中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，當(dāng)前，傳統(tǒng)化石能源消耗不斷加劇，環(huán)保要求日益提高，降低對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴、減少船舶發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放成為亟待解決的關(guān)鍵問題。采用清潔燃料逐步替代傳統(tǒng)化石燃料，是應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與排放挑戰(zhàn)的重要途徑。正丁醇作為價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛的生物燃料，相較于低碳鏈醇類，具有更高的熱值和較低的腐蝕性，理化特性優(yōu)良，將其與柴油結(jié)合應(yīng)用于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)，成為解決當(dāng)前能源與環(huán)境問題的有效手段。在此背景下，針對(duì)船用柴油 / 正丁醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射策略研究，對(duì)推動(dòng)正丁醇在船舶動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用、完善2025年正丁醇產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義。以下是2025年正丁醇產(chǎn)業(yè)布局分析。

  一、正丁醇摻混下船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型構(gòu)建與驗(yàn)證

  《2025-2030年全球及中國(guó)正丁醇行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，基于某船用柴油 / 正丁醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，利用 AVL - Fire 軟件建立缸內(nèi)燃燒工作過(guò)程仿真模型，以探究正丁醇在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中的作用效果。該發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑為 100mm，沖程 118mm，額定功率 88kW，轉(zhuǎn)速 2400r?min?1，壓縮比 17∶1，總排量 3.5L，噴孔數(shù) 6 個(gè)，噴孔直徑 0.16mm，噴霧夾角 146°，燃燒室形式為半開式 ω 型，噴油壓力 120MPa。所使用的柴油分子式為 C??~C??，40℃時(shí)黏度 2.72mm2?s?1，15℃時(shí)密度 835kg?m?3，自燃溫度 470℃，十六烷值 52，低熱值 42.5MJ?kg?1，汽化潛熱 260MJ?kg?1;正丁醇分子式為 C?H?OH，40℃時(shí)黏度 2.22mm2?s?1，15℃時(shí)密度 810kg?m?3，自燃溫度 345℃，十六烷值 17，低熱值 32.1MJ?kg?1，汽化潛熱 585MJ?kg?1。

  仿真模型選取的子模型如下：湍流模型為 RNG κ - ε，噴霧破碎模型為 KH - RT，噴霧蒸發(fā)模型為 Multi - component，噴霧碰壁模型為 Walljet1，燃燒模型為 ECFM - 3Z +，NO?生成模型為 Extended Zeldovich NO?，Soot 生成模型為 Frolov Kinetic。

  在網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證中，選取細(xì)、中、粗 3 種網(wǎng)格，在 E3 推進(jìn)特性 75% 工況下進(jìn)行純柴油模式驗(yàn)證。細(xì)網(wǎng)格尺寸 1.0mm，最高缸內(nèi)壓力 12.96MPa;中網(wǎng)格尺寸 1.2mm，最高缸內(nèi)壓力 13.07MPa，相對(duì)偏差 0.84%;粗網(wǎng)格尺寸 1.4mm，最高缸內(nèi)壓力 13.21MPa，相對(duì)偏差 1.93%。綜合計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，選取中網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

  通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架裝置(由電渦流測(cè)功器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、油耗分析儀、AVL439 煙度計(jì)、Horiba 尾氣分析儀等組成)在 E3 推進(jìn)工況 75% 負(fù)荷下進(jìn)行純柴油模式驗(yàn)證，結(jié)果顯示缸內(nèi)爆發(fā)壓力、放熱率與實(shí)驗(yàn)值偏差較小，CO 排放量計(jì)算值 35mg?m?3，實(shí)驗(yàn)值 36mg?m?3，誤差 2.78%;Soot 排放量計(jì)算值 0.583×10?，實(shí)驗(yàn)值 0.600×10?，誤差 2.91%;NO?排放量計(jì)算值 828mg?m?3，實(shí)驗(yàn)值 831mg?m?3，誤差 0.36%。仿真值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在 3% 以內(nèi)，模型可靠性良好，可用于后續(xù)仿真研究。

