长链生物质基含氧燃料对柴油机燃烧与排放特性影响的研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

Wu F等人^[1]在一台康明斯ISBe6欧Ⅲ柴油机上研究了以棉籽甲酯（CME）、大豆甲酯（SME）、菜籽甲酯（RME）、棕榈油甲酯（PME）和废食用油甲酯五种不同甲酯为来源的生物柴油对排放的影响，主要涉及总颗粒物（PM）、干烟灰（DS）、非烟灰馏分（NSF）、氮氧化物（NO_x）、未燃碳氢化合物（HC）与一氧化碳（CO），并与基准柴油进行比较。结果表明，使用不同的甲酯均可大幅降低PM，幅度为53%~69%，其中DS降低幅度达到79%~83%。影响DS的因素有氧含量与粘度。高负荷时，氧含量越高，DS越少；低负荷时，粘度越低，DS越少。此外，十六烷值可能是造成不同甲酯之间NSF值差异较大的原因，因为除PME外，NSF随十六烷值的增加而降低。

Mccormick等人^[2]研究了几种含氧化合物对重型柴油发动机规定物排放的影响，发现含氧化合物在大幅减少颗粒物排放的同时，但是可能会增加醛类和氮氧化物的排放。氮氧化物在某些地区是大气臭氧形成的有限反应物，在另一些地区则是二次颗粒物的主要来源。因此，会导致氮氧化物排放大幅增加的燃料也是令人无法接受的。在使用含氧燃料时，应该对氮氧化物及醛类的排放进行调控。

Poulopoulos等人^[3]研究了使用添加了乙醇的燃料对内燃机规定及非规定排放的影响，并在尾气排放治理中使用了典型的三元催化剂。研究发现燃料中添加乙醇可以间接增加蒸发排放而减少一氧化碳尾气排放，芳香烃的排放也有所减少，但是乙醛的排放量显著增加（高达100%）。而采用催化剂可以有效降解尾气中的乙烯。

生物柴油作为一种有吸引力的替代燃料，能够减少发动机排放物，但是会增加氮氧化物的排放。Palash等人^[4]的研究综述了生物柴油燃烧对柴油机氮氧化物排放的影响及降低途径。生物柴油燃烧会产生较高的氮氧化物排放，受其理化性质、分子结构、绝热火焰温度、点火延迟时间、喷射时间及发动机负荷等因素的综合影响。而对降低氮氧化物排放途径的研究表明相对于其他技术，排气再循环（EGR）和延迟喷射定时是有效的且成本较低的技术。在这两种技术之间，EGR通过控制氧含量和燃烧峰值温度，略微降低烃和一氧化碳的排放量，充分降低了生物燃料发动机中氮氧化物的排放量，保持发动机在5%~25%的再循环排气率水平。然而，如果没有经过很好的优化，这种技术对烟雾和颗粒物排放以及制动比油耗的改善效果微乎其微。

而国内外研究者对于含氧燃料分子结构的影响碳烟排放的认识，经历了较大曲折。碳烟是碳氢燃料燃烧不完全所产生的碳质颗粒物。一开始，Miyamoto等人^[5]研究发现，掺混含氧燃料降低柴油机碳烟排放的效果仅与含氧量有关，对于掺混燃料分子结构的不同并不敏感。Tsurutani等人^[6]研究指出，掺混含氧燃料降低碳烟效果更多是由于含氧量决定的，分子结构、十六烷值以及沸点等因素对其影响较小。Pickett等人^[7]通过光学手段对多种混合燃料的燃烧试验研究表明，低活性燃料引起较高的火焰浮起高度，从而油束能够卷吸更多空气，降低碳烟的生成。Liu等人^[8]的研究表明，在掺混比例小于30%的情况下，稀释以及粘性和沸点的改变所引起的燃烧和排放的变化很小。

而随着研究的深入进展，包括先进的光学手段等技术不断应用于内燃机燃烧研究中，对于分子结构影响的认识也不断深入。Tree^[9]研究表明，无论是从生物质或是化石原料制取的含氧燃料，含氧分子结构都是影响碳烟的关键因素。McEnally等人^[10]基于实验室尺度火焰研究了不同含氧燃料的碳烟生成趋势，燃料结构对碳烟前驱物及碳烟的生成有明显影响，芳香烃由于环状结构的存在，更易直接成环生成PAH并最终形成碳烟。Boot等人^[11]最早开展了环己酮在柴油机的燃烧试验，指出环己酮降低碳烟排放的作用机理在于其分子上的酮基抑制了碳烟的生成。Westbrook等^[12]对正庚烷和不同含氧燃料的预混均质燃烧模拟表明，不同的含氧分子对于降低碳烟前驱物有着不同的效果，其中酯类最弱，这是由于酯基中两个氧原子都连接在同一个碳原子上，因此氧原子更容易生成二氧化碳，而不是抑制与其相连的碳原子生成碳烟前驱物进而生成碳烟。Barrientos等人^[13]对五个碳原子的多种含氧燃料进行了燃烧试验，并提出了评价燃料碳烟生成能力的标准，认为在含氧量相同的情况下，醛类降低碳烟排放的能力最强，其次是醇类、酮类和醚类，支链和成环结构虽然会使燃料十六烷值降低，但都会导致燃料生成碳烟的趋势加大。此外，Pepiot-Desjardins等人^[14]发现含氧官能团的位置对降低碳烟排放有显著影响，他们指出当含氧官能团在分子结构的中心部位时，比含氧官能团在分子一侧降低碳烟的效果更好。

国内也在不断开展对柴油机添加含氧燃料后燃烧及排放特性的研究。徐国强等人^[15]配制了多种甲醇、柴油、水、乳化剂的混合燃料，并选出具有较长稳定时间、接近柴油粘度的混合燃料与纯柴油进行对比，结果表明，混合了甲醇的柴油混合燃料比纯柴油拥有更好的节油性，节油率可达12.6%，且有效降低柴油机排放污染。王贺武等人^[16]研究表明，在柴油中添加碳酸二甲酯（DMC）会降低燃料十六烷值和烟度，提高发动机热效率。但当DMC添加比例达到一定程度后，继续加大比例虽然可进一步降低碳烟排放，却会导致发动机功率明显降低。实验结果表明，最合适的DMC添加比例应为10%~15%。陈虎等人^[17]在一台四缸柴油机上使用乙醇-甲酯-柴油混合燃料，发现在发动机不作调整的情况下，含氧燃料会使发动机动力有所下降，有效燃油消耗率上升，但等效燃油消耗率基本不变。乙醇含量的增加会提高最大爆发压力和放热率峰值。吕兴才等人^[18]研究了预混合二甲氧基甲烷（DMM）对生物柴油发动机排放的影响，发现预混合DMM会明显提高CO与HC排放并在某一值达到最大值，之后随着预混合比例增加而大幅降低；碳烟排放随预混比例提高保持降低，最高可降低35%~55%；各种当量下，20%左右的预混合比例可将NO_x降低35%左右，进一步提高预混合比例也会使得NO_x的降低幅度有所减小。

参考文献：

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