中國報告大廳網訊，當前，傳統化石能源消耗不斷加劇，環保要求日益提高，降低對傳統化石能源的依賴、減少船舶發動機污染物排放成為亟待解決的關鍵問題。採用清潔燃料逐步替代傳統化石燃料，是應對能源危機與排放挑戰的重要途徑。正丁醇作為價格低廉、來源廣泛的生物燃料，相較於低碳鏈醇類，具有更高的熱值和較低的腐蝕性，理化特性優良，將其與柴油結合應用於船舶發動機，成為解決當前能源與環境問題的有效手段。在此背景下，針對船用柴油 / 正丁醇雙燃料發動機的噴射策略研究，對推動正丁醇在船舶動力領域的應用、完善2025年正丁醇產業布局具有重要意義。以下是2025年正丁醇產業布局分析。
《2025-2030年全球及中國正丁醇行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，基於某船用柴油 / 正丁醇雙燃料發動機，利用 AVL - Fire 軟體建立缸內燃燒工作過程仿真模型，以探究正丁醇在雙燃料發動機中的作用效果。該發動機缸徑為 100mm，衝程 118mm，額定功率 88kW，轉速 2400r・min⁻¹，壓縮比 17∶1，總排量 3.5L，噴孔數 6 個，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 C₁₀~C₁₅，40℃時黏度 2.72mm²・s⁻¹，15℃時密度 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 C₄H₉OH，40℃時黏度 2.22mm²・s⁻¹，15℃時密度 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，噴霧蒸發模型為 Multi - component，噴霧碰壁模型為 Walljet1，燃燒模型為 ECFM - 3Z +，NOₓ生成模型為 Extended Zeldovich NOₓ，Soot 生成模型為 Frolov Kinetic。
在網格無關性驗證中，選取細、中、粗 3 種網格，在 E3 推進特性 75% 工況下進行純柴油模式驗證。細網格尺寸 1.0mm，最高缸內壓力 12.96MPa;中網格尺寸 1.2mm，最高缸內壓力 13.07MPa，相對偏差 0.84%;粗網格尺寸 1.4mm，最高缸內壓力 13.21MPa，相對偏差 1.93%。綜合計算精度和計算時間，選取中網格進行後續計算。
通過發動機試驗台架裝置(由電渦流測功器、發動機控制系統、油耗分析儀、AVL439 煙度計、Horiba 尾氣分析儀等組成)在 E3 推進工況 75% 負荷下進行純柴油模式驗證，結果顯示缸內爆發壓力、放熱率與實驗值偏差較小，CO 排放量計算值 35mg・m⁻³，實驗值 36mg・m⁻³，誤差 2.78%;Soot 排放量計算值 0.583×10⁶，實驗值 0.600×10⁶，誤差 2.91%;NOₓ排放量計算值 828mg・m⁻³，實驗值 831mg・m⁻³，誤差 0.36%。仿真值與試驗數據偏差在 3% 以內，模型可靠性良好，可用於後續仿真研究。
研究在船舶主機 E3 推進特性下對 75% 常用負荷工況進行仿真計算，正丁醇摻燒比基於熱值替代法確定為 20%，並與柴油在主噴射階段同步噴射。仿真方案分為 4 種：方案 1 控制預噴正時，數值為 24.6、26.6、28.6、30.6°CA BTDC，其他參數為預噴比例 10%，主噴正時 8.4°CA BTDC，後噴比例 5%;方案 2 控制預噴比例，數值為 0、10、20、30%，其他參數為預噴正時 26.6°CA BTDC，主噴正時 8.4°CA BTDC，後噴比例 5%;方案 3 控制主噴正時，數值為 6.4、8.4、10.4、12.4°CA BTDC，其他參數為預噴正時 26.6°CA BTDC，預噴比例 10%，後噴比例 5%;方案 4 控制後噴比例，數值為 0、5、10、15%，其他參數為預噴正時 26.6°CA BTDC，預噴比例 10%，主噴正時 8.4°CA BTDC，主噴油量由總柴油噴油量扣除預噴及後噴油量後確定。
在正丁醇摻混比例 20% 的船用雙燃料發動機中，預噴正時對發動機性能影響顯著。隨著預噴正時提前，缸內爆發壓力逐漸降低。這是因為預噴正時提前使預噴階段的柴油在壓縮衝程早期燃燒，活塞上行壓縮需克服已燃燃氣壓力，增加壓縮負功，消耗指示功;同時，過早燃燒的柴油產物干擾主噴階段柴油與正丁醇混合氣形成，導致混合氣濃度不均，且消耗大量氧氣，使主燃燒階段燃燒不充分，無法充分釋放化學能。