  研究在船舶主機(jī) E3 推進(jìn)特性下對(duì) 75% 常用負(fù)荷工況進(jìn)行仿真計(jì)算，正丁醇摻燒比基于熱值替代法確定為 20%，并與柴油在主噴射階段同步噴射。仿真方案分為 4 種：方案 1 控制預(yù)噴正時(shí)，數(shù)值為 24.6、26.6、28.6、30.6°CA BTDC，其他參數(shù)為預(yù)噴比例 10%，主噴正時(shí) 8.4°CA BTDC，后噴比例 5%;方案 2 控制預(yù)噴比例，數(shù)值為 0、10、20、30%，其他參數(shù)為預(yù)噴正時(shí) 26.6°CA BTDC，主噴正時(shí) 8.4°CA BTDC，后噴比例 5%;方案 3 控制主噴正時(shí)，數(shù)值為 6.4、8.4、10.4、12.4°CA BTDC，其他參數(shù)為預(yù)噴正時(shí) 26.6°CA BTDC，預(yù)噴比例 10%，后噴比例 5%;方案 4 控制后噴比例，數(shù)值為 0、5、10、15%，其他參數(shù)為預(yù)噴正時(shí) 26.6°CA BTDC，預(yù)噴比例 10%，主噴正時(shí) 8.4°CA BTDC，主噴油量由總柴油噴油量扣除預(yù)噴及后噴油量后確定。

  二、正丁醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)噴正時(shí)對(duì)性能的影響

  在正丁醇摻混比例 20% 的船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，預(yù)噴正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響顯著。隨著預(yù)噴正時(shí)提前，缸內(nèi)爆發(fā)壓力逐漸降低。這是因?yàn)轭A(yù)噴正時(shí)提前使預(yù)噴階段的柴油在壓縮沖程早期燃燒，活塞上行壓縮需克服已燃燃?xì)?/a >壓力，增加壓縮負(fù)功，消耗指示功;同時(shí)，過(guò)早燃燒的柴油產(chǎn)物干擾主噴階段柴油與正丁醇混合氣形成，導(dǎo)致混合氣濃度不均，且消耗大量氧氣，使主燃燒階段燃燒不充分，無(wú)法充分釋放化學(xué)能。

  在船用柴油 / 正丁醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(正丁醇摻混比例 20%)75% 負(fù)荷工況下，主噴正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要影響。隨著主噴正時(shí)提前，燃燒相位逐漸前移，缸內(nèi)爆發(fā)壓力與溫度峰值均有所提高，且出現(xiàn)時(shí)刻相應(yīng)提前。主噴時(shí)刻提前延長(zhǎng)燃油混合時(shí)間，柴油與正丁醇混合氣形成更充分，同時(shí)正丁醇含氧特性促進(jìn)燃燒過(guò)程完整性，使放熱集中在上止點(diǎn)附近，顯著提高缸內(nèi)爆發(fā)壓力與溫度峰值。此外，主噴正時(shí)提前使燃燒釋放的能量更多轉(zhuǎn)化為有效機(jī)械功，提高能量利用效率，BSFC 隨主噴正時(shí)提前逐漸下降。

  排放特性上，NO?排放量隨主噴正時(shí)提前逐漸上升。主噴提前使燃燒始點(diǎn)提早，滯燃期縮短，燃燒速率加快，缸內(nèi)最高溫度升高，為 NO?生成創(chuàng)造更有利的高溫環(huán)境。主噴正時(shí)提前使正丁醇更早噴入缸內(nèi)，正丁醇較高的含氧特性改善缸內(nèi)局部混合氣氧濃度，抑制碳煙生成，且更充分的燃燒過(guò)程減少碳煙前驅(qū)物形成，Soot 排放量隨之降低。然而，主噴正時(shí)提前，缸內(nèi)溫度在膨脹沖程中下降較快，燃燒速率過(guò)快導(dǎo)致氧擴(kuò)散速率相對(duì)不足，部分 CO 未能充分氧化，CO 排放量逐漸增加。

  五、正丁醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)后噴比例對(duì)性能的影響

  在含 20% 正丁醇行業(yè)的船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī) 75% 負(fù)荷工況下，后噴比例的變化會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與性能表現(xiàn)。隨著后噴比例提高，主噴油量相應(yīng)減少，主燃燒階段釋放的熱量明顯不足，缸內(nèi)爆發(fā)壓力逐漸降低;但后噴燃料在膨脹行程中的燃燒對(duì)缸內(nèi)壓力產(chǎn)生補(bǔ)償作用，后燃放熱導(dǎo)致燃燒后期壓力再次上升。

