中国报告大厅网讯，当前，传统化石能源消耗不断加剧，环保要求日益提高，降低对传统化石能源的依赖、减少船舶发动机污染物排放成为亟待解决的关键问题。采用清洁燃料逐步替代传统化石燃料，是应对能源危机与排放挑战的重要途径。正丁醇作为价格低廉、来源广泛的生物燃料，相较于低碳链醇类，具有更高的热值和较低的腐蚀性，理化特性优良，将其与柴油结合应用于船舶发动机，成为解决当前能源与环境问题的有效手段。在此背景下，针对船用柴油 / 正丁醇双燃料发动机的喷射策略研究，对推动正丁醇在船舶动力领域的应用、完善2025年正丁醇产业布局具有重要意义。以下是2025年正丁醇产业布局分析。

  一、正丁醇掺混下船用双燃料发动机仿真模型构建与验证

  《2025-2030年全球及中国正丁醇行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，基于某船用柴油 / 正丁醇双燃料发动机，利用 AVL - Fire 软件建立缸内燃烧工作过程仿真模型，以探究正丁醇在双燃料发动机中的作用效果。该发动机缸径为 100mm，冲程 118mm，额定功率 88kW，转速 2400r・min⁻¹，压缩比 17∶1，总排量 3.5L，喷孔数 6 个，喷孔直径 0.16mm，喷雾夹角 146°，燃烧室形式为半开式 ω 型，喷油压力 120MPa。所使用的柴油分子式为 C₁₀~C₁₅，40℃时黏度 2.72mm²・s⁻¹，15℃时密度 835kg・m⁻³，自燃温度 470℃，十六烷值 52，低热值 42.5MJ・kg⁻¹，汽化潜热 260MJ・kg⁻¹;正丁醇分子式为 C₄H₉OH，40℃时黏度 2.22mm²・s⁻¹，15℃时密度 810kg・m⁻³，自燃温度 345℃，十六烷值 17，低热值 32.1MJ・kg⁻¹，汽化潜热 585MJ・kg⁻¹。

  仿真模型选取的子模型如下：湍流模型为 RNG κ - ε，喷雾破碎模型为 KH - RT，喷雾蒸发模型为 Multi - component，喷雾碰壁模型为 Walljet1，燃烧模型为 ECFM - 3Z +，NOₓ生成模型为 Extended Zeldovich NOₓ，Soot 生成模型为 Frolov Kinetic。

  在网格无关性验证中，选取细、中、粗 3 种网格，在 E3 推进特性 75% 工况下进行纯柴油模式验证。细网格尺寸 1.0mm，最高缸内压力 12.96MPa;中网格尺寸 1.2mm，最高缸内压力 13.07MPa，相对偏差 0.84%;粗网格尺寸 1.4mm，最高缸内压力 13.21MPa，相对偏差 1.93%。综合计算精度和计算时间，选取中网格进行后续计算。

  通过发动机试验台架装置(由电涡流测功器、发动机控制系统、油耗分析仪、AVL439 烟度计、Horiba 尾气分析仪等组成)在 E3 推进工况 75% 负荷下进行纯柴油模式验证，结果显示缸内爆发压力、放热率与实验值偏差较小，CO 排放量计算值 35mg・m⁻³，实验值 36mg・m⁻³，误差 2.78%;Soot 排放量计算值 0.583×10⁶，实验值 0.600×10⁶，误差 2.91%;NOₓ排放量计算值 828mg・m⁻³，实验值 831mg・m⁻³，误差 0.36%。仿真值与试验数据偏差在 3% 以内，模型可靠性良好，可用于后续仿真研究。

