双燃料（植醇与苯）添加剂驱动的二冲程无人机发动机?分析、?经济分析、环境损害成本及性能-排放权衡分析

《Atmospheric Pollution Research》：Exergy, exergoeconomic, environmental damage cost, and performance-emissions trade-off analysis of two-stroke UAV engine operating with phytol and benzene fuel additives

　　

•在汽油中使用植醇和苯会降低?性能。
•在汽油燃料之后，B10 在燃料混合液中具有最佳的?性能。
•汽油中的植醇平均降低环境破坏成本 2.8%。
•汽油中的植醇平均降低总环境影响 1.2%。

引言
民用和国防应用中对无人机（UAV）需求的增长促使研究人员寻求改善无人机推进系统，特别是在效率、环境性能和经济可行性方面（Sogut, 2020; Zhang et al., 2022）。在小型无人机平台上，首选轻型二冲程内燃机（ICE），因为其具有高功率重量比、机械结构简单且设计紧凑。研究表明，已开发出各种优化和控制策略来提高这些发动机的性能和可靠性。高功率重量比和燃油燃烧效率是二冲程发动机在无人机中广泛使用的主要原因（Qiao et al., 2020; Shao et al., 2023）。燃料喷射正时、燃烧室几何形状和扫气口的优化对发动机功率产生和工作经济具有显著影响（Zhu et al., 2025）。特别是，直喷和对置活塞设计提高了燃油效率和安全性，同时也减少了爆震控制和功率波动（Wang and Zhou, 2024）。优化燃烧室和扫气口的几何参数可提高发动机效率和排放（Mattarelli et al., 2023）。参数优化（例如压缩比、点火正时、端口面积）可提供高达 7.6% 的发动机功率增加和 3.2% 的能源效率改善（Wang and Zhou, 2024）。最近的研究表明，扫气特性、燃烧过程和增压系统设计是影响二冲程航空发动机性能的重要因素（Mattarelli et al., 2023; Shao et al., 2023）。先进的基于模型的反馈控制策略提供发动机 - 螺旋桨速度控制，以在可变空气条件下维持功率输出和推力（Feng et al., 2025）。用于热监控和故障预测的实时基于模型算法有助于发动机持久可靠运行（Suti et al., 2024）。轻型二冲程内燃机为小型无人机提供了高功率重量比和紧凑性的优势。优化燃烧、扫气和控制以提高发动机性能和可靠性，进一步增加了这些发动机在无人机应用中的有效性。然而，这些发动机也与相对较低的热效率和较高的污染物排放相关，需要探索替代燃料和先进的性能评估方法以提高其可持续性和运行效率（?zer et al., 2025a）。

