在不同进气温度下以正丁醇/二乙醚混合燃料运行的HCCI发动机的性能与燃烧特性

在不放弃发动机的前提下更清洁的汽车

许多人担心更清洁的交通意味着必须彻底放弃熟悉的汽油发动机。本研究探索了一条中间路线：通过采用更聪明的燃料并精确调控进气温度，使未来的发动机运行得更清洁、更高效。工作重点是一种特殊的发动机工况，称为均匀预混压燃（HCCI），它可以大幅减少排放，但以难以控制著称。通过混合两种替代燃料并调整进气温度，研究人员展示了如何驯服这一棘手的燃烧过程，并指向混合动力车辆中更清洁的增程式发动机的可能路径。

这种新型发动机为何重要

交通运输仍然高度依赖化石燃料，即便电动汽车越来越多，有限的续航和缓慢的充电速度仍使内燃机在未来多年内保持重要地位。HCCI 发动机承诺提供类似柴油的热效率且排放远低，这使其作为混合动力车辆中小型发电机颇具吸引力。问题在于，与带火花塞的常规发动机不同，HCCI 依靠燃料–空气混合物在恰当时刻自燃。如果过早点燃，发动机会发生剧烈“爆震”；过晚，则效率下降。本研究探讨了是否通过精心选择的生物来源醇类（正丁醇）与高自燃性的添加剂（二乙醚）混合，并配合较暖或较冷的进气温度，能够扩大 HCCI 的安全工作窗口同时保持低排放。

试验如何进行

研究团队在稳速下运行一台单缸研究发动机的 HCCI 模式，改变三项条件：燃料中丁醇的体积分数（15%、30% 或 45%）、混合气的贫燃程度（以过量空气比表示）以及进气温度（35 °C、50 °C 或 65 °C）。缸内的高灵敏度压力传感器记录了压力上升速率、燃烧起始时刻以及燃烧持续时间。基于这些数据，研究人员计算了每循环产生的有效功、总体热效率以及压力峰值——作为爆震的指标。他们还测量了尾气，跟踪未燃烃、一氧化碳和二氧化碳的排放，以评估燃烧的清洁程度。

在动力与安全之间寻找最佳点

二乙醚易于点燃，这有助于 HCCI 发动机在非常贫的混合气上运行并覆盖广泛的工况范围。丁醇含量最少的混合物（B15）在进气加热时提供了最宽的可运行空燃比窗口。然而，在较稠密的工况下，这种高反应性混合物会导致缸内压力上升过快，超过常规的抗爆震安全限值。相比之下，丁醇含量最高的混合物（B45）点燃较慢并将大部分放热推迟到活塞到达上止点之后。该时机证明非常理想：燃烧在更短的曲轴角范围内完成，总体效率提升约20%，爆震下降约70%，同时仍提供了所有混合物中最高的示功输出。

温暖进气、快速燃烧与更清洁的尾气

提高进气温度使燃料–空气混合物更容易自燃，帮助所有混合物在更贫的工况下稳定运行并使燃烧提前。这样的变化也带来了权衡。提前的燃烧增加了所谓的负功，导致在最高进气温度下每循环的净功略有下降。与此同时，较高的进气温度和更高的二乙醚含量通常降低了未燃烃和一氧化碳的排放，因为反应更加完全。最清洁的尾气出现在二乙醚丰富的 B15 混合物和最高进气温度组合下，该组合产生了极低的两类污染物；如预期，随着一氧化碳下降，二氧化碳上升，表明燃烧更完全。

对未来发动机的意义

对非专业读者而言，核心信息是没有单一“最佳”燃料混合物：丁醇最多的 B45 使 HCCI 发动机更高效、更平顺且更不易爆震，而富含二乙醚的 B15 则允许发动机在更宽的极贫工况范围内运行。进气温度提供了另一项调节手段，既能帮助可靠点燃，但若推得过高又会侵蚀效率。综合来看，这些发现表明通过定制燃料配比与进气加热，工程师可以将 HCCI 从实验室现象转变为实用的、更清洁的增程式发动机——用更少的燃料获得更多有用功，同时控制有害排放。

引用: Ali, R., Yücesu, H.S., Calam, A. et al. Performance and combustion characteristics of an HCCI engine fueled with n‑Butanol/diethyl ether blends under varying intake‑air temperatures. Sci Rep 16, 13505 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44203-2

关键词: HCCI 发动机, 丁醇燃料, 二乙醚, 进气温度, 发动机排放