相互作用和应对高维优化挑战方面的能力。

为了阐明

燃料当量比分布场

使用MGA优化的运行变量作为输入，校准并验证了一个3D CFD燃烧模型，以研究优化前和优化后的Bi80N20燃料之间的燃烧和排放差异。表2记录的D100和两种Bi80N20配置的缸内当量比分布的比较分析表明，燃料雾化和喷雾发展是影响效率和排放的主要因素。这与Mo J的研究结果一致[35]

结论与未来工作

本研究建立了一个综合计算框架，用于优化Bi80N20混合物在柴油发动机中的燃烧性能。多目标遗传算法确定了使满负荷扭矩增加7.69%并提高IMEP 12.09%的参数。混合正丁醇改善了燃料雾化和燃烧过程，导致烟尘排放减少了15.4%，尽管由于缸内温度升高，NOx略有增加。高保真CFD模拟证实了

CRediT作者贡献声明

Kaimin Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资金获取，正式分析。Zhi Jiang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，正式分析。Xiaopeng Feng：方法论，正式分析。Jintao Zhou：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。Penghong Liao：撰写 – 审稿与编辑。Hui Peng：正式分析。Xinhao Zeng：正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国湖南省自然科学基金[资助编号 2024JJ5645]和湖南省学生创新培训项目[资助编号 S202410538098]的支持。