含氧化合物、生物基添加剂（如植醇）因其提高燃烧效率和减少内燃机污染物气体的潜力而受到越来越多的关注。发现此类添加剂在减少一氧化碳（CO）和未燃烧碳氢化合物（HC）方面特别有效（Ko?yi?it et al., 2024）。含氧添加剂通过增加燃料中的氧含量改善燃烧过程，提供更有效的能量转换。这可以提高发动机热效率和减少燃油消耗（Doppalapudi et al., 2025）。酒精和醚等含氧添加剂通过在生物柴油和汽油发动机中提供更快更完全的燃烧来提高发动机性能（H S and Mohanty, 2024）。含氧燃料添加剂可能会促进含碳物种的氧化，并在某些运行条件下有助于减少 CO 和未燃烧 HC 排放。然而，这些效果的幅度和方向取决于添加剂组成、混合比和发动机运行条件（Ahmad et al., 2023; Larsson et al., 2021）。还观察到烟灰和颗粒物排放总体减少。然而，值得注意的是，在某些情况下，小颗粒的数量可能会增加（Ahmad et al., 2023; Dhamodaran et al., 2023）。NOx 排放可能会根据添加剂类型和发动机条件而变化；某些添加剂减少 NOx，而其他添加剂可能会略微增加（Larsson et al., 2021）。植醇和其他生物基含氧添加剂具有环境优势，因为它们可以从可再生产品生成。虽然植醇可以从可再生生物原料中获得，但其整体可持续性取决于原料来源、提取和纯化过程、相关能源需求以及上游环境影响。植醇的含氧分子结构和长烃链可能会影响燃料氧化和燃烧相关特性。然而，对热效率和?效率的整体影响取决于燃料混合液组成、物理化学性质和发动机运行条件（Ramalingam et al., 2024; Ramírez et al., 2014）。以前已表明，在内燃机中使用含氧燃料可以最小化污染物气体并增强燃烧特性，特别是使用汽油 - 醇混合燃料的火花点火发动机（Khedr et al., 2026; Larsson et al., 2021）。与植醇等含氧化合物生物基添加剂相比，芳烃表现出不同的分子结构和燃烧特性，这可能会影响火焰传播、燃料氧化和污染物形成（Jin et al., 2023）。在本研究中，选择苯作为代表性芳香族化合物，以提供比较实验基础，用于评估含氧和非含氧燃料添加剂对二冲程无人机发动机性能、?、?经济和环境影响特性的影响。包含苯的目的不是提议其作为替代航空燃料添加剂的商业使用，而是研究在相同运行条件下燃料组成和化学结构的差异如何影响发动机行为。尽管如此，苯被国际癌症研究机构（IARC, 2018）归类为人类致癌物，其商业汽油中的浓度受到严格的监管限制。例如，欧洲指令 98/70/EC（European Parliament and Council, 1998）规定市场汽油中苯的最大含量为 1%（体积）。因此，本研究研究的含苯混合液应严格视为实验配方，而非商业适用燃料。环境评估仅限于测量的排气污染物，并不构成对苯相关毒性或人类暴露风险的综合评估。为了全面评估植醇和苯混合液的性能 - 排放权衡、经济和污染物气体破坏成本，本研究采用了一种整合?分析、?经济评估、环境影响量化和可持续性分析的多维评估方法（Do?an et al., 2022; Do?an et al., 2023; Meyer et al., 2009）。?分析记录了燃料能量的有用功潜力，提供了对发动机运行中固有的不可逆性和低效性的更深入理解（Demir et al., 2025; Gülcan, 2024b; Sayin et al., 2007）。最近的研究表明，含氧和生物衍生燃料可以通过促进更完全的燃烧和减少燃烧不可逆性来提高?效率（Odibi et al., 2019; Sayyed et al., 2023; Sedghi et al., 2022）。?经济分析补充了这一热力学评估，将?损失与经济成本联系起来，从而提供对发动机系统内低效成本的见解。该方法已应用于使用生物燃料的柴油和火花点火发动机，表明提高?效率可以显著降低运行成本（Akdeniz et al., 2022）。在推进系统效率直接影响运行性能的无人机应用中，?经济评估为评估替代燃料策略的经济影响提供了有用的基础（Aygun and Turan, 2021）。除了经济评估外，燃料使用的环境影响在可持续航空的背景下也越来越重要（Brodzik et al., 2025）。环境经济分析对环境外部性赋予货币价值，已用于评估排放的环境成本和燃料生产和使用的生命周期影响（Puchongkawarin, 2024）。以前关于航空生物燃料的研究强调了生命周期 CO2 排放大幅减少的潜力，特别是在用生物衍生替代品取代化石燃料时（Detsios et al., 2023）。最近的研究强调，替代航空燃料的可持续性评估应整合热力学性能、经济考虑和环境影响，而不是依赖单独的评估指标（Gonzales et al., 2026; Singh and Paul, 2023）。最近关于替代航空燃料的研究表明，在评估飞机推进系统中的燃料相关权衡时，同时评估?性能、经济指标、环境影响和可持续性指标的重要性（Balli and Dalkiran, 2022; O?ur et al., 2025）。

