杨勇|龙武强|董鹏博|王凌进|徐晓英|崔静晨|王鹏|苗旭东
中国大连理工大学，教育部海洋能源利用与节能重点实验室
引言
随着生态系统的持续退化以及更严格的排放标准的实施，寻找可持续、环保且高性能的内燃机（ICE）替代能源已成为当前研究的焦点[1,2]。甲醇作为一种极具前景的替代燃料，受到了越来越多的关注[3,4]，它具有宽燃限、高氧含量、成熟的生产技术、低成本、广泛的可获得性以及低燃烧污染物排放等优点[5,6]。此外，作为一种新的动力技术，甲醇发动机已经充分验证了其优势[7]，先前的研究表明，开发甲醇发动机只需对原始发动机结构进行最小的改动，且改造成本较低[8]。此外，使用甲醇的发动机产生的烟尘、未燃烃（HC）和一氧化碳（CO）排放量远低于法规允许的阈值[9,10]。
尽管甲醇具有潜力，但在内燃机中的应用仍面临几个关键挑战。例如：
(1) 提高甲醇替代率（MSR），这对于清洁燃烧和减少温室气体排放至关重要[11,12]；
(2) 在减少污染物排放的同时提高发动机功率输出，这是优化发动机性能的必然要求；
(3) 双燃料和火花点火甲醇发动机的冷启动和点火稳定性问题[13]；
(4) 提高整体热效率，这是发动机开发中的基本问题；
(5) 平衡热效率与氮氧化物（NOx）排放[14,15]。
针对前两个问题，甲醇直喷和微柴油点火策略已被证明是有效的解决方案。李等人[16]对一个86毫米缸径的发动机进行的实验和模拟研究表明，双直喷模式可以实现近85%的MSR，并显著减少烟尘和HC排放。同样，孙万晨等人[17]对一个215毫米缸径的发动机进行的模拟结果显示，双直喷模式可以实现95%的MSR，并使发动机功率输出比传统的纯柴油模式提高2%。
为了解决第三个问题，利用点火室辅助燃烧直接喷射的甲醇是一种可行的方案。利用点火室喷射火焰点燃预混或直接喷射的甲醇受到了越来越多的关注[18,19]。与传统的火花点火（SI）模式相比，点火室喷射出的高湍流火焰能够实现预混燃料的多点点火，从而加快燃烧速度并提高燃烧效率，同时有效控制爆震和排放[20]。此外，高能量火焰有助于实现超稀薄燃烧[21,22]。魏等人[23,24]进行的可视化和全发动机实验表明，与SI相比，点火室方法可以有效提前点火时刻，并实现低至0.45的当量比下的超稀薄燃烧。此外，这种策略使燃烧持续时间减少了28%以上。除了在点燃预混燃料方面的优势外，点火室辅助燃烧直接喷射的甲醇在扩散燃烧领域也显示出显著的好处。与传统甲醇/柴油双直喷发动机相比，这种方法不仅实现了更高的MSR，还缓解了在高甲醇预混条件下引燃燃料不稳定和失火的问题[25]。王等人[26]进行的数值模拟分析了这一策略的优势。他们的研究还表明，与双直喷模式相比，点火室模式可以使发动机功率输出提高约1%。
为了解决第四个问题，利用废气进行燃料重整可以有效回收废热，从而提高发动机的整体热效率[27]。目前，甲醇/蒸汽重整是最常见的方法，因为它所需的重整温度相对较低，并且可以产生更多的氢气[28]。将富含氢气的重整产物引入燃烧过程可以催化燃烧，加快反应速度并提高热力学效率。在传统依赖扩散火焰的系统中，这种重整产物的引入可以在点火前形成部分均匀的燃料-空气混合物，从而实现类似于反应控制压缩点火（RCCI）的燃烧策略，从而提高发动机输出[29]。此外，车载重整过程本身的吸热性质为能量回收提供了有价值的途径；通过引导残余废气来驱动这一反应，可以有效回收废热，从而提高整个动力系统的综合效率[30,31]。Horng和Liao[32]的研究表明，甲醇转化效率随重整器换热率的增加而提高。在1.2 S/C（蒸汽与碳的摩尔比）和15.8克/分钟的甲醇进料速率下，转化效率接近93%，产生的氢气摩尔分数稳定在75%（1.34摩尔/分钟）。该研究显示，废热回收效率为1.6摩尔H2/MJ。Tang等人的研究[33]证实，在低负荷下，重整气体混合可以改善燃烧，同时降低CO和THC排放。最佳参数设置（Rre = 9.46%，RMSR = 86.62%，TIVC = 380.15K，FCO = 0.0044）显著提高了性能，使等效ISFC降低了7.54%，燃烧效率提高了4.26%。排放量也大幅减少，THC减少了45.7%，CO减少了3.98%；然而，NOx排放量增加了7.54%。重整燃料的加速燃烧有效提高了发动机性能。此外，更快的燃烧速度和更高的反应温度有助于完全氧化未燃物种，如CO和HC，从而降低排放[34]。
