柴油機用微乳生物柴油研究進展

王兆文，徐明燾，張新華，郎兵，陳俊杰，成曉北

(華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074)

柴油機因其經(jīng)濟性好、動力性強、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于交通、發(fā)電、農(nóng)業(yè)、軍事、航海、通信等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和日常生活中發(fā)揮著重要的作用[1]。然而，隨著柴油機的廣泛應(yīng)用，石油資源日漸短缺，不斷增多的炭煙、NOx、CO、HC等有害排放等問題日益尖銳。為了減少對化石燃料的依賴和達到更高的排放水平，可持續(xù)發(fā)展的綠色替代燃料成為研究熱點[2]。

以植物油為基礎(chǔ)的生物柴油是一種可再生能源，具有滿足人類能源需求的巨大潛力。與化石燃料相比，生物柴油可持續(xù)獲得、無毒、可生物降解，能產(chǎn)生更少的溫室氣體和其他有害氣體。此外，由于生產(chǎn)生物柴油的原材料廣泛存在于農(nóng)村地區(qū)，因此可以為農(nóng)村地區(qū)開辟新的創(chuàng)收途徑[3]。目前，針對生物柴油的研究已獲得世界各國的廣泛關(guān)注。然而，植物油的黏度高，長期使用會導致燃油霧化不良、噴油器結(jié)焦和環(huán)黏結(jié)、過量潤滑油稀釋燃油等問題。為了克服這些問題，研究人員提出降低植物油黏度的4種方式：植物油和柴油混合、熱解、植物油酯交換為生物柴油、植物油微乳化[4]。

相較于其他方式，微乳化技術(shù)因其生產(chǎn)周期短、操作簡單、無化學反應(yīng)、無副產(chǎn)物和低成本等優(yōu)點正在逐漸興起。將生物柴油通過微乳化技術(shù)制備出的乳化物稱為微乳生物柴油(Microemulsion based hybrid biofuels,MHBFs)，其具有與柴油相當?shù)睦砘再|(zhì)。在表面活性劑和(或)助表面活性劑(通常是醇類)存在的情況下，將油與極性溶劑(水或乙醇)簡單混合，通過在液-液界面膜上吸附表面活性劑的形式，促進極性相和非極性相的相互作用，形成穩(wěn)定的MHBFs系統(tǒng)。微乳生物柴油是透明的，各向同性，且熱力學穩(wěn)定的系統(tǒng)，是具有微觀結(jié)構(gòu)或大小為1～150 nm的膠體分散物[3]。由于微乳生物柴油系統(tǒng)中往往需要加入含氧化合物(如醇類和表面活性劑)，微乳化生物柴油的燃燒溫度降低，導致NOx和炭煙排放大幅降低[5]。

微乳化技術(shù)的興起，使微乳生物柴油的研究進入到一個新的發(fā)展階段。近十年來，柴油機用微乳生物柴油的性能研究引起了國內(nèi)外眾多學者的重視。本研究重點闡述和歸納了微乳生物柴油的研究進展，具體包括微乳生物柴油的理化特性研究，燃用微乳生物柴油的發(fā)動機性能特征、排放特征研究，微乳生物柴油的燃燒特征研究，以及微乳生物柴油的制備工藝優(yōu)化研究，并對微乳生物柴油未來的研究方向提出了展望。

1 微乳生物柴油的穩(wěn)定性研究

微乳生物柴油的穩(wěn)定性是決定其能否在柴油機上成功應(yīng)用及推廣的重要因素之一。Chotwichien等[6]指出，車用燃油是一種不發(fā)生相分離的清晰的單液相，所以制備的車用混合燃油中往往需要添加表面活性劑或乳化劑來提高混合燃油的穩(wěn)定性。失水山梨糖醇脂肪酸酯(Span 80)、失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚(Tween 80)、油酸、油醇和甘油單油酸等是目前使用較多的表面活性劑，使用時表面活性劑的濃度一般為0.5%～5%。

