酯類含氧燃料應(yīng)用研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

苗長(zhǎng)林，李吾環(huán)，呂鵬梅，譚雪松，李惠文，莊新姝

（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0 引 言

石油、煤和天然氣等傳統(tǒng)化石能源仍是當(dāng)今世界的主要能源，而隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗在不斷急劇增加，會(huì)造成化石能源日益枯竭[1-2]。另外，燃用化石燃料會(huì)由于燃料燃燒的不充分，而產(chǎn)生大量如一氧化碳（CO）、未燃碳?xì)洌║nburned Hydrocarbons，UBHC）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和顆粒（Particulate Matter，PM）等有害物[3-6]。為有效延緩化石燃料的消耗和減少有害物的排放，尋找一種清潔替代燃料已成為目前研究熱點(diǎn)[7-9]。含氧燃料因其含氧特性，在燃燒過(guò)程中，能提供額外的氧，故使燃料燃燒更為充分，進(jìn)而可有效減少有害物排放，因此有關(guān)含氧燃料的研究最為備受關(guān)注[10-15]。目前國(guó)內(nèi)外研究的含氧燃料中，醇類、醚類和酯類燃料的研究較多[16-18]，其中酯類燃料[19-22]由于其理想的燃料性質(zhì)，可有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文對(duì)酯類燃料種類和性能進(jìn)行了概述，并分析了酯類燃料作為燃料的應(yīng)用研究現(xiàn)狀。

1 生物柴油

生物柴油是以動(dòng)植物油、廢棄餐飲油等為原料制成的不同結(jié)構(gòu)長(zhǎng)鏈脂肪酸烷基酯混合物，其各項(xiàng)性質(zhì)與普通柴油非常相近，而且在使用時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)幾乎不需要改造[23-25]。因而生物柴油被認(rèn)為是可再生、清潔和安全的柴油替代燃料。表1[26]給出了生物柴油和柴油的性質(zhì)比較。

表1 生物柴油與0號(hào)柴油燃料理化特性Table 1 Fuel properties of biodiesel and 0# diesel

從表1可以看出，與傳統(tǒng)的石化柴油相比，生物柴油具有良好的低溫起動(dòng)性能，在沒有添加劑下冷濾點(diǎn)可低達(dá)?10 ℃；具有良好的潤(rùn)滑性能，可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、噴油泵等部件的磨損，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命；具有較高的閃點(diǎn)，有利于燃料的安全儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用；含硫量低，能降低尾氣中 SO2等有害物質(zhì)排放；不含有能致癌的苯環(huán)等芳香族碳?xì)浠衔?；具有可生物降解性能，有利于其廢棄物處理；具有較高的十六烷值，著火性能好；具有含氧的分子結(jié)構(gòu)，能有效改善其燃燒性能并減低 PM 等有害物質(zhì)排放；屬于綠色能源，有利于平衡 CO2氣體的排放，具有良好的環(huán)保性能；特別是生物柴油具有可再生性，作為一種可再生能源，不會(huì)像石化柴油等會(huì)枯竭[27]。

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室[28]對(duì)公交車用生物柴油進(jìn)行了能耗與排放影響分析，結(jié)果表明，與石化柴油相比，生物柴油的使用可以減少 70%的化石能源消耗，并能夠減少CO2達(dá)78%，PM、CO、和SO2等排放均有不同程度下降。王武林等[29]在186 FA單缸小型柴油機(jī)上考察燃用生物柴油燃燒和排放性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：滿負(fù)荷工況下，燃用B10調(diào)合生物柴油的缸內(nèi)壓力峰值和壓力升高率峰值均高于純柴油，但放熱率峰值低于純柴油，各峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相對(duì)上止點(diǎn)均提前；燃用調(diào)合生物柴油與純柴油，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性基本一致；與純柴油相比，燃用調(diào)合生物柴油的排放性能得到有效改善，CO、碳?xì)浠衔铮℉ydrocarbon，HC）和顆粒物的最大降幅分別為29.09%、30.43%和35.79%，但NOX的排放量增加了4%～7%；燃用調(diào)合生物柴油的經(jīng)濟(jì)性得到一定程度的改善，有效熱效率提高6.72%～8.42%。