缸內溫度隨預噴正時提前呈現先升高後降低的趨勢。預噴正時適度提前時，預噴柴油燃燒釋放的熱量提升缸內工質溫度，促進主噴階段柴油與正丁醇混合氣蒸發和形成，改善混合質量，主燃燒階段燃燒充分，放熱率提高，缸內溫度上升;但預噴正時過於提前，會使活塞壓縮行程克服的氣體壓力增大，壓縮負功增加，熱損失加劇，同時過早燃燒散失熱量且導致局部混合不均，降低主噴階段混合氣燃燒效率，缸內溫度下降。
制動比油耗(BSFC)是評價發動機經濟性的重要指標。當預噴正時從 24.6°CA BTDC 適度提前至 26.6°CA BTDC 時，BSFC 有所降低;預噴正時進一步提前，BSFC 顯著上升。適度提前預噴正時，預噴燃油燃燒提高缸內工質溫度與壓力，改善主噴階段燃油霧化和混合氣形成質量，燃燒充分，能量轉化效率提高，BSFC 降低;預噴正時過度提前，預噴燃油過早燃燒增加壓縮負功，熱量通過缸壁散失多，有效功損失，且影響主噴燃油混合與燃燒穩定性，燃燒效率下降，BSFC 增大。
在排放方面，NOₓ排放量隨預噴正時變化與缸內溫度變化趨勢一致，先增加後減少，因為 NOₓ生成依賴高溫、富氧環境和足夠反應時間，缸內溫度先升後降，高溫持續時間也呈相似變化。CO 排放量隨預噴正時提前先減少後增加，預噴正時適度提前，缸內燃燒充分，CO 氧化效率提高，排放量降低;預噴正時過早(如 30.6°CA BTDC)，缸內溫度顯著下降，燃燒惡化，未燃燃料和部分氧化產物增加，CO 排放量增加。Soot 排放量在預噴正時為 26.6°CA BTDC 時，因燃燒充分，局部高溫與缺氧環境促進碳煙生成，排放量有所增加;預噴正時進一步提前，缸內溫度降低抑制 Soot 形成，排放量減少;但預噴正時過早(如 30.6°CA BTDC)，燃燒不充分導致剩餘氧氣含量升高，為 Soot 生成提供條件，排放量相比 28.6°CA BTDC 時有所增加。
在正丁醇摻混的船用雙燃料發動機 75% 負荷工況下，預噴比例對發動機缸內燃燒和性能參數影響明顯。引入預噴射後，隨著預噴比例提高，更多柴油在壓縮上行過程燃燒，缸內形成高溫環境。主噴階段的柴油與正丁醇噴入缸內時，高溫環境促進燃油蒸發與混合，混合氣更均勻，燃燒更充分，能量釋放更徹底，缸內爆發壓力與溫度峰值均顯著提高。但預噴比例增大，主噴階段噴油量相應減少，主燃燒持續期縮短，燃燒後期缸內壓力與溫度下降較快，放熱過程更集中。
BSFC 隨預噴比例變化呈現先降低後升高的趨勢。預噴比例從 0 提高至 20%，BSFC 逐漸降低;預噴比例進一步增至 30%，BSFC 顯著上升。適度預噴比例能預熱缸內工質，改善主噴階段柴油與正丁醇混合質量，縮短主燃燒階段滯燃期，使放熱集中在上止點附近，提高燃燒效率，促進能量充分釋放，BSFC 降低;過高預噴比例導致部分燃油在壓縮過程過早燃燒，以壓縮負功形式造成能量損失，加劇缸壁熱量散失，且預噴燃燒消耗過多氧氣，使主噴階段正丁醇燃燒強度減弱，燃燒不完整，能量釋放總量減少，BSFC 回升。
排放方面，引入預噴射後，較小預噴比例下，預噴燃油燃燒改善柴油與正丁醇混合過程，促進均質混合氣形成，減少局部高溫富氧區域，NOₓ排放量初步降低;預噴比例繼續增大，更多柴油在壓縮衝程早期燃燒，顯著提高缸內初始溫度，主噴階段柴油與正丁醇混合氣在高溫環境中燃燒更充分，缸內溫度進一步上升，利於 NOₓ生成，NOₓ排放轉為增加。不採用預噴射時，主噴燃油與正丁醇混合時間短，混合氣均勻性差，燃燒不完全，CO 排放量較高;引入預噴後，較小比例預噴燃燒預熱缸內環境，改善混合氣質量，減少局部富油區域，燃燒更完全，缸內溫度升高促進 CO 氧化，CO 排放量顯著降低;預噴比例達到 20% 和 30% 時，混合氣均勻性和燃燒完整性進一步提高，缸內溫度上升利於 CO 氧化，CO 排放量進一步下降，但預噴比例過高，預燃燒消耗過多氧氣，主燃階段局部缺氧，部分 CO 未能進一步氧化，排放量有所回升。隨著預噴比例增加，缸內整體溫度上升，氧氣濃度因預燃消耗而下降，高溫缺氧環境促進碳煙生成，Soot 排放量逐漸增加。
