《Fuel》：Numerical investigation of the effects of dual-spark-plug arrangements on combustion and emissions in an n-butanol direct-injection engine
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n-丁醇直接喷射火花点火发动机采用双火花塞配置，通过三维数值模拟研究不同火花塞间距（0.25, 0.50, 0.75）对燃烧性能和排放的影响。A=0.50时实现最佳燃烧特性：压力上升更快、热释放相位更集中、燃烧持续时间更短，同时NOx排放虽高但碳烟和CO排放显著降低。该研究为酒精燃料发动机的火花塞优化提供理论支撑。
作者：田毅 | 郑旭东 | 刘增斌 | 杨汉辉 | 严仁斌 | 田志 | 李志勇
天津职业技术大学汽车与交通学院，中国天津 300222
摘要
N-丁醇作为一种可行的可再生燃料选项，越来越受到重视，而双火花塞（DSP）技术的应用在提高燃烧性能方面具有显著优势。本研究采用三维（3-D）数值发动机模型，系统地研究了DSP布置对N-丁醇直喷火花点火（DISI）发动机缸内燃烧行为和排放形成的影响。研究了三种标准化的火花塞间距（A = 0.25、A = 0.50、A = 0.75）。结果表明，A = 0.50的布置具有最理想的燃烧特性，包括更优的压力发展、更快的热量释放以及更短的燃烧时间。尽管由于温度升高导致氮氧化物（NOx）排放量增加，但与其他布置相比，该布置实现了燃料的完全利用，并减少了烟尘和一氧化碳（CO）的排放。这些发现表明，A = 0.50的布置是N-丁醇DSP发动机中最可行的选择，它在提升发动机性能和满足排放控制要求之间提供了有效的平衡。
引言
随着工业化的不断加剧，人们对全球气温上升和化石燃料储量减少的担忧日益加剧。为此，国际气候倡议如《格拉斯哥气候协议》[1]和《巴黎协定》[2]制定了明确的减排目标，加速了清洁替代燃料的研究。因此，用清洁能源替代化石燃料已成为研究的重点。内燃机正在采用多种低碳燃料，包括氢[3]、生物柴油[4]、酒精燃料[5]和合成电子燃料[6]，以减少碳排放。
酒精燃料引起了关注。最近的综述研究表明，用生物基化合物（如酒精）掺混的汽油可以提高燃烧效率并减少排放[7]；将酒精燃料与传统燃料混合可以在控制成本的同时减少排放[8]。甲醇[9]和甲醇/乙醇混合物[10]显示出减排潜力[11]；然而，它们在重型预混合燃烧[12]、反应控制压缩点火策略[13]和闪蒸喷射[14]中的应用仍在进行积极研究中。此外，甲醇存在一些缺点，包括腐蚀性[15]、冷启动性能差[16]和蒸气压低[17]。尽管乙醇已被证明适用于火花点火发动机[18]并且有助于抑制爆震[19]，但其大规模应用受到生产途径的限制[20]。
郑等人[21]强调了N-丁醇在火花点火（SI）和压缩点火（CI）发动机中的应用潜力。最近的光学DISI研究表明，丁醇的燃烧性能受到分子结构的强烈影响[22]。金等人[23]和Trindade等人[24]证实了N-丁醇作为可持续生物燃料的可行性和适用性。表1将其性质与汽油和其他酒精进行了比较。N-丁醇可以与柴油高度混合[25]，提高峰值压力并减少氮氧化物（NOx[26]，进一步增加丁醇比例可以增强燃烧特性[27]。
N-丁醇也与汽油混合良好，是火花点火发动机的一种有前景的燃料。N-丁醇-汽油混合物提高了燃油经济性、热效率和缸内压力[28]。增加丁醇含量可以增强抗爆震性能[29]。N-丁醇异构体在与替代燃料混合时可以提高研究辛烷值（RON）[30]，并减少燃油消耗和排放[31]。