  研究在船舶主机 E3 推进特性下对 75% 常用负荷工况进行仿真计算，正丁醇掺烧比基于热值替代法确定为 20%，并与柴油在主喷射阶段同步喷射。仿真方案分为 4 种：方案 1 控制预喷正时，数值为 24.6、26.6、28.6、30.6°CA BTDC，其他参数为预喷比例 10%，主喷正时 8.4°CA BTDC，后喷比例 5%;方案 2 控制预喷比例，数值为 0、10、20、30%，其他参数为预喷正时 26.6°CA BTDC，主喷正时 8.4°CA BTDC，后喷比例 5%;方案 3 控制主喷正时，数值为 6.4、8.4、10.4、12.4°CA BTDC，其他参数为预喷正时 26.6°CA BTDC，预喷比例 10%，后喷比例 5%;方案 4 控制后喷比例，数值为 0、5、10、15%，其他参数为预喷正时 26.6°CA BTDC，预喷比例 10%，主喷正时 8.4°CA BTDC，主喷油量由总柴油喷油量扣除预喷及后喷油量后确定。

  二、正丁醇双燃料发动机预喷正时对性能的影响

  在正丁醇掺混比例 20% 的船用双燃料发动机中，预喷正时对发动机性能影响显著。随着预喷正时提前，缸内爆发压力逐渐降低。这是因为预喷正时提前使预喷阶段的柴油在压缩冲程早期燃烧，活塞上行压缩需克服已燃燃气压力，增加压缩负功，消耗指示功;同时，过早燃烧的柴油产物干扰主喷阶段柴油与正丁醇混合气形成，导致混合气浓度不均，且消耗大量氧气，使主燃烧阶段燃烧不充分，无法充分释放化学能。

  缸内温度随预喷正时提前呈现先升高后降低的趋势。预喷正时适度提前时，预喷柴油燃烧释放的热量提升缸内工质温度，促进主喷阶段柴油与正丁醇混合气蒸发和形成，改善混合质量，主燃烧阶段燃烧充分，放热率提高，缸内温度上升;但预喷正时过于提前，会使活塞压缩行程克服的气体压力增大，压缩负功增加，热损失加剧，同时过早燃烧散失热量且导致局部混合不均，降低主喷阶段混合气燃烧效率，缸内温度下降。

  制动比油耗(BSFC)是评价发动机经济性的重要指标。当预喷正时从 24.6°CA BTDC 适度提前至 26.6°CA BTDC 时，BSFC 有所降低;预喷正时进一步提前，BSFC 显著上升。适度提前预喷正时，预喷燃油燃烧提高缸内工质温度与压力，改善主喷阶段燃油雾化和混合气形成质量，燃烧充分，能量转化效率提高，BSFC 降低;预喷正时过度提前，预喷燃油过早燃烧增加压缩负功，热量通过缸壁散失多，有效功损失，且影响主喷燃油混合与燃烧稳定性，燃烧效率下降，BSFC 增大。

  在排放方面，NOₓ排放量随预喷正时变化与缸内温度变化趋势一致，先增加后减少，因为 NOₓ生成依赖高温、富氧环境和足够反应时间，缸内温度先升后降，高温持续时间也呈相似变化。CO 排放量随预喷正时提前先减少后增加，预喷正时适度提前，缸内燃烧充分，CO 氧化效率提高，排放量降低;预喷正时过早(如 30.6°CA BTDC)，缸内温度显著下降，燃烧恶化，未燃燃料和部分氧化产物增加，CO 排放量增加。Soot 排放量在预喷正时为 26.6°CA BTDC 时，因燃烧充分，局部高温与缺氧环境促进碳烟生成，排放量有所增加;预喷正时进一步提前，缸内温度降低抑制 Soot 形成，排放量减少;但预喷正时过早(如 30.6°CA BTDC)，燃烧不充分导致剩余氧气含量升高，为 Soot 生成提供条件，排放量相比 28.6°CA BTDC 时有所增加。

