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甲醇-柴油双燃料发动机掺入不同比例水对燃烧与排放的影响研究。通过台架试验对比分析纯柴油、纯甲醇及90%、60%、30%甲醇+水（含纯水）混合燃料的燃烧特性与排放规律，发现水通过蒸发吸热降低缸内温度（抑制爆震）、缩短点火延迟（纯水缩短14%）、提升充气效率，实现热效率优化（40%替代率时提升7%），同时协同降低NOx（最高64%）和HC（纯水55%），提出水与甲醇协同喷射优化策略。
作者：长春徐 | 斯坦尼斯拉夫·博隆金 | 罗祖南 | 王建明 | 李景瑞 | 蒋海国 | 庄远 | 陈大芬 | 钱叶健
单位：江苏科技大学能源与动力工程学院，中国江苏省镇江市212100
摘要：
随着探索内燃机的替代燃料成为该领域的核心任务，本文重点研究了甲醇-柴油双燃料发动机，并通过试验台系统研究了向进气歧管中注入不同比例的水对发动机燃烧和排放特性的影响。实验在固定的替代比例下进行，比较和分析了纯柴油、纯甲醇以及不同甲醇/水混合燃料（包括90%甲醇+10%水、60%甲醇+40%水、30%甲醇+70%水和纯水）的缸内燃烧过程和排气排放模式。结果表明，水的注入通过蒸发吸热效应显著降低了缸内燃烧温度，有效抑制了高负荷下的爆震倾向，并提高了充气效率。在燃烧特性方面，与60%甲醇+40%水相比，30%甲醇+70%水和纯水的点火延迟分别缩短了7%和14%；其中，90%甲醇+10%水（文中标记为90% M + 10% W）条件下的燃油消耗率最低（221.76 g/kW·h），在40%替代比例下，制动热效率比纯柴油高7%。在排放控制方面，水的添加通过降低局部高温区域的温度和稀释氧气浓度显著减少了氮氧化物排放。在仅使用甲醇和30%甲醇+70%水的情况下，氮氧化物排放量减少了64%。本研究的创新之处在于系统揭示了不同水含量对甲醇-柴油燃烧过程的调节机制，并提出了一种优化策略，协调水和甲醇的注入比例，以平衡氮氧化物与碳氢化合物/一氧化碳排放之间的矛盾。这为实现内燃机的高效清洁燃烧提供了新的技术途径。
引言
鉴于“碳中和”战略的要求，柴油发动机存在高能耗和大量污染物排放的问题[1]，这带来了严峻的挑战。因此，探索相应的替代燃料已成为当前内燃机发展的主要任务之一。在这一背景下，生物柴油、氢能、天然气和合成燃料等各种替代燃料方案逐渐进入研究范围。未来，随着燃料技术的不断成熟和基础设施的逐步完善，替代燃料有望在实现内燃机绿色转型方面发挥关键作用，并为“碳中和”目标的实现提供重要的技术支持。
使用含氧燃料或类似含氧添加剂与柴油混合是否能够改善柴油发动机的燃烧性能和排放成分[2]已成为当前的研究热点。经过长期研究，发现将甲醇与柴油混合成为最有前景的替代燃料，因为它不会改变柴油发动机的结构和参数，并成为近年来的研究重点[3],[4]
。
随着对甲醇和柴油混合物研究的增加[5],[6]，虽然发现添加甲醇可以减少柴油发动机的烟尘、NO和CO排放，但在燃烧过程中也发现甲醇粘度较高，需要更高的喷射压力。此外，甲醇无法与柴油充分混合，导致燃烧过程中缸内温度下降、燃烧相位延迟，并造成排气污染。
考虑到上述问题，本文提出了在缸内添加少量水是否能够改善柴油和甲醇/柴油混合燃料的燃烧性能和排气排放特性的问题[7]。针对这一问题，越来越多的研究人员尝试向柴油和甲醇/柴油混合燃料中添加水，以探索水对燃烧过程的影响。
