将乙醇和丁醇等低碳可再生燃料整合到汽油直喷（GDI）发动机的燃料供应系统中，对于减少交通运输领域的碳足迹至关重要，包括仍依赖GDI发动机的插电式混合动力电动汽车（PHEVs）[1]。最近的研究表明，使用可持续燃料的内燃机（ICEs）可以显著降低CO2排放[2]。为此，多项政策提倡将可再生燃料作为实现清洁出行的途径[3]。
乙醇和丁醇等醇类是适用于GDI发动机的有前景的低碳可再生燃料[4]，而这些发动机仍然是PHEVs的主要动力来源[5]。乙醇作为一种广泛使用的生物燃料，相比汽油具有更高的辛烷值、更高的氧含量和更好的挥发性[6]。这些特性有助于减少HC、CO和NOx的排放[7]。特别是正丁醇，其燃料混合能力更强，能量含量更高（29.2 MJ/L，而乙醇为21.2 MJ/L），腐蚀性更低，疏水性更强[6]。与乙醇不同，正丁醇可以通过现有管道运输，并且无需对发动机进行修改即可直接替代汽油使用。
在低碳可再生燃料领域，已经对乙醇和丁醇的喷雾和蒸发特性进行了广泛研究。Yu[8]发现，乙醇比例增加5-15%会降低喷雾尖端的穿透力。Wang等人[9]观察到，在高温下，含乙醇的混合燃料具有显著的膨胀、微爆现象以及比纯传统燃料更好的蒸发速率。Chen等人[10]报告称，随着混合燃料中乙醇比例的增加，蒸发潜热增加，吸收了更多的环境热量，导致液相喷雾穿透时间延长。在冷启动GDI条件下，含乙醇的汽油喷雾蒸发速度较慢，形成的羽流锥角更小，液相穿透距离更长，液滴尺寸也更大[11]。
由于丁醇的饱和蒸汽压低于汽油，其完全蒸发需要更高的温度。其Sauter平均直径（SMD）更大，液滴平均速度比汽油高出最多24%[12]。Kale和Banerjee[13]认为，丁醇的雾化效果较差且液滴尺寸较大是由于其粘度和表面张力较高。此外，正丁醇和乙醇的高蒸发潜热（LHoV）导致液滴冷却，从而降低了它们的蒸发速率[14]。Serras等人[15]指出，正丁醇的喷雾面积下降速度最慢，体现了其“重质”特性。
Aleiferis和Romunde[16]报告称，丁醇在0-20°C范围内具有最低的雷诺数，表明为层流条件；而在333 K以上的第二风诱导区域内具有最高的Ohnesorghe数。乙醇在293 K以上也表现出类似的行为，这与发动机冷启动条件相关。他们还发现，在7-100°C范围内，丁醇的液滴尺寸最大，且在90°C之前其雾化效果不如异辛烷；喷雾崩溃现象直到120°C才发生。Knorsch等人[17]报告称，正丁醇的液滴平均直径最大，雾化和蒸发速率较低。Heldmann等人[18]证实了粘度与汽油、正己烷和正癸烷的喷雾特性之间的关系。Serras等人[15]发现，丁醇的喷雾发展对冷却剂温度的敏感性较低，而乙醇和汽油则部分发生喷雾崩溃。丁醇和乙醇的高粘度、表面张力以及LHoV会增加燃烧室壁上的液滴尺寸和燃油膜厚度，尤其是在寒冷条件下[19]。乙醇的高蒸发潜热甚至在冷进气时会产生负热流[19]。大多数研究表明，温度升高有助于两种燃料的雾化。
闪蒸喷射是指由于环境压力低或燃料温度高导致燃料迅速蒸发的现象[20]，通过相变改善了雾化效果，促进了混合气的形成。由此产生的气泡状两相流增加了液滴的蒸发和破碎[21]，随着温度的升高，液滴尺寸显著减小[22]。研究表明，这种效应在醇类混合物中尤为明显：Li等人[12]发现，在接近闪蒸条件的情况下，正丁醇的雾化效果得到改善；Kale和Banerjee[13]报告称，在423 K时正丁醇的液滴尺寸减少了55%（尽管仍大于异辛烷）。Aleiferis和Romunde[16]观察到丁醇和乙醇的类似趋势，而Knorsch[17]测量到当气体温度从200°C升至400°C时，正丁醇的SMD减少了42.5%。Serras等人[19]发现，在较高温度下，正丁醇的燃油膜变薄得更快，但仍比其他燃料更厚。总体而言，闪蒸喷射改善了丁醇和乙醇的雾化效果。
乙醇和丁醇在SI/GDI发动机性能和排放实验中受到了广泛研究。例如，向汽油中添加30%体积的乙醇已被证明可以减少小于23纳米颗粒的浓度[6]。此外，使用乙醇会使制动比燃油消耗（BSFC）增加28%，而22%乙醇与汽油的混合物（E22）可以提高热释放率和缸内压力[23]。还注意到，由于乙醇的较高辛烷值和LHoV，燃料混合比例超过E50时不太可能出现爆震[24]。然而，使用乙醇/汽油混合物可以改善制动热效率（BTE）[25]。增加试验燃料中的乙醇含量会降低火焰亮度并影响燃烧性能，E30和E50燃料会产生更强的扩散火焰和更大尺寸的颗粒[26]。此外，还开发了使用乙醇作为操作燃料的湍流喷射点火预燃室技术[27]。向汽油中添加乙醇会增加SI发动机中的CH4、MeCHO和HCHO排放[28]。值得注意的是，添加乙醇通常还会减少CO、HC和NOx的排放[29]。
此外，多项研究还探讨了丁醇对GDI发动机燃烧和排放的影响[30]。研究发现，添加高达40%的丁醇可以提升发动机性能，并可作为汽油的替代品[31]。丁醇比例的增加显著降低了CO和CO2的排放[32]。丁醇还可以减少NOx和UHC的排放[33]。含有正丁醇的混合物还有潜力减少多环芳烃（PAH）的排放，从而减少烟尘[34]。所有这些研究都表明，这些燃料可以减少发动机排放并提升性能。
乙醇和丁醇具有减少排放的潜力，但它们在GDI发动机中的冷启动性能尚未得到充分研究。它们的高蒸发潜热、粘度和表面张力可能会影响雾化效果，产生较大的液滴，从而减缓蒸发过程。这会降低混合气的形成，促进局部富燃区的形成和积聚燃烧，增加烟尘生成，这些因素可能限制它们的应用。已经提出了诸如EGR或添加氢气等缓解策略来提高兼容性[35]，而先进的点火系统如氢辅助喷射点火（HAJI）可以增强稀薄燃烧的稳定性[36]。因此，在没有支持性燃烧策略的情况下，这些可再生燃料在冷启动条件下的可行性仍不确定[37]。尽管如此，它们在降低从井口到车轮的温室气体排放方面的潜力仍激发了进一步的研究兴趣。
一种有前景的燃烧增强方法是闪蒸喷射。本研究具体探讨了在恒容燃烧室内冷启动条件下，闪蒸喷射与乙醇/丁醇混合物之间的相互作用。关键未解决的问题包括闪蒸雾化是否能够克服燃料的固有缺点，以及它们的性质如何影响闪蒸喷射的崩溃。通过背光成像分析喷雾特性，通过高速火焰成像和压力测量分析燃烧过程，通过FTIR（检测15种成分）分析排气排放，通过TEM分析烟尘形态。该研究的独特之处在于同时测量了喷雾、火焰、排放物和烟尘结构。