  三、正丁醇双燃料发动机预喷比例对性能的影响

  在正丁醇掺混的船用双燃料发动机 75% 负荷工况下，预喷比例对发动机缸内燃烧和性能参数影响明显。引入预喷射后，随着预喷比例提高，更多柴油在压缩上行过程燃烧，缸内形成高温环境。主喷阶段的柴油与正丁醇喷入缸内时，高温环境促进燃油蒸发与混合，混合气更均匀，燃烧更充分，能量释放更彻底，缸内爆发压力与温度峰值均显著提高。但预喷比例增大，主喷阶段喷油量相应减少，主燃烧持续期缩短，燃烧后期缸内压力与温度下降较快，放热过程更集中。

  BSFC 随预喷比例变化呈现先降低后升高的趋势。预喷比例从 0 提高至 20%，BSFC 逐渐降低;预喷比例进一步增至 30%，BSFC 显著上升。适度预喷比例能预热缸内工质，改善主喷阶段柴油与正丁醇混合质量，缩短主燃烧阶段滞燃期，使放热集中在上止点附近，提高燃烧效率，促进能量充分释放，BSFC 降低;过高预喷比例导致部分燃油在压缩过程过早燃烧，以压缩负功形式造成能量损失，加剧缸壁热量散失，且预喷燃烧消耗过多氧气，使主喷阶段正丁醇燃烧强度减弱，燃烧不完整，能量释放总量减少，BSFC 回升。

  排放方面，引入预喷射后，较小预喷比例下，预喷燃油燃烧改善柴油与正丁醇混合过程，促进均质混合气形成，减少局部高温富氧区域，NOₓ排放量初步降低;预喷比例继续增大，更多柴油在压缩冲程早期燃烧，显著提高缸内初始温度，主喷阶段柴油与正丁醇混合气在高温环境中燃烧更充分，缸内温度进一步上升，利于 NOₓ生成，NOₓ排放转为增加。不采用预喷射时，主喷燃油与正丁醇混合时间短，混合气均匀性差，燃烧不完全，CO 排放量较高;引入预喷后，较小比例预喷燃烧预热缸内环境，改善混合气质量，减少局部富油区域，燃烧更完全，缸内温度升高促进 CO 氧化，CO 排放量显著降低;预喷比例达到 20% 和 30% 时，混合气均匀性和燃烧完整性进一步提高，缸内温度上升利于 CO 氧化，CO 排放量进一步下降，但预喷比例过高，预燃烧消耗过多氧气，主燃阶段局部缺氧，部分 CO 未能进一步氧化，排放量有所回升。随着预喷比例增加，缸内整体温度上升，氧气浓度因预燃消耗而下降，高温缺氧环境促进碳烟生成，Soot 排放量逐渐增加。

  四、正丁醇双燃料发动机主喷正时对性能的影响

  在船用柴油 / 正丁醇双燃料发动机(正丁醇掺混比例 20%)75% 负荷工况下，主喷正时对发动机性能具有重要影响。随着主喷正时提前，燃烧相位逐渐前移，缸内爆发压力与温度峰值均有所提高，且出现时刻相应提前。主喷时刻提前延长燃油混合时间，柴油与正丁醇混合气形成更充分，同时正丁醇含氧特性促进燃烧过程完整性，使放热集中在上止点附近，显著提高缸内爆发压力与温度峰值。此外，主喷正时提前使燃烧释放的能量更多转化为有效机械功，提高能量利用效率，BSFC 随主喷正时提前逐渐下降。

  排放特性上，NOₓ排放量随主喷正时提前逐渐上升。主喷提前使燃烧始点提早，滞燃期缩短，燃烧速率加快，缸内最高温度升高，为 NOₓ生成创造更有利的高温环境。主喷正时提前使正丁醇更早喷入缸内，正丁醇较高的含氧特性改善缸内局部混合气氧浓度，抑制碳烟生成，且更充分的燃烧过程减少碳烟前驱物形成，Soot 排放量随之降低。然而，主喷正时提前，缸内温度在膨胀冲程中下降较快，燃烧速率过快导致氧扩散速率相对不足，部分 CO 未能充分氧化，CO 排放量逐渐增加。