為了獲得穩(wěn)定的微乳生物柴油，各國學者對制備微乳生物柴油的影響因素展開了研究。

Leng等[7]分別制備了微乳化柴油和乳化柴油，分散相為水，兩者的主要區(qū)別在于含水量和表面活性劑占比不同。結(jié)果顯示，微乳化柴油在3個月后沒有發(fā)生相分離，而乳化液在2天內(nèi)就分離了，這表明，微乳液的穩(wěn)定性遠大于乳化液。Mehta等[8]分別以Span 80和生物柴油為表面活性劑制備了乙醇-柴油微乳液。結(jié)果表明，隨著表面活性劑濃度的增加，微乳化柴油的穩(wěn)定性增強。分別加入25%生物柴油和1.5% Span 80的微乳燃油穩(wěn)定性最好。Najjar等[9]使用Brij 30(聚氧乙烯(20)十六烷基醚)和正丁醇作為表面活性劑和助表面活性劑，制備了一系列柴油-菜籽油微乳液。結(jié)果表明，隨著Brij 30的使用量由20%降至9%，微乳液的最高穩(wěn)定溫度由55 ℃降至22 ℃，穩(wěn)定性降低。上述研究說明，表面活性劑的濃度對微乳液的穩(wěn)定性具有顯著影響。

微乳液的制備溫度也是影響微乳生物柴油穩(wěn)定性的因素之一。Attaphong等[10]的研究顯示，在0～40 ℃的制備溫度范圍內(nèi)，隨著制備溫度的增加，形成單相微乳液所需的最小表面活性劑量在減小。因此，在較高溫度下制備的微乳液需要更少的表面活性劑，表明了在一定溫度范圍內(nèi)，制備溫度較高更容易形成穩(wěn)定的微乳液。Koc等[11]制備了不同含水量的微乳生物柴油，研究發(fā)現(xiàn)，隨著含水量的增加，微乳液中水的多分散性(衡量分子量分布的寬度)增加。而水的多分散性越高，液滴越不均勻，微乳液的穩(wěn)定性越差。

由上述研究可知，微乳生物柴油的穩(wěn)定性不僅與表面活性劑的種類和濃度有關(guān)，還與乳化溫度、含水量等有關(guān)。采用新型的、穩(wěn)定的生物表面活性劑，選取合適的制備溫度范圍，減少微乳液中的含水量，都是提高微乳生物柴油穩(wěn)定性的有效措施。

2 微乳生物柴油的理化特性和基礎(chǔ)燃燒特性

2.1 理化特性

由于表面活化劑、醇類助劑及水分的存在，微乳生物柴油的理化性質(zhì)與純柴油、生物柴油有所不同。文獻[12]給出了某種微乳生物柴油與常規(guī)燃油理化性質(zhì)的對比，具體見表1。由表1可知，與柴油相比，微乳生物柴油的密度和黏度增大，低熱值減小。這些理化性質(zhì)的差異使得微乳生物柴油和柴油的燃燒與排放特性并不相同。

表1 各種燃料的理化性質(zhì)

2.2 基礎(chǔ)燃燒特性

由于微乳生物柴油物理性質(zhì)和化學性質(zhì)都與柴油有所不同，其燃燒特性與純柴油差異較大。

L. D. Do等[13]制備了一系列植物油(海藻油、棕櫚油和菜籽油)與柴油或乙醇混合的微乳燃油，并對比研究了各自的火焰和輻射特性。各微乳燃油的燃燒火焰圖像見圖1。

由圖1可知，柴油燃料火焰是完全黃色的，而所有植物油微乳液和純菜籽油B100在燃燒器出口附近火焰先是呈現(xiàn)較小藍色區(qū)域，隨后在火焰下游呈現(xiàn)黃色區(qū)域。生物油火焰圖像中的藍色區(qū)域表明該燃料的燃燒較充分，氣相燃燒具有較高的氧化程度，燃燒溫度較高。由燃料組分對比可知，微乳生物柴油中氧含量較多，是燃料燃燒更加充分的一個促進因素[14]。

圖1 菜籽油、棕櫚油和海藻油微乳液，柴油，純菜籽油B100的火焰圖像

Attaphong等[15]利用不同醇類(甲醇、生物乙醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇和丁醇等)和菜籽油/柴油制備了8種微乳液。通過層流部分預(yù)混火焰試驗臺，分別測量了這8種微乳液和柴油的噴射液滴尺寸，拍攝這些微乳液的預(yù)混射流火焰圖像，研究了微乳液燃料部分預(yù)混層流火焰的燃燒特性和排放特性。結(jié)果表明，相同當量比(φ=7)下，柴油火焰在大部分區(qū)域呈現(xiàn)明亮的黃色，而菜籽油微乳液燃料和純菜籽油的火焰則呈現(xiàn)較大面積的藍色區(qū)域(見圖2)。

