甲醇/煤制油（CTL）在RCCI燃烧模式下的燃烧特性、烟尘前体物质及烟尘颗粒特性

《Fuel》：Combustion characteristics, soot precursors and soot particle characteristics of methanol/coal-to-liquid (CTL) in RCCI combustion mode

甲醇/CTL双燃料RCCI燃烧研究表明，甲醇预喷射显著缩短点火延迟（5.1°CA vs. 15.2–17.0°CA），提升峰值缸压，同时有效抑制A1–A7碳烟前驱体生成，归因于OH自由基活性增强及反应区温度/氧浓度梯度优化。尽管制动热效率下降3.1%，但烟粒呈现更大初级粒子尺寸、更高有机碳含量、表面氧含量增加及更无序纳米结构，其氧化活性提升促进后处理系统效率。

　　这项研究探讨了甲醇与煤基液体燃料（CTL）双燃料在柴油发动机中的反应控制压缩点火（RCCI）燃烧特性。通过实验测量与计算流体动力学（CFD）模拟相结合，研究评估了燃烧性能、积碳前体物的形成以及排放颗粒物的物理化学特性。研究结果显示，甲醇喷射显著缩短了点火延迟（从传统模式的5.1°CA对比15.2–17.0°CA），并因增强了预混燃烧而提高了气缸内峰值压力。尽管与柴油相比，制动热效率下降了3.1%，但积碳前体物（A1–A7）得到了有效抑制，这归因于增强的羟基自由基活性以及形成区域向较低温度和较高当量比转移。值得注意的是，甲醇/CTL燃烧产生的积碳颗粒表现出更大的初级粒径、更高的有机碳含量、更高的表面氧含量以及更加无序的纳米结构。这些结构上的改变有助于显著提升积碳的氧化反应活性。研究发现表明，甲醇/CTL RCCI燃烧能够有效减少积碳前体物的生成，并改变积碳的性质，使其朝向更高反应活性的方向发展，从而有助于后处理系统中更高效的氧化反应。

面对全球变暖问题，中国提出了在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。作为交通运输、工程机械等领域的主要动力来源，内燃机面临着减少排放的巨大压力。过去十年中，中国内燃机的年销量一直超过4000万台，消耗了全国超过60%的石油资源，并贡献了近10%的二氧化碳排放。这种高石油消耗导致了对外部石油的依赖超过70%，给能源安全带来了挑战。

柴油替代燃料的发展被认为是支持双碳战略、减少对石油依赖的有效途径。中国拥有丰富的煤炭资源，已探明储量占全球总量的33.8%，2023年的年产量达到了47.1亿吨。这些资源可以转化为液体燃料，如甲醇和煤基液体燃料。在以煤炭为主要能源的国家，这是高效利用煤炭资源的关键方法之一。燃料的物理化学特性不仅影响气缸内的燃烧过程和污染物生成，还深刻影响后处理系统的运行效率和耐久性。因此，对替代燃料的全面评估不仅需要关注宏观排放，还应涵盖颗粒物的微观特性和后续氧化行为。

积碳主要由高温下缺氧环境中的不完全燃烧形成。积碳是柴油燃烧过程中释放的重要污染物之一，可能引发呼吸道疾病，甚至致癌效应。在燃烧过程中，碳氢化合物重新排列并聚集形成积碳。燃料类型和柴油机的运行方式对积碳的生成具有显著影响。煤基液体燃料（CTL）被用作柴油机的替代燃料。作为一种高碳、无氧、煤炭基的燃料，其具有较高的十六烷值，物理和化学特性类似于柴油燃料，但芳香族碳氢化合物含量较低。CTL燃料的柴油机能够产生与柴油燃料相似的功率和扭矩，或略低（<5%）。在相同负荷下，CTL燃烧的燃料经济性略有提高（制动热效率（BTE）提升<5%）。这一结果归因于较长的点火延迟（ID）和略低的放热速率（HRR），从而延长了燃烧持续时间（CA90）。通过竞争性柴油机运行条件和氧化过程，碳氧化物排放得以管理。尽管在高负荷下CTL的积碳排放高于柴油，但许多研究已认可CTL在减少积碳排放方面的效果（如显著减少[21]、减少37%[19]、减少53%[22]、减少19%[23]）。根据Liu等人的研究[24]，较低的积碳排放可以归因于CTL在扩散燃烧阶段的较高放热，这促进了颗粒物的氧化。