  五、正丁醇双燃料发动机后喷比例对性能的影响

  在含 20% 正丁醇行业的船用双燃料发动机 75% 负荷工况下，后喷比例的变化会改变发动机的燃烧与性能表现。随着后喷比例提高，主喷油量相应减少，主燃烧阶段释放的热量明显不足，缸内爆发压力逐渐降低;但后喷燃料在膨胀行程中的燃烧对缸内压力产生补偿作用，后燃放热导致燃烧后期压力再次上升。

  缸内温度方面，随着后喷比例增大，当比例达到 15% 时，缸内温度曲线呈现出第二个明显的峰值。后喷燃油在此阶段集中燃烧释放大量热量，该峰值甚至高于主燃烧阶段形成的第一个温度峰值。

  BSFC 受后喷比例影响显著。与未采用后喷射时相比，引入较小比例的后喷导致主喷油量减少，主燃烧阶段放热量不足，燃烧始点滞后，燃烧完整性下降，BSFC 有所上升;随着后喷比例进一步提高，后喷柴油在高温缸内环境中利用残余氧气继续燃烧，对主燃阶段未完全燃烧产物进行二次氧化，释放额外热量并转化为有效功，提高能量利用率，BSFC 随之后喷比例增加逐渐下降，且优化效果随后喷比例提升更显著。

  排放方面，NOₓ排放量总体呈下降趋势，因为后喷燃烧发生在膨胀过程，缸内整体温度降低，抑制 NOₓ生成条件;当后喷比例为 15% 时，NOₓ排放量相较于 10% 比例未显著下降，原因是此时后喷燃烧形成较高的第二温度峰值，该峰值与 10% 比例下的温度峰值接近，高温环境下进一步生成一定量 NOₓ，抵消部分减排效果。CO 排放量随着后喷比例提高逐渐降低，后喷燃油在燃烧后期利用缸内残余氧气继续燃烧，促进主燃阶段未完全氧化产物进一步氧化，显著提高 CO 氧化率。Soot 排放量受高温与缺氧环境共同影响，在不同后喷比例下呈现波动变化，当比例为 5% 和 15% 时，缸内最高温度较为接近，Soot 排放水平差异不大;总体来看，引入后喷后缸内温度普遍降低，破坏碳烟生成所需的高温富燃环境，Soot 排放量总体低于未采用后喷射时的水平。

  六、全文总结

  本研究围绕船用柴油 / 正丁醇双燃料发动机，在正丁醇掺混比例 20% 且与柴油主喷射同步的条件下，通过 AVL - Fire 软件构建仿真模型，探究 75% 负荷工况下预喷 - 主喷 - 后喷三次喷射策略对发动机性能的影响，得出以下关键结论：

  预喷正时提前会使缸内爆发压力逐渐降低，过度提前则导致缸内温度峰值下降和 BSFC 上升，同时对 Soot、CO 和 NOₓ排放量产生不同程度影响，合理选择预喷正时需兼顾混合气制备与能量释放协调。预喷比例增大时，缸内爆发压力与温度峰值均升高，BSFC 在预喷比例适度(20%)时下降，过大(30%)则回升，NOₓ和 Soot 排放量随预喷比例增大而上升，CO 排放量在大预喷比例下显著降低。主喷正时提前可提高缸内爆发压力与温度峰值，降低 BSFC，但会使 NOₓ与 CO 排放量逐渐上升，Soot 排放量减少。后喷比例增大使缸内爆发压力与第一个温度峰值逐渐降低，高后喷比例(15%)会在燃烧后期引起缸内温度再次上升，引入后喷策略后，BSFC 随比例增大逐渐下降，NOₓ和 CO 排放量随比例增大而减少，Soot 排放量在引入后喷后显著降低。

  这些研究结果为船用柴油 / 正丁醇行业双燃料发动机的喷射控制参数优化提供了数据支撑，对推动正丁醇在船舶动力领域的应用、完善 2025 年正丁醇产业布局、实现发动机高效清洁燃烧具有重要的实践意义。