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]
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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]
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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。
