合成电子燃料与汽油在火花点火发动机中的燃烧及排放特性对比分析：碳中和路径下的可行性评估

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Comparative analysis of combustion and emission characteristics of synthetic e-Fuel and gasoline in a Spark-Ignition engine

本文系统对比了合成电子燃料（e-fuel）与商用汽油在1.5升涡轮增压直喷发动机（GDI）中的燃烧稳定性、排放特性及颗粒物生成规律。研究发现，e-fuel在保持发动机性能的同时，可显著降低THC（27–32%）和CO（1–15%）排放，但在高负荷和冷启动工况下PN排放较高。研究通过燃烧可视化揭示了其氧组分和高沸点芳烃对颗粒物形成的影响，为e-fuel作为现有内燃机（ICE）低碳替代燃料的可行性提供了实验依据。

　　

Highlight

电子燃料（e-fuel）作为碳中性燃料，其燃烧特性与排放表现是决定其实际应用价值的关键。本研究通过对比e-fuel与汽油在火花点火发动机中的行为，重点揭示了其在高负荷和冷启动条件下独特的颗粒物生成机制。燃烧可视化实验显示，e-fuel火焰中红色辉光增强，暗示其高温反应区存在未完全蒸发的燃料液滴或富集芳烃的局部富燃料区，这直接关联到 nucleation-mode 颗粒物的形成。

Part-load condition

为评估合成e-fuel替代商用汽油的燃烧与效率特性，我们在不同发动机工况下对比了燃烧持续期和制动比油耗。结果显示，e-fuel在所有负荷下均表现出比汽油更长的燃烧持续时间，尤其在低负荷时差异显著。尽管e-fuel的质量能量密度较低，但其较高的氢碳比和氧含量促进了更充分的燃烧，使得制动比油耗与汽油相当甚至略优。值得注意的是，e-fuel的燃烧稳定性系数低于汽油，表明其循环波动更小，这得益于其较高的辛烷值和抗爆震能力。

Conclusion

本研究系统评估了基于甲醇制汽油工艺的含乙醇e-fuel在不同工况下的燃烧与排放特性。研究发现，e-fuel在稳态工况下能实现与汽油相当的发动机性能，并显著降低气态污染物排放。然而，冷启动和高负荷时的颗粒物数量排放较高，这与燃料中氧组分和高沸点芳烃引发的核模态颗粒形成有关。通过光学观测发现的红色火焰亮度与PN排放的正相关性，为优化e-fuel组成和燃烧策略提供了关键依据。综上所述，e-fuel具备作为现有内燃机平台低碳替代燃料的潜力，但需通过燃料配方优化和后处理系统适配进一步提升其环境相容性。