龙武强等人[8]团队使用等体积燃烧室分析了含水甲醇的燃烧特性。结果表明，甲醇中的水含量和柴油与甲醇之间的喷射间隔是影响缸内燃烧的主要因素。研究发现，水在高温高压下分解产生OH基团[14]，有利于缸内组分的燃烧。喷射间隔可以改变喷射的碰撞时间和位置，优化燃烧过程和传播。Hitesh Panchal等人[9]团队使用部分预混增压点火（PPCCI）发动机技术研究了不同浓度的水-柴油乳液在PPCCI发动机中的应用。他们通过改变柴油中水溶液的比例进行了实验，结果表明，水的添加提高了燃油消耗率，增加了热效率，并减少了CO、UHC、烟尘和NOx排放。刘永强等人[11]团队研究了甲醇-水溶液在云内D30柴油发动机上的进气混合效果。水的添加提高了缸内峰值压力，提前了燃烧相位，并减少了CO和HC排放。上述结果主要依赖于向柴油中添加水带来的节油机制，这可以通过“微爆理论”[7],[10]来解释。柴油和水均匀混合，形成油-水及油-甲醇结构。当油表面燃烧时，内部的甲醇和水被加热并蒸发，迅速膨胀产生巨大压力，接近微爆状态。油滴分裂并雾化，增加了油滴与空气的接触面积[12]，提高了燃烧效率，减少了不完全燃烧，实现了节油和减排的效果[13]
。
因此，从上述内容可以看出，通过向柴油或甲醇中添加水并优化关键参数（如水含量和喷射策略），“微爆”效应可以显著改善雾化效果；原因是柴油和水/甲醇形成了“油包水”的乳液结构。油滴表面的燃料首先燃烧，使内部的水和甲醇被加热、蒸发并迅速膨胀，从而提高雾化效果，增强燃烧效率。同时，由于水的化学作用，在缸内的高温高压环境中，水分子会分解产生高活性的羟基自由基（-OH），促进缸内混合物的燃烧。最终，这提高了发动机热效率，节省了燃料，并减少了二氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）等物质的排放。
本研究重点关注柴油/甲醇水混合燃烧技术。通过调整燃料比例和燃烧过程，探讨了“油包水”乳液的微爆效应以及燃料相互作用对燃烧过程的优化效果。目的是揭示提高热效率、降低能耗以及协同减少CO、HC和NOx排放的内在机制，为内燃机清洁燃烧技术的发展提供理论支持。
实验设计与方法
实验使用的设备是对直列四缸涡轮增压发动机的简单改造。为了更符合甲醇领域的最新研究趋势，尝试修改了内燃机的喷射位置（直接喷射到缸内）。但由于空间限制，改变喷射位置较为困难，因此实验采用进气歧管进行。
实验不确定性
实验过程中，系统误差（如仪器校准偏差）和随机误差（如环境波动）可能会影响测量结果。例如，进气量的微小波动、甲醇和水混合物喷射量的控制偏差以及润滑剂和燃料的温度变化等都可能引入数据偏差。为了减少误差的影响并确保实验数据的可重复性，本研究
燃料特性
本实验使用的是从中国石油化工股份有限公司采购的0#柴油作为基础燃料，其硫含量低于10 ppm，以减少硫化合物排放对燃烧特性的影响。甲醇作为添加剂，从合肥甲醇公司采购，纯度为99.99%，以确保化学反应的准确性；甲醇的喷射温度严格控制在25°C，以保持稳定性
缸内压力和热量释放率
图2显示了具体实验条件，其中内燃机转速为1600 rpm，扭矩为发动机负荷的40%。研究了甲醇和水与柴油混合物的燃烧性能和排放特性。在研究过程中，将甲醇及其水溶液以不同比例（100%甲醇、90%甲醇+10%水、60%甲醇+40%水、30%甲醇+70%水、100%水）与柴油混合
结论
通过实验发现，向进气歧管中注入甲醇-水混合物可以协同优化甲醇-柴油双燃料发动机的性能和排放。
- 1.
主要研究结果表明，水的注入利用其高蒸发潜热在燃烧过程中发挥双重作用：（1）一方面降低缸内温度，抑制爆震，优化燃烧相位，并将点火延迟控制在合理范围内
作者贡献声明
长春徐：撰写——原始稿件、软件、资源、方法论、数据整理。斯坦尼斯拉夫·博隆金：研究、数据整理。罗祖南：研究。王建明：方法论、研究。李景瑞：资源、研究、形式分析。蒋海国：资源。庄远：撰写——审稿与编辑、资源。陈大芬：撰写——审稿与编辑、资源、资金筹集。钱叶健：撰写——审稿与编辑、监督、方法论
未引用的参考文献
[18], [21], [31].
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了2025年江苏省研究生研究与实践创新计划项目（项目编号SJCX25_2584）的支持。