在柴油机中使用醇类燃料对于减少污染物排放具有优势。Emiro?lu和?en[26]将甲醇、乙醇和丁醇与柴油按体积比10%混合。实验结果表明，所有醇类混合燃料都导致了较低的制动比燃料消耗，提高了热效率，并减少了积碳排放。Sun等人[27]研究了CTL与丁醇混合对积碳释放的影响。研究结果表明，丁醇的加入显著降低了CTL的颗粒物排放。特别是，30%的丁醇/CTL混合物使积碳排放减少了68%，超过了更高燃烧温度的影响。喷射式醇类燃料在调整醇类比例以实现更高醇类替代时提供了灵活性，同时提高了热效率并抑制了积碳[29]。Zhang等人[30]研究了喷射式丁醇和CTL双燃料在中等负荷柴油机中的燃烧和排放特性。喷射式丁醇改善了混合均匀性，减少了燃烧时间，并抑制了积碳颗粒（积碳颗粒排放最大减少40%）。使用积碳KL云图的光学诊断[31]显示，丁醇产生的高浓度羟基自由基有利于减少积碳前体物的生成。然而，上述研究中缺乏对甲醇在双燃料RCCI模式下的系统性比较，特别是与根本不同的燃料如CTL的配对情况。

甲醇已成为研究热点，因为它可以从太阳能等可再生能源中生产出来，如二氧化碳和水。与高级醇类（丁醇、丙醇等）不同，甲醇没有碳-碳键，倾向于生成一氧化碳而非积碳前体物。然而，甲醇的高汽化潜热可能会促进积碳的氧化过程，导致更高的积碳排放。CTL/甲醇双燃料燃烧主要涉及直接混合燃烧和RCCI模式，后者结合了甲醇的喷射式燃油喷射和CTL的直接缸内喷射。直接混合燃烧对柴油机燃油喷射系统需要最少的修改，因此适用于农业机械、固定发电和车辆增程器等应用。在RCCI模式下，甲醇通过进气口与空气混合，并提前引入气缸，随后直接喷射的CTL液滴在甲醇-空气混合物中蒸发、点火和燃烧。RCCI策略允许灵活调整预混甲醇的比例，从而在广泛的转速和负荷范围内实现稳定运行，并已在汽车柴油机中有效应用。作为一种低反应性燃料，甲醇可以与高反应性CTL形成典型的RCCI燃烧模式，其燃烧机制与传统柴油燃烧显著不同。与丁醇/柴油RCCI模式（十六烷值，CN: 25/53）相比，甲醇/CTL的反应性差异更大（CN: 3-5/74-76），并具有更广泛的调节燃烧范围[34]。理论上，影响积碳排放的关键因素如气缸内温度、氧含量和燃烧持续时间可以方便地协调，以减少成核模式的颗粒物排放[44]。Chen等人[45]研究了甲醇/CTL在共轨柴油机中的RCCI燃烧和排放特性。结果显示，随着甲醇替代率（MSR）的增加，燃烧放热更加集中，气缸内压力波动增加，积碳排放略有增加。此外，Zhu等人[14]研究了甲醇与CTL反应性差异如何促进燃烧和热效率的提升。结果显示，随着甲醇负荷恢复率（LRR）的增加，气缸内的反应性梯度显著增加（+451%），火区的反应性扩展（+26%），而预混燃烧与扩散燃烧的比例则减少到最大30倍。积碳排放减少了最大25%。然而，关于CTL在RCCI模式下的行为研究仍相对有限。