圖2 相同當量比下，菜籽油微乳液、純菜籽油和柴油的火焰圖像比較

藍色區(qū)域主要是氣相氧化反應(yīng)區(qū)，其中發(fā)生CO和N2的氧化。黃色發(fā)光區(qū)域是由剩余未燃燒的碳的熱輻射導致的，剩余的碳隨后在下游與氧氣接觸后反應(yīng)消耗[16]。柴油火焰具有最明亮的黃色區(qū)域，表明炭煙含量最多，而菜籽油微乳液和純菜籽油的火焰顯示出較大面積的藍色區(qū)域，則表明由于燃料分子中含氧而導致氣相有較高的氧化程度，燃燒更充分。

為了研究燃燒室里的高溫熱表面(350～450 ℃)和高環(huán)境壓力對椰子油微乳液滯燃期的影響，Salmani等[17]設(shè)計并制造了用于測定滯燃期的光學實驗裝置(見圖3)，其最高環(huán)境壓力達20 MPa，最高環(huán)境溫度達800 ℃。利用該臺架研究了椰子油-丁醇微乳生物柴油的著火特性，研究表明，在燃燒室內(nèi)較高的噴射壓力下，椰子油-丁醇微乳生物柴油的滯燃期縮短。研究還發(fā)現(xiàn)，在固定的噴射壓力和較高的環(huán)境溫度下，微乳生物柴油的滯燃期變化趨勢與柴油基本一致，都隨著燃燒室內(nèi)壓力的升高而降低。但由于該試驗臺架的最高噴射壓力僅為30 MPa，遠低于柴油機內(nèi)燃油噴射壓力，故而不能真實反映發(fā)動機實際工況下燃油的燃燒性能。

圖3 光學實驗裝置

上述研究中，主要通過高速相機拍攝燃料燃燒的火焰圖像，觀察火焰的顏色區(qū)域和火焰長度，定性分析炭煙分布，或是測量燃料的滯燃期，來研究微乳生物柴油的基礎(chǔ)燃燒特性。以上研究表明，與柴油相比，微乳生物柴油燃燒區(qū)域顏色偏藍，表明微乳生物柴油的燃燒溫度更高，燃燒更充分，燃燒效率更高，炭煙排放更少。目前，微乳生物柴油在類似發(fā)動機高溫高壓環(huán)境下的噴霧和燃燒可視化研究相對較少，是可以進一步拓展的研究方向，從而為車用生物燃料的發(fā)展提供基礎(chǔ)。

3 柴油機燃用微乳生物柴油的動力性和經(jīng)濟性研究

一般而言，植物油和乙醇的熱值比柴油低，導致燃燒單位質(zhì)量微乳生物柴油所釋放的熱能減少，故而燃用微乳生物柴油時發(fā)動機動力性下降，燃油消耗率增大。

Sankumgon等[18]在1臺非直接噴射式四沖程自然吸氣柴油機上進行了麻瘋樹油-柴油微乳生物柴油的發(fā)動機性能試驗。微乳生物柴油MF(E5)中，麻風樹油、柴油和乙醇的體積比為20∶75∶5；MF(E5)-LS1中，麻風樹油、柴油、乙醇-表面活性劑的體積比為20∶75∶5；MF(E10)-LS1中麻風樹油、柴油、乙醇-表面活性劑的體積比為20∶70∶10，其中乙醇與表面活性劑的體積比為3∶1。結(jié)果表明，該發(fā)動機無論是在低負荷(25%負荷)的速度特性上，還是中負荷(50%負荷)的速度特性上，相同的試驗條件下，和柴油相比，燃用三種微乳生物柴油產(chǎn)生的有效功率都大幅下降，有效燃油消耗率都大幅升高，排溫降低。尤其是相應(yīng)負荷的高轉(zhuǎn)速工況下，發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性惡化更嚴重。分析指出，這主要是由于麻風樹油和乙醇的高熱值較低，再加上乙醇的汽化潛熱較高，從而導致缸內(nèi)燃燒溫度降低，最終導致其有效功率都低于柴油。

Liang等[19]在ZS1110四沖程直噴水冷單缸發(fā)動機上進行了生物油-柴油微乳液和柴油的發(fā)動機性能試驗。結(jié)果表明，隨著發(fā)動機負載的增加，燃用生物油-柴油微乳液和柴油的有效燃油消耗都在不斷增加，而生物油-柴油微乳液的有效熱效率比柴油高。分析認為：在此階段，微乳燃料較高的含氧量和“微爆”現(xiàn)象促進了燃燒過程，使燃油燃燒更加充分，能量釋放率更高。