关于第五个问题，提高燃烧效率和缸内温度可以提高发动机性能，并有助于氧化未燃排放物（如HC），同时也会促进高温排放物（如热NOx）的形成，正如Dong[35]的研究所指出的。这种现象可以归因于更高的燃烧温度促进了热NOx的形成[36,37]，这是甲醇燃料发动机中NOx排放的主要来源。虽然重整气体中的CO2通过其高比热容和化学还原作用有助于减少NOx排放，但这些抑制机制在理论和实践上都不足以抵消氢成分带来的强烈热促进和快速燃烧效应。因此，重整添加的净效应通常会导致NOx排放增加。为了解决这一固有限制，提出了含水甲醇。水含量作为热缓冲剂，降低了燃烧过程中的峰值火焰温度，直接抑制了热NOx的主要形成机制[38]。此外，水的高蒸发潜热提供了强大的冷却效果，进一步降低了缸内温度[39]。存在一个关键的权衡：适当的水分比例（例如5%–10%）可以在不显著影响热效率的情况下显著减少NOx排放。然而，如果水浓度过高，燃烧温度的抑制可能会过度，从而对发动机的整体功率输出和性能产生不利影响。这不仅归因于燃烧温度的抑制，还归因于稀释效应导致的燃烧速率减慢，从而延长了燃烧持续时间并降低了热效率。Jeroen Dierickx等人[40]的研究表明，使用纯甲醇可以显著降低NOx排放，而且随着甲醇混合物中水含量的增加，这种减少效果更加明显。值得注意的是，该研究还发现，使用90%的甲醇混合物（MeOH-90）操作时对发动机的制动热效率没有负面影响。Prasad[41]对柴油发动机的研究表明，当在24° BTDC时以1:4的柴油与水比例注入时，NOx排放减少了85%，但伴随着显著的效率损失。当水比例从1:1增加到1:4时，制动热效率损失了10%–20%。此外，未燃物种（如CO）的排放量也会显著增加。这种效果与甲醇重整带来的改进形成了对比。
关于甲醇发动机领域的五个关键挑战，以往的研究主要集中在解决个别问题上。然而，目前还没有提出一种综合方法来同时解决所有这些挑战，即使是合作研究也仍然有限。本研究旨在阐明甲醇-水混合与甲醇重整气体添加之间的耦合机制，这两种解决方案具有完全相反的效果。与将它们视为独立策略的现有研究不同，本研究整合了这两种方法，并揭示了它们对燃烧和排放特性的协同效应。该研究专注于在减少NOx排放的同时实现优化的缸内燃烧，并同时解决了高重整浓度下的点火问题。通过调整甲醇的水混合和重整比例，本研究为发动机快速燃烧与NOx排放之间的权衡提供了新的见解，并为改进重整辅助甲醇发动机技术的适用性提供了实用途径。在本研究中，采用了3D CFD模型和详细的化学动力学机制来系统地研究所提出的方案。
系统
本文介绍了一种发动机配置，如图1所示。该系统的架构包括两个主要子组件：用于含水甲醇的直喷系统和车载甲醇蒸汽重整单元。一个共同的甲醇储罐为主喷射器和甲醇重整器提供燃料。同时，一个专用的水储存器具有多种功能，为发动机冷却回路供水，并用于混合
结果与讨论
在发动机燃烧优化领域，有三个关键方面需要特别注意：发动机性能（本研究中用功率表示）、未燃物种排放（用CO表示）和高温污染物（用NOx表示）。本节将首先研究重整气体和水混合比例变化对这些因素的影响。随后，将对这两个变量的综合效应进行全面的分析，以确定
结论
在发动机燃烧研究领域，有三个关键方面需要特别注意：发动机性能、未燃物种排放和高温污染物。提高燃烧效率和缸内温度可以提高发动机性能，并有助于氧化未燃排放物（如HC），同时也会促进高温排放物（如热NOx）的形成。本研究提出了一种新型甲醇发动机系统，其中包括含水
作者贡献声明
杨勇：撰写 – 原始草稿、方法论、调查、正式分析、概念化。
龙武强：撰写 – 审稿与编辑、监督、正式分析、概念化。
董鹏博：撰写 – 审稿与编辑、方法论、正式分析、概念化。
王凌进：撰写 – 审稿与编辑、验证。
徐晓英：撰写 – 审稿与编辑、验证。
崔静晨：撰写 – 审稿与编辑、监督、调查。
王鹏：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
我们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFB4300700）、发动机与动力总成系统国家重点实验室（项目编号：skleps-sq-2024-093）、山东省博士后创新项目（项目编号：SDCX-ZG-202503182）、国家自然科学基金（项目编号：52471314）和中央高校基本科研业务费（项目编号：DUT25LAB112）的支持。