最近的光学恒容研究表明，酒精燃料在喷雾演变、火焰传播和热量释放特性上与汽油有根本不同[32]。进一步的研究表明，闪蒸喷射可以缩短点火延迟，增强热量释放，同时减少排放[33]；汽油与丙酮-丁醇-乙醇（ABE）混合物的闪蒸喷射已被证明可以提高火焰均匀性和稳定性，并显著抑制多环芳烃（PAHs）和烟尘的形成[34]。追求提高能源安全和减少排放正在推动发动机系统向更高效率和更低碳排放方向发展。
大量研究表明，DSP技术可以降低失火风险，提高发动机性能[35]，并已广泛应用于旋转发动机[36]、小排量汽油发动机[37]和自由活塞发动机[38]。在旋转发动机中，双火花塞通常具有不同的功能，而不是多余的点火源[39]，点火策略和火花塞布置是控制燃烧稳定性和热量释放特性的关键因素[40]。Lei等人[41]通过协调的双点火策略进一步优化了自由活塞发动机中的燃烧稳定性。
对于DISI发动机，压缩比[42]和火花塞布置是主要的研究焦点。Altin和Bilgin[43]证明了火花塞布置的重要性。Ji等人[44]发现对称的DSP布置可以增强火焰发展，Hwang等人[45]进一步表明，优化的火花塞位置和点火时机可以改善旋转发动机的燃烧性能和燃油经济性。此外，DSP技术还适用于其他燃料，如氢辅助燃烧[44]、甲烷[46]和乙醇/汽油混合物[47]。
在本研究中，使用纯N-丁醇燃料替代汽油。与汽油相比，N-丁醇具有更高的表面张力、粘度和汽化热，这导致雾化效果较差和挥发性降低，从而引起混合不均匀、燃烧质量下降和排放增加。尽管已经对N-丁醇发动机进行了大量研究，但现有研究主要集中在喷射策略、混合效果和单火花塞（SSP）上。迄今为止，DSP布置对火焰演变、热场发展和排放权衡的影响仍不清楚。因此，确定适用于N-丁醇发动机的适当DSP布置至关重要。本研究使用3-D数值模拟系统地研究了DSP布置如何影响N-丁醇发动机的性能和排放，并确定了N-丁醇DISI发动机的最佳DSP布置，从而为酒精燃料发动机的DSP应用提供了实际指导。
部分摘录
发动机模型
本研究中采用的三维（3-D）发动机模型基于先前验证的一维（1-D）框架开发。Liu等人[48]建立并实验验证了一个以N-丁醇为燃料的1-D DISI发动机模型。Tian等人[49]应用该框架研究了N-丁醇/汽油混合物的燃烧和排放特性，Tian等人[50]进一步将其扩展到SI发动机中酒精燃料的比较研究。这些研究证实了该模型的可靠性
1. 火焰演变和燃烧特性
火焰发展被认为是燃烧过程的一个内在组成部分，因为火焰演变的分析揭示了不同DSP配置下火焰行为与整体燃烧性能之间的物理联系。Zhen等人的研究[65]表明，过氧化氢（H2O2）物种的演变与火焰前沿的推进有很强的相关性，使其空间分布成为火焰传播分析的有效代理。
结论
本研究采用全三维（3-D）数值模拟，研究了不同火花塞布置下N-丁醇燃料DSP发动机的火焰演变、燃烧行为和排放形成。结果清楚地展示了火花塞几何形状与发动机性能之间的定量关系。在测试的配置中，A = 0.50的布置表现出最理想的整体燃烧特性。与A = 0.25和A = 0.75相比，它提高了峰值
作者贡献声明
田毅：撰写 – 原稿撰写、软件开发、方法论、数据分析。郑旭东：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法论、概念构思。刘增斌：验证、软件开发、数据分析、数据分析。杨汉辉：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、数据分析。严仁斌：软件开发、数据分析。田志：软件开发、资源协调、数据分析。李志勇：软件开发、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