Qi等[20]采用0號柴油、桐油和乙醇制備了不同混合比例的微乳化燃油，并完成了不同燃料在6缸增壓CDRI柴油機上的性能試驗，具體試驗結(jié)果見圖4和圖5。試驗結(jié)果表明，桐油-柴油微乳燃油的有效熱效率高于柴油，尤其在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時，并且，由于桐油和乙醇的熱值均比柴油低，導致微乳化燃油的有效油耗率也比柴油稍高。同時，研究發(fā)現(xiàn)，DT30E40(桐油占油相體積的30%，乙醇體積分數(shù)為40%)滯燃期最長。分析認為，微乳燃油中汽化潛熱較大的乙醇蒸發(fā)，導致噴入的燃油噴霧處于較低的溫度環(huán)境，增加了滯燃期。但由于滯燃期較長，提高了油氣混合時間，加速了整體燃燒速度。綜合兩個試驗結(jié)果得出，微乳生物柴油的滯燃期增長，蒸發(fā)和霧化性能得到改善，因此燃燒比柴油更充分。

圖4 不同發(fā)動機負載下的有效熱效率

圖5 不同發(fā)動機負載下的有效燃油消耗率

R. N. Mehta等[21]在Kirloskar的Model AV1四沖程單缸水冷柴油機上對比研究了不同乙醇含量微乳化柴油對發(fā)動機動力性的影響規(guī)律。發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min時，B5b乙醇柴油(柴油71.25%、生物柴油25%、乙醇3.75%)的有效油耗率比柴油下降了2.7%，而B3s乙醇柴油(柴油93.575%、乙醇4.925%、Span80含量1.5%)的有效油耗率與柴油幾乎相同。分析認為，當發(fā)動機以含氧混合燃料如B5b為燃料時，氣缸中有足夠的氧來完全燃燒燃料，從而減少了產(chǎn)生與柴油相同有效功率所需的燃油消耗[22]。

Qi等[23]制備了0號柴油、菜籽油、乙醇的植物油基微乳燃油，并在自然吸氣柴油機上研究了不同燃油對發(fā)動機性能特性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，與柴油相比，微乳生物柴油的燃燒始點較晚，滯燃期較長，導致油氣混合較充分。進而導致微乳生物柴油的缸壓峰值、壓力上升速率和瞬時放熱率峰值均有所升高。Kumar等[24]在四沖程VCR單缸直噴柴油機(Kirloskar India Ltd.)上進行了柴油、微乳麻瘋樹油JCO B100和JCO B20(JCO B100中麻瘋樹油含量為100%，JCO B20中麻瘋樹油含量為20%，其余為柴油)等的發(fā)動機性能、燃燒和排放特性對比試驗。結(jié)果表明，在發(fā)動機壓縮比為15時，微乳麻瘋樹油的滯燃期延長，其缸壓峰值比柴油稍高。但在壓縮比為17.5時，微乳麻瘋樹油與柴油的燃燒過程相似，兩者的氣缸壓力曲線相似，凈放熱率從壓縮行程到做功行程沒有明顯差異(見圖6)。

圖6 不同曲軸轉(zhuǎn)角下的氣缸壓力和凈放熱率(發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min)

上述研究表明，盡管發(fā)動機參數(shù)、微乳生物柴油各組分含量等試驗條件各不相同，但大部分情況下，采用微乳生物柴油的內(nèi)燃機有效熱效率相對較高。有效熱效率改善的原因，可以概括為兩點：1)微乳生物柴油的含氧量較高，燃燒室內(nèi)有足夠的氧使燃油完全燃燒，能量釋放率更高；2)微乳生物柴油的“微爆”現(xiàn)象，使油滴進一步細化，霧化效果更好，燃油與空氣混合得到改善，進而提高了燃燒效率[25-26]。

4 柴油機燃用微乳生物柴油的排放特性研究

4.1 NOx和炭煙排放

炭煙和氮氧化物的生成是一個非常復雜的過程，其排放量和燃料類型、發(fā)動機設(shè)計以及測試循環(huán)等因素都有關(guān)系。盡管試驗參數(shù)和試驗條件各不相同，諸多文獻都報道微乳生物柴油的炭煙和NOx排放顯著降低，減排效果明顯[19,27-28]。