近年来，研究越来越多地关注燃料类型，特别是含氧化合物燃料，对排放积碳的微观物理化学特性——如其纳米结构和表面功能基团——以及氧化反应活性的深远影响[46]。这表明，评估替代燃料的潜力必须从宏观排放扩展到颗粒物的微结构特性和后续氧化行为。较低的温度抑制了积碳前体物的形成[47]。尽管积碳排放较低，但未成熟的积碳颗粒表面覆盖了大量的有机成分[48]，并倾向于形成非晶态聚集体[49]。相比之下，较高的火焰温度促进了积碳氧化，加速了积碳石墨化，并导致表面活性衰减[50]，使积碳具有更高的活化能，需要更高的温度才能氧化[51]。较高的气缸压力导致了更大的积碳颗粒、聚集体和石墨化[52]。PAHs（多环芳烃）对火焰压力的敏感性促进了PAHs颗粒尺寸的增加[53]，因此积碳体积通常与火焰中线处的压力呈正相关[54]。氧气渗透进入积碳颗粒的核心，有助于促进内部氧化和形成内部孔隙的表面反应[55]。Echavarria等人[56]指出，氧气浓度的降低会导致平均颗粒直径的减少和颗粒数浓度的增加。Bi等人在不同燃料/空气当量比和温度范围内发现，随着氧气浓度的降低，乙炔和积碳前体物的浓度也随之降低[57]，从而使得气缸内环境远离高积碳生成范围[58]。然而，尽管有这些进展，关于具有显著反应性差异的RCCI模式——如甲醇/CTL双燃料系统——的积碳特性与燃烧之间的关系仍未被充分研究，特别是在积碳生成模式、聚集体形态、纳米结构和表面功能基团方面。以往的研究主要集中在宏观排放指标上，导致了对这些条件下产生的积碳颗粒的详细机制和微结构分析存在空白。

本研究的核心创新在于系统性地实验研究了显著反应性分层对燃烧过程、宏观积碳排放以及最重要的是在甲醇/CTL双燃料RCCI模式下积碳颗粒的微观物理化学特性（形态、纳米结构、表面化学和氧化活性）的影响。研究结合了计算流体动力学（CFD）模拟，以揭示气缸内环境参数（如温度、当量比和羟基自由基浓度）与关键积碳前体物（A1–A7）形成之间的内在联系。虽然现有文献主要集中在使用甲醇/柴油或醇类/传统柴油配对的RCCI燃烧上，但甲醇与CTL的单一组合——这是一种具有显著高低反应性分层以及含氧化合物与无氧燃料特性的混合物——在微结构属性方面仍被严重忽视。本研究填补了这一关键空白。

两种燃料在燃烧过程中的独特作用和贡献如下：（i）CTL的贡献：作为一种清洁的煤炭衍生燃料，具有高十六烷值和不含芳香族和硫，其高反应性是建立RCCI燃烧所需反应性分层的基础。其燃烧过程本身倾向于产生更少的积碳，这可能更容易被氧化。（ii）甲醇的贡献：作为一种具有极低十六烷值、无碳-碳键和高氧含量的燃料，其作用是多方面的：（a）其高汽化潜热降低了气缸内充量温度，抑制了高温富燃料区域的形成，从而限制了积碳前体物（A1, A7）的生成。（b）其预混充量促进了更均匀的混合环境，使燃烧模式向增加预混燃烧的方向转变。（c）其在热解和燃烧过程中产生的含氧化合物自由基（如羟基自由基）促进了气缸内积碳的氧化。（d）其固有的分子特性最终决定了所排放积碳的微观特性（如更高的氧/碳比、修改后的纳米结构排列）。然而，值得注意的是，甲醇的引入也带来了燃烧稳定性问题，并可能通过其物理化学特性影响积碳生长与氧化之间的后续竞争，从而引入宏观排放结果的复杂性。本研究提供了对这种观察到的复杂性的详细机制解释。

甲醇/CTL在RCCI燃烧过程中的反应性分层为积碳颗粒的形成提供了外部环境，如温度、压力和氧浓度。一些影响因素被认为与积碳形成和氧化竞争机制耦合作用[59]。因此，有必要研究甲醇/CTL在RCCI模式下的燃烧特性与积碳颗粒特性。在本研究中，通过柴油作为基准，测量了燃烧柴油、CTL和甲醇/CTL的燃烧特性。通过CFD软件分析了积碳前体物的形成过程和环境条件的影响机制。最后，分析了积碳颗粒的形态特征和化学成分。