  缸內(nèi)溫度方面，隨著后噴比例增大，當(dāng)比例達(dá)到 15% 時(shí)，缸內(nèi)溫度曲線呈現(xiàn)出第二個(gè)明顯的峰值。后噴燃油在此階段集中燃燒釋放大量熱量，該峰值甚至高于主燃燒階段形成的第一個(gè)溫度峰值。

  BSFC 受后噴比例影響顯著。與未采用后噴射時(shí)相比，引入較小比例的后噴導(dǎo)致主噴油量減少，主燃燒階段放熱量不足，燃燒始點(diǎn)滯后，燃燒完整性下降，BSFC 有所上升;隨著后噴比例進(jìn)一步提高，后噴柴油在高溫缸內(nèi)環(huán)境中利用殘余氧氣繼續(xù)燃燒，對(duì)主燃階段未完全燃燒產(chǎn)物進(jìn)行二次氧化，釋放額外熱量并轉(zhuǎn)化為有效功，提高能量利用率，BSFC 隨之后噴比例增加逐漸下降，且優(yōu)化效果隨后噴比例提升更顯著。

  排放方面，NO?排放量總體呈下降趨勢(shì)，因?yàn)楹髧娙紵l(fā)生在膨脹過(guò)程，缸內(nèi)整體溫度降低，抑制 NO?生成條件;當(dāng)后噴比例為 15% 時(shí)，NO?排放量相較于 10% 比例未顯著下降，原因是此時(shí)后噴燃燒形成較高的第二溫度峰值，該峰值與 10% 比例下的溫度峰值接近，高溫環(huán)境下進(jìn)一步生成一定量 NO?，抵消部分減排效果。CO 排放量隨著后噴比例提高逐漸降低，后噴燃油在燃燒后期利用缸內(nèi)殘余氧氣繼續(xù)燃燒，促進(jìn)主燃階段未完全氧化產(chǎn)物進(jìn)一步氧化，顯著提高 CO 氧化率。Soot 排放量受高溫與缺氧環(huán)境共同影響，在不同后噴比例下呈現(xiàn)波動(dòng)變化，當(dāng)比例為 5% 和 15% 時(shí)，缸內(nèi)最高溫度較為接近，Soot 排放水平差異不大;總體來(lái)看，引入后噴后缸內(nèi)溫度普遍降低，破壞碳煙生成所需的高溫富燃環(huán)境，Soot 排放量總體低于未采用后噴射時(shí)的水平。

  六、全文總結(jié)

  本研究圍繞船用柴油 / 正丁醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，在正丁醇摻混比例 20% 且與柴油主噴射同步的條件下，通過(guò) AVL - Fire 軟件構(gòu)建仿真模型，探究 75% 負(fù)荷工況下預(yù)噴 - 主噴 - 后噴三次噴射策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，得出以下關(guān)鍵結(jié)論：

  預(yù)噴正時(shí)提前會(huì)使缸內(nèi)爆發(fā)壓力逐漸降低，過(guò)度提前則導(dǎo)致缸內(nèi)溫度峰值下降和 BSFC 上升，同時(shí)對(duì) Soot、CO 和 NO?排放量產(chǎn)生不同程度影響，合理選擇預(yù)噴正時(shí)需兼顧混合氣制備與能量釋放協(xié)調(diào)。預(yù)噴比例增大時(shí)，缸內(nèi)爆發(fā)壓力與溫度峰值均升高，BSFC 在預(yù)噴比例適度(20%)時(shí)下降，過(guò)大(30%)則回升，NO?和 Soot 排放量隨預(yù)噴比例增大而上升，CO 排放量在大預(yù)噴比例下顯著降低。主噴正時(shí)提前可提高缸內(nèi)爆發(fā)壓力與溫度峰值，降低 BSFC，但會(huì)使 NO?與 CO 排放量逐漸上升，Soot 排放量減少。后噴比例增大使缸內(nèi)爆發(fā)壓力與第一個(gè)溫度峰值逐漸降低，高后噴比例(15%)會(huì)在燃燒后期引起缸內(nèi)溫度再次上升，引入后噴策略后，BSFC 隨比例增大逐漸下降，NO?和 CO 排放量隨比例增大而減少，Soot 排放量在引入后噴后顯著降低。

  這些研究結(jié)果為船用柴油 / 正丁醇行業(yè)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射控制參數(shù)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐，對(duì)推動(dòng)正丁醇在船舶動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用、完善 2025 年正丁醇產(chǎn)業(yè)布局、實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒具有重要的實(shí)踐意義。

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