Liang等[19]在ZS1110單缸四沖程水冷直噴式發(fā)動機上研究了微乳生物柴油(methanol,castor oil and sewage sludge blends)的排放特性。試驗結(jié)果表明，與柴油相比，各種微乳生物柴油都能降低發(fā)動機NOx排放，降幅1.5%～14.7%，但炭煙排放有所上升。使用混合乳化劑制備的微乳生物柴油，比使用單一乳化劑制備的微乳生物柴油產(chǎn)生的炭煙降低3%～20%。這說明了微乳化技術(shù)具有減排的潛力，并且使用混合乳化劑具有更好的生物油溶解性能，減排潛力更優(yōu)。

Kayali等[27]在Perkins 1760 mL 4缸四沖程自然吸氣柴油機上對比研究了柴油-乙醇微乳液和柴油的排放特性。結(jié)果表明，在不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，微乳生物柴油的NOx和炭煙排放都有了顯著的降低。Nguyen等[28]在Kubota 482 mL柴油機上燃用柴油-菜籽油微乳生物柴油，研究表明：在空載條件下，微乳生物柴油的NOx排放均未超過2號柴油的排放基準；在高負荷工況下，NOx排放相比于柴油互有高低；當醇類總濃度達到30%時，有利于減少NOx排放。以上試驗表明，添加短鏈醇形成微乳生物柴油，可以有效地減少NOx和炭煙排放。故而，近來越來越多的研究人員使用短鏈醇作為微乳生物柴油的分散相，替代了傳統(tǒng)的水。與水相比，乙醇作為分散相，總熱值高，可以減小滯燃期，防止燃燒溫度過高。

柴油機燃燒中，NOx排放的主要影響因素是燃燒(火焰)溫度、反應(yīng)停留時間和氧含量[29-30]。上述研究燃燒微乳生物柴油降低NOx排放的機理主要為：乙醇作為微乳生物柴油的分散相，汽化潛熱較高，導致氣缸內(nèi)燃燒溫度降低[31]，低溫下熱 NO的化學反應(yīng)率降低，進而熱 NO生成量減少[5]。炭煙生成的基本原理主要是高溫缺氧。微乳生物柴油由于分散相乙醇的汽化潛熱較高，導致氣缸內(nèi)燃燒溫度降低，隨著缸內(nèi)溫度降低，炭煙生成的速率也隨之降低。而且，微乳生物柴油的氧含量較高，氧的加入促進了炭煙氧化，總體減少了炭煙排放。

不同粒徑顆粒物對人類危害程度也不同，近來，對柴油機顆粒物的粒徑研究逐漸成為熱點。Nguye等[28]測量并對比分析了微乳生物柴油和柴油在發(fā)動機試驗中的顆粒物排放和PM 10排放。結(jié)果表明，在空載條件下，柴油的顆粒物數(shù)量在14～720 nm粒徑范圍內(nèi)是最低的。在高負載條件下，有些微乳生物柴油細微顆粒物排放比柴油低，然而，含有30%乙醇和正丁醇的微乳生物柴油的顆粒物排放比柴油高，這和總炭煙排放趨勢相反。但隨著乙醇和正丁醇的濃度降低到24%及以下，微乳生物柴油的顆粒物排放明顯下降，這表明在一定濃度范圍內(nèi)，細微顆粒物數(shù)量隨著乙醇和正丁醇的加入而減少。

Shi X[32]等的研究也表明，在柴油中加入5%的乙醇可以改善細微顆粒物的排放。試驗表明，在不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，BE-diesel(柴油、生物柴油和乙醇的體積比為75∶20∶5)的顆粒物排放量顯著減少了21%～39%。以上研究證明，加入含氧溶劑的微乳生物柴油可以減少顆粒物的排放。

PM 10的排放趨勢與炭煙排放趨勢大致相似。在空載條件下，與柴油相比，微乳生物柴油中加入乙醇和正丁醇后，PM 10的排放明顯下降。在高負荷條件下，燃用柴油測得的PM 10排放最高，而大多數(shù)微乳生物柴油的PM 10排放能符合美國環(huán)保署的健康標準。