在船用柴油 / 正丁醇雙燃料發動機(正丁醇摻混比例 20%)75% 負荷工況下，主噴正時對發動機性能具有重要影響。隨著主噴正時提前，燃燒相位逐漸前移，缸內爆發壓力與溫度峰值均有所提高，且出現時刻相應提前。主噴時刻提前延長燃油混合時間，柴油與正丁醇混合氣形成更充分，同時正丁醇含氧特性促進燃燒過程完整性，使放熱集中在上止點附近，顯著提高缸內爆發壓力與溫度峰值。此外，主噴正時提前使燃燒釋放的能量更多轉化為有效機械功，提高能量利用效率，BSFC 隨主噴正時提前逐漸下降。
排放特性上，NOₓ排放量隨主噴正時提前逐漸上升。主噴提前使燃燒始點提早，滯燃期縮短，燃燒速率加快，缸內最高溫度升高，為 NOₓ生成創造更有利的高溫環境。主噴正時提前使正丁醇更早噴入缸內，正丁醇較高的含氧特性改善缸內局部混合氣氧濃度，抑制碳煙生成，且更充分的燃燒過程減少碳煙前驅物形成，Soot 排放量隨之降低。然而，主噴正時提前，缸內溫度在膨脹衝程中下降較快，燃燒速率過快導致氧擴散速率相對不足，部分 CO 未能充分氧化，CO 排放量逐漸增加。
在含 20% 正丁醇行業的船用雙燃料發動機 75% 負荷工況下，後噴比例的變化會改變發動機的燃燒與性能表現。隨著後噴比例提高，主噴油量相應減少，主燃燒階段釋放的熱量明顯不足，缸內爆發壓力逐漸降低;但後噴燃料在膨脹行程中的燃燒對缸內壓力產生補償作用，後燃放熱導致燃燒後期壓力再次上升。
缸內溫度方面，隨著後噴比例增大，當比例達到 15% 時，缸內溫度曲線呈現出第二個明顯的峰值。後噴燃油在此階段集中燃燒釋放大量熱量，該峰值甚至高於主燃燒階段形成的第一個溫度峰值。
BSFC 受後噴比例影響顯著。與未採用後噴射時相比，引入較小比例的後噴導致主噴油量減少，主燃燒階段放熱量不足，燃燒始點滯後，燃燒完整性下降，BSFC 有所上升;隨著後噴比例進一步提高，後噴柴油在高溫缸內環境中利用殘餘氧氣繼續燃燒，對主燃階段未完全燃燒產物進行二次氧化，釋放額外熱量並轉化為有效功，提高能量利用率，BSFC 隨之後噴比例增加逐漸下降，且優化效果隨後噴比例提升更顯著。
排放方面，NOₓ排放量總體呈下降趨勢，因為後噴燃燒發生在膨脹過程，缸內整體溫度降低，抑制 NOₓ生成條件;當後噴比例為 15% 時，NOₓ排放量相較於 10% 比例未顯著下降，原因是此時後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，高溫環境下進一步生成一定量 NOₓ，抵消部分減排效果。CO 排放量隨著後噴比例提高逐漸降低，後噴燃油在燃燒後期利用缸內殘餘氧氣繼續燃燒，促進主燃階段未完全氧化產物進一步氧化，顯著提高 CO 氧化率。Soot 排放量受高溫與缺氧環境共同影響，在不同後噴比例下呈現波動變化，當比例為 5% 和 15% 時，缸內最高溫度較為接近，Soot 排放水平差異不大;總體來看，引入後噴後缸內溫度普遍降低，破壞碳煙生成所需的高溫富燃環境，Soot 排放量總體低於未採用後噴射時的水平。
本研究圍繞船用柴油 / 正丁醇雙燃料發動機，在正丁醇摻混比例 20% 且與柴油主噴射同步的條件下，通過 AVL - Fire 軟體構建仿真模型，探究 75% 負荷工況下預噴 - 主噴 - 後噴三次噴射策略對發動機性能的影響，得出以下關鍵結論：
預噴正時提前會使缸內爆發壓力逐漸降低，過度提前則導致缸內溫度峰值下降和 BSFC 上升，同時對 Soot、CO 和 NOₓ排放量產生不同程度影響，合理選擇預噴正時需兼顧混合氣製備與能量釋放協調。預噴比例增大時，缸內爆發壓力與溫度峰值均升高，BSFC 在預噴比例適度(20%)時下降，過大(30%)則回升，NOₓ和 Soot 排放量隨預噴比例增大而上升，CO 排放量在大預噴比例下顯著降低。主噴正時提前可提高缸內爆發壓力與溫度峰值，降低 BSFC，但會使 NOₓ與 CO 排放量逐漸上升，Soot 排放量減少。後噴比例增大使缸內爆發壓力與第一個溫度峰值逐漸降低，高后噴比例(15%)會在燃燒後期引起缸內溫度再次上升，引入後噴策略後，BSFC 隨比例增大逐漸下降，NOₓ和 CO 排放量隨比例增大而減少，Soot 排放量在引入後噴後顯著降低。
這些研究結果為船用柴油 / 正丁醇行業雙燃料發動機的噴射控制參數優化提供了數據支撐，對推動正丁醇在船舶動力領域的應用、完善 2025 年正丁醇產業布局、實現發動機高效清潔燃燒具有重要的實踐意義。
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