综述：SI发动机中替代燃料的性能、排放与燃烧特性综述

本综述系统评述了多种替代燃料在火花点火（SI）发动机中的应用，涵盖生物乙醇、压缩天然气（CNG）、氢气和杂醇油等，重点分析了其对热效率（提升达43%）、排放（CO?减少48%）及燃烧稳定性的影响，并强调了人工智能（AI）与物联网（IoT）技术在实时优化中的突破性作用，为低碳交通提供多燃料混合与智能控制协同的创新路径。

　　

Introduction

随着全球温室气体减排需求日益紧迫，替代燃料在火花点火（Spark-Ignition, SI）发动机中的研究已成为兼具科学、技术及政策意义的重要领域。交通运输行业贡献了约14%的全球温室气体排放，主要源于对汽油和柴油等化石燃料的依赖。传统SI发动机虽结构简单、成本低廉，但会释放大量CO?、氮氧化物（NO?）、碳氢化合物（HC）和颗粒物（PM），加剧空气污染与气候变暖。为应对日益严格的排放法规（如欧盟Euro 7标准）以及《巴黎协定》和联合国可持续发展目标（SDGs）的约束，开发低碳替代燃料及智能发动机技术已成为行业转型的核心。

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Basic Principles of the SI Engine

SI发动机是一种通过火花塞点燃空气-燃料混合气的内燃机，其工作遵循奥托循环，包括进气、压缩、做功和排气四个阶段。理论上，SI发动机的热效率可达37%–40%，但实际运行中因热损失、摩擦和排放等因素而低于此值。发动机性能关键参数包括压缩比、空燃比（AFR）和点火正时，这些因素共同影响燃烧效率、动力输出和排放特性。

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Alternative Fuels for SI Engines

生物乙醇（Bioethanol）

生物乙醇-汽油混合燃料（E10–E85）可提升热效率达5%，发动机功率增加10%，并降低CO?和HC排放分别达30%和40%。但其吸湿性可能导致相分离，且长期使用对弹性材料有腐蚀性，需优化储存与发动机适配。

压缩天然气（CNG）

CNG燃料使SI发动机热效率提高5%–10%，CO?和CO排放分别减少25%和50%，且因其高辛烷值可抑制爆震。然而，CNG的低能量密度要求高压储罐，加注基础设施不足限制了其大规模应用。

氢气（Hydrogen）

氢气作为零碳燃料，燃烧仅产生水，可实现超过40%的热效率，并完全消除CO?、CO和HC排放。但高温条件下NO?生成量增加，且储运技术复杂、存在早燃问题，需进一步解决。

杂醇油（Fusel Oil）

作为发酵工业副产品，杂醇油混合燃料（如F20）可提高功率输出8%，降低CO和HC排放25%–30%，且无需重大发动机改造。但其高水分和腐蚀性需优化混合比例与材料兼容性。

其他燃料

生物柴油与植物油混合燃料可增强燃烧稳定性并减少颗粒物排放；甲醇和丁醇混合燃料显著降低CO?和碳烟；沼气（Biogas）和二甲醚（DME）等亦在研究中展现潜力。

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Hybrid Blending Strategy and Fuel Tailoring

多燃料混合策略（如乙醇-氢气- CNG）通过协同效应显著提升性能。例如，E20- H?混合燃料使热效率达39.2%，CO?减排35%；乙醇-氢气- CNG三联混合方案实现热效率43%和CO?减排48%。此类混合充分利用氢气的高火焰速度、乙醇的含氧特性和CNG的清洁燃烧属性，但需通过智能控制系统动态调节AFR和点火参数以适配不同燃料特性。

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Integration of Artificial Intelligence (AI) and IoT in SI Engine Optimisation

AI与IoT技术通过机器学习（ML）、随机森林（RF）和模糊逻辑等模型，实时优化点火正时、喷油持续时间和AFR，提升热效率达8.2%，减排超过20%。数字孪生（Digital Twin）和计算流体动力学（CFD）仿真技术可虚拟模拟燃烧过程，精度达93%，大幅减少实验成本与开发周期。

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Life Cycle Assessment (LCA) of Alternative Fuels

LCA评估表明，生物乙醇全生命周期可降低温室气体排放达50%，但若涉及粮食作物则可能引发土地竞争问题。非粮生物质（如空果串EFB、稻壳）转化的生物乙醇可减排65%，且避免与食品冲突。氢气的LCA高度依赖生产来源，可再生能源电解制氢可实现近零碳足迹，而化石燃料制氢则排放较高。

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Performance Impacts of Alternative Fuels

热效率与燃料消耗

生物乙醇因含氧量高可提升热效率5%，但其低热值需调整AFR以补偿能量密度下降。氢气因高火焰速度和宽可燃极限，热效率超40%，但NO?排放需通过废气再循环（EGR）或稀薄燃烧控制。

CO?排放

乙醇-汽油混合燃料（E10–E85）降低CO?排放达30%；氢气实现零CO?排放；CNG减排25%；生物柴油和植物油混合燃料减少15%–20%。

其他排放物

乙醇混合燃料降低CO和HC排放达50%和40%；氢气消除CO和HC但增加NO?；CNG减少PM和NO?；杂醇油优化后减排效果显著。

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Use of Alternative Fuels in Hybrid SI Engines

混合动力系统中，SI发动机与电机协同可进一步优化负载与能效。生物乙醇在并联混合系统中提升系统效率12%，结合电动马达低负载支持与氧合燃料特性，实现高效低碳运行。

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Utilisation of Industrial Waste and Local Biomass

非粮生物质（如EFB、稻壳、甘蔗渣）作为生物乙醇或合成气原料，不仅提升可持续性，且避免与粮食竞争。EFB转化生物乙醇可减排65%，且资源丰富，适合区域性应用。

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Global Alternative Fuels Roadmap

全球替代燃料推广需综合考虑技术成熟度、政策支持与经济可行性。东南亚地区车辆增长快、化石燃料依赖度高，但技术准备水平仅中等（3/5分），需加强国际合作与基础设施投资。

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Digital Simulation and Validation (CFD & Digital Twin)

CFD技术通过Ansys Fluent等工具模拟生物乙醇燃烧过程，优化AFR和涡流设置，精度达93%。数字孪生平台实现实时数据交互与性能预测，为多燃料SI发动机提供高效开发路径。

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Conclusion

替代燃料可显著提升SI发动机热效率、动力输出与排放性能。生物乙醇、CNG、氢气及杂醇油等均展现巨大潜力，多燃料混合与AI-IoT技术集成进一步强化其效益。然而，储存、基础设施及材料兼容性等问题仍需突破。未来需深化智能控制系统、非粮生物质利用及跨区域合作，以推动SI发动机向可持续低碳交通转型。

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Recommendation for the future

建议优先开展以下研究：深化AI与IoT在实时燃烧控制中的集成；探索非粮生物质与工业废料的燃料化路径；开发耐腐蚀材料与高压储氢技术；推动多燃料混合标准的建立；加强LCA与经济效益的综合评估，以加速替代燃料在SI发动机中的规模化应用。