4.2 HC和CO排放

燃油燃燒過程中，當燃油與空氣混合不完全或氧含量較少時，會產(chǎn)生CO和未燃碳氫排放?？杖急取娚鋲毫?、發(fā)動機負載、燃油類型和進氣溫度都會影響CO排放[33]。而HC排放主要取決于燃料和空氣的混合程度，此外，燃油的噴霧貫穿距、缸內(nèi)壓力和溫度對其也有影響[22]。

Sankumgon等[18]在四沖程自然吸氣式柴油機上研究了麻瘋樹油-柴油微乳生物柴油的排放特性，結(jié)果表明，微乳生物柴油CO排放與柴油相近，在低于柴油CO排放的水平上下波動。作者認為，生物柴油含氧，增加了富燃料區(qū)域中氧與燃料的比值，空燃比增加，使得燃燒更完全，CO和炭煙排放都有所降低。

Krishnamoorthi等[33]在Kirloskar VCR單缸四沖程柴油機上，使用印度枳油-柴油-乙醚混合的微乳生物柴油進行了排放特性試驗。在發(fā)動機75%負載和滿載時，相比于柴油，B1微乳生物柴油(70%柴油，20%印度枳油和10%乙醚)的HC排放顯著減少。在75%負載情況下，B2微乳生物柴油(60%柴油，30%印度枳油和10%乙醚)的HC排放比柴油低10.04%。分析認為，HC是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，該試驗中微乳生物柴油促進了燃油的完全燃燒，導致HC排放降低[34]。該試驗還研究了噴射時間和噴射壓力對微乳生物柴油排放特性的綜合影響。在試驗中相對較高的噴射壓力下，由于更好的噴霧效果和空氣燃料混合，微乳生物柴油的CO排放量比柴油更低，這表明高壓對微乳生物柴油的霧化和混合的促進作用更明顯。

5 微乳生物柴油的制備工藝優(yōu)化研究

近期，為進一步改善微乳生物柴油在車用發(fā)動機上的應(yīng)用，科研人員在制備微乳生物柴油時對添加劑或表面活性劑作了優(yōu)化，一定程度上改善了燃料的綜合性能。

Karthikeyan等[35]在從微藻油中提取的生物柴油——富油新綠藻甲酯中添加了不同濃度的Ce-Ru-O催化劑，應(yīng)用于單缸柴油機的排放特性試驗。試驗結(jié)果表明，燃用添加了Ce-Ru-O催化劑的微乳生物柴油，能明顯提高發(fā)動機熱效率，CO2和NOx排放增加，CO、HC、炭煙排放降低。作者認為，Ce-Ru-O催化劑在燃燒的過程中的催化作用促進了氧化反應(yīng)，提高了燃料的燃燒速度和燃燒效率，導致一部分污染物排放降低，但是也增加了NOx排放，還會使油中機械雜質(zhì)與其他雜質(zhì)增多，導致柴油機高壓燃油噴射泵柱塞、出油閥、噴油器偶件等出現(xiàn)早期異常磨損。

Attaphong等[36]在制備微乳生物柴油時添加了擴展型羧酸酯類表面活性劑，結(jié)果表明，擴展型羥酸酯類表面活性劑能夠在不加鹽的情況下形成反膠束微乳液，從而消除了基于硫酸鹽的擴展型表面活性劑的相分離和沉淀現(xiàn)象。除了無鹽配方外，以擴展型羥酸酯類表面活性劑制備的微乳生物柴油是一種綠色環(huán)保的理想燃料；由于表面活性劑的基團中不含S，所以相較于以往表面活性劑，該微乳液可以大幅降低氧化硫(SOx)的排放。

Leng等[37]使用生物表面活性劑——鼠李糖脂制備了生物油-柴油微乳液，研究了生物油組分溶解于柴油的增溶機理，以提高微乳燃料的性能。鼠李糖脂是由假單胞菌或伯克氏菌類產(chǎn)生的一種生物代謝性質(zhì)的生物表面活性劑，應(yīng)用技術(shù)最為成熟，與傳統(tǒng)表面活性劑相比，具有結(jié)構(gòu)多樣性和生物降解性，滿足綠色環(huán)保要求。研究發(fā)現(xiàn)，由鼠李糖脂制備的微乳化油穩(wěn)定性好，燃料利用率提高，與柴油相當。