以前的研究调查了替代燃料对内燃机的影响，包括轻型二冲程无人机推进系统。例如，?zer 等人（2025a）评估了二冲程无人机发动机中汽油 - 辛醇和汽油 - 己醇混合液的性能、排放、热力学、热经济和?经济特性。同样，?zer 等人（2025b）研究了使用 JP5 航空燃料和氢氧（HHO）气的二冲程无人机发动机的能量、?和环境特性。此外，Ramírez 等人（2014）研究了植醇作为重醇添加剂在压燃发动机中的情况，体积混合比为 5%、10% 和 20%。尽管有这些贡献，但关于植醇和苯在汽油燃料二冲程无人机发动机中比较影响的实验证据仍然有限。特别是，在可比的运行条件下，燃料组成、热力学性能、?经济特性、气体排放和环境破坏成本之间的关系尚未得到充分研究。这一有限的证据构成了本研究解决的具体研究差距。为了解决这一差距，本研究实验研究了含 10% 和 20% 植醇（P10 和 P20）或苯（B10 和 B20）（体积）的汽油混合液在轻型二冲程无人机发动机中的情况。实验在五个发动机转速（3250、3750、4500、5250 和 6250 rpm）下进行，使用汽油作为参考燃料（RF）。该调查结合了实验发动机性能测量和气体排放测量，以及有效热效率、?分析、基于特定?成本（SPECO）方法的?经济计算以及环境影响和破坏成本评估。特别关注能量转换效率、?损失、燃料相关经济成本和根据测量的气体污染物计算的环境指标之间的关系。主要目标是确定研究的燃料组成和混合级别如何影响这些性能指标，并确定热力学、经济和排放相关响应之间潜在的权衡。

本研究的原创贡献在于使用整合的实验和分析方法对两种化学性质不同的燃料添加剂，即含氧植醇和芳香族苯，在二冲程无人机发动机中进行比较评估。尽管单独的热力学和?经济方法论已经确立，但它们共同应用于研究的植醇 - 汽油和苯 - 汽油混合液提供了燃料特定证据，扩展了以前关于替代无人机发动机燃料的研究。本研究提供了三个主要贡献：(i) 对所研究混合液的性能和气体排放特性进行比较实验评估；(ii) 评估其能量和?转换特性以及?损失和商业燃料价格的经济影响；以及 (iii) 评估测量的气体排放、计算的环境影响和环境破坏成本之间的关系。这些贡献提供了关于单个排放相关指标改善的程度可能会伴随着热力学效率降低或燃料相关成本增加的见解。研究结果建立了未来调查的比较基础，而不是确定最佳燃料组成或证明所研究混合液的整体环境可持续性。特别是，颗粒物排放、苯相关毒性和上游环境影响仍然在本评估的范围之外。

章节片段
测试发动机
在本研究中，研究了植醇和苯添加剂对二冲程无人机（UAV）发动机性能、?、?经济、环境、环境经济和可持续性的影响。图 1 显示测试发动机是风冷、二缸、二冲程汽油发动机，其技术特征见表 1。
无人机被牢固地安装在振动隔离测试台上，以确保运行稳定性并最小化外部

理论程序
通过?分析无人机发动机中使用的替代燃料提供的能量，以揭示功潜力并评估其可持续性。最近的研究将能量、?和?经济分析应用于使用含氧汽油混合液运行的火花点火发动机，证明了整合热力学和经济评估对于替代燃料配方的相关性（Khoobbakht et al., 2016; Kumbhar et al., 2025）。在本分析中，

性能结果
图 3 显示了参考燃料（RF）、植醇 - RF 和苯 - RF 混合测试燃料的有效燃油消耗率 - 排气温度（BSFC-EGT）权衡关系，关于无人机发动机速度的变化。与其采用定量多目标优化方法来识别单一最佳混合液，此权衡评估利用图形方法。

该研究的目的是从视觉上评估微量添加植醇和苯如何改变发动机燃油经济性（BSFC）与排气温度（EGT）之间的运行关系。

结论

本研究调查了以10%和20%体积混合比将植醇和苯添加到汽油中后，对一种轻型二冲程无人机发动机的性能、气态排放、?特性、?经济指标及环境损害成本的影响。实验在3250至6250 rpm之间的五个稳态转速下进行。主要发现总结如下：

- 将植醇和苯添加到RF中会导致燃料?升高，同时——

CRediT作者贡献声明

Salih ?zer：验证、监督、资源、方法学、调查、资金获取、数据管理、概念化。

Erdal Tun?er：验证、资源、方法学、调查、资金获取、概念化。

Halil Erdi Gülcan：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、方法学、调查、形式分析、概念化。

Usame Demir：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学——

未引用的参考文献

H等，2024；美国国家标准与技术研究院，2026a；美国国家标准与技术研究院，。

利益冲突声明

? 作者声明，不存在已知的可能对本论文所报告的工作产生影响的财务利益冲突或个人关系。

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