Arpornpong等[38]分別研究了4種非離子表面活性劑(硬脂醇、油醇、油酸甲酯和Brij-010)的化學結(jié)構(gòu)(飽和、不飽和或者環(huán)氧乙烷基團)對棕櫚油-柴油-乙醇微乳液運動黏度的影響。研究表明，使用Brij-010表面活性劑制備的微乳生物柴油的黏度最大，而使用油酸甲酯作為表面活性劑時微乳生物柴油的黏度最小(見圖7)。分析認為：與油醇或硬脂醇相比，Brij-010具有10倍的氫鍵結(jié)合機會，微乳生物柴油系統(tǒng)間的相互作用力較大，導致系統(tǒng)的黏度增大。作者認為，分子間力可能是決定黏度的主要因素，故可以將活化劑和燃油結(jié)合形成的分子間力作為選擇合適表面活性劑的依據(jù)之一。

圖7 不同活性劑對微乳生物柴油黏度的影響

Kibbey等[39]分別將菜籽油、藻類油以及棕櫚油加入至柴油-乙醇的混合液中，以油胺和辛醇為表面活性劑和助表面活性劑，制備出了3種微乳生物柴油。并通過試驗測量和模型預(yù)測的方法，獲得這些微乳化生物柴油的黏度，結(jié)果表明，在大多數(shù)微乳生物柴油中，Chevron模型預(yù)測值與試驗測量值能大致吻合。但當含水量較高時，模型預(yù)測的精度偏低。該研究對于制備最佳黏度(即滿足柴油機使用標準)的微乳生物柴油具有一定的參考意義，節(jié)約了試驗成本。

以上研究中，研究者們通過優(yōu)化微乳生物柴油的制備工藝，尤其是優(yōu)化表面活性劑的使用，有效地降低了生物柴油的黏度。但目前，生物柴油的高黏度仍是限制其在柴油機上直接使用的主要原因。進一步有效地降低微乳生物柴油的黏度，是未來微乳化技術(shù)的發(fā)展方向之一。

6 總結(jié)與展望

詳細綜述了內(nèi)燃機燃用微乳生物柴油性能的研究進展，包括微乳生物柴油的制備、穩(wěn)定性、黏度，燃用微乳生物柴油的動力性、經(jīng)濟性和排放特性，以及微乳生物柴油的燃燒特性。

a) 柴油機燃用微乳生物柴油時，特別是分散相為乙醇時，由于乙醇的汽化潛熱較高，自燃溫度較低，導致了微乳生物柴油的著火延遲和預(yù)混燃燒，與柴油相比，微乳生物柴油的缸壓峰值、壓力上升速率和瞬時放熱率峰值升高，滯燃期延長，燃燒始點后移，燃燒持續(xù)期縮短；

b) 在發(fā)動機負載較高時，燃用微乳生物柴油的動力性下降，但有效熱效率大多高于純柴油，經(jīng)濟性有所提高；

c) 燃用微乳生物柴油可以顯著降低炭煙和NOx排放，CO和HC的排放也有一定程度的減少；燃用微乳生物柴油細微顆粒物及PM10的排放均有所減少，并隨著燃油中乙醇的加入而進一步減少；

d) 加入金屬催化劑或添加擴展型羥酸酯類表面活性劑或可以改善微乳生物柴油的性能，滿足綠色環(huán)保的要求，但金屬元素所產(chǎn)生的雜質(zhì)可能也會加劇機械磨損；

e) 針對微乳生物柴油的基礎(chǔ)燃燒研究相對較少，目前部分預(yù)混燃燒結(jié)果表明，微乳生物柴油中的高氧含量可以促進燃油的完全燃燒，有利于提高燃燒效率。

根據(jù)相關(guān)文獻，內(nèi)燃機燃用微乳生物柴油的有關(guān)研究，后續(xù)可以重點發(fā)展如下幾方面：

a) 由于植物油黏度高，揮發(fā)性及低溫流動性差，微乳化技術(shù)還需繼續(xù)研究，進一步降低微乳生物柴油的黏度，改善低溫性能，以滿足車用燃料的要求；此外，還應(yīng)對其進行耐久性試驗，研究其對發(fā)動機零件及管路等影響；

b) 降低制備微乳生物柴油的成本，主要是表面活化劑的成本，尋找更為經(jīng)濟、高效和綠色的表面活性劑和助溶劑是關(guān)鍵；還需要對微乳生物柴油進行抗氧化試驗，尋找合適的抗氧化劑，滿足微乳生物柴油的使用穩(wěn)定性，這將有利于商業(yè)化推廣應(yīng)用。