2 長(zhǎng)鏈脂肪酸醚基酯燃料

目前生物柴油主要還是采用動(dòng)植物油脂與普通一元醇如甲醇、乙醇等通過(guò)酯交換反應(yīng)得到的脂肪酸酯[30]。其含氧量仍然較低，排放性能難以得到大幅度改善，仍未滿足未來(lái)超清潔排放的要求。最近研究報(bào)道提出以乙二醇乙醚來(lái)代替普通一元醇，合成一種新型的“生物柴油”——長(zhǎng)鏈脂肪酸醚基酯[31]，這類生物柴油分子中既含有醚基團(tuán)又含有酯基團(tuán)，含氧量得到進(jìn)一步提高，進(jìn)而能使排放性能得到進(jìn)一步改善。

表2給出了長(zhǎng)鏈脂肪酸醚基酯一些理化性質(zhì)，通過(guò)與 0號(hào)柴油主要理化性質(zhì)對(duì)比可知，其主要理化性能指標(biāo)接近或優(yōu)于 0號(hào)柴油[32-34]。此外，由于乙二醇乙醚中的醚基團(tuán)引進(jìn)，而醚基團(tuán)具有十六烷值高、發(fā)火性能好等優(yōu)點(diǎn)，所以這些新型的生物柴油較傳統(tǒng)生物柴油具有更高的有十六烷值和更好的發(fā)火性能。

表2 長(zhǎng)鏈脂肪酸醚基酯生物柴油與柴油燃料特性Table 2 Fuel properties of long chain fatty acid ether ester biodiesel and diesel

張紅云等[35]研究了豆油乙二醇乙醚酯生物柴油燃料燃燒特性，結(jié)果表明：與純石化柴油相比，燃用純豆油乙二醇乙醚酯動(dòng)力性幾乎不變，耗油率有所增加，柴油機(jī)煙度、CO和HC排放較柴油都大幅度地降低，NOx排放略有增加，煙度在1 800 r/min降低了59.8%～78.8%，在 2 300 r/min降低了 62.9%～83.3%；CO排放在1 800 r/min降低了47.7%～64.3%，在2 300 r/min降低了55.6%～76.7%；HC排放在2 300 r/min下降了48.9%～64.7%。燃用B50新型生物柴油（柴油與豆油乙二醇乙醚酯以體積比1:1摻燒），柴油機(jī)煙度、CO和HC排放也都明顯減少，煙度在1 800 r/min降低37.5%～71.2%，在2 300 r/min降低48.9%～75.0%；CO在1 800 r/min降低13.9%～44.4%，在2 300 r/min降低38.1%～55.8%；HC在2 300 r/min下降30.3%～45.7%。Li等[36]在2102QB型立式、雙缸、四沖程、強(qiáng)制水冷、直噴式柴油機(jī)上，對(duì)棉籽油乙二醇乙醚酯進(jìn)行臺(tái)架燃燒試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，新型生物柴油不論單獨(dú)使用還是與普通柴油混合使用均可有效改善柴油機(jī)的排放性能。在轉(zhuǎn)速1 400 r/min下燃用B24的碳煙排放相對(duì)柴油降低2.4%～20.0%，燃用B10的碳煙排放降低14.6%～50.0%。在轉(zhuǎn)速2 000 r/min下，燃用B24的碳煙排放相對(duì)降低3.7%～27.3%，燃用B100的碳煙排放降低11.1%～45.5%；燃燒不同比例的生物柴油與柴油混合燃料可降低HC排放22.2%～55.6%，降低NOx排放 8.9%～39.3%，CO排放量也略有降低。Wang等[37]采用 TY1100柴油機(jī)測(cè)試菜籽油乙二醇甲醚酯新型生物柴油燃燒性能，研究表明：發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率得到提高，燃燒周期縮短，著火點(diǎn)略微提前，碳煙、CO和HC的排放水平大幅度降低，NOx排放略有增加。在 1 400 r/min燃燒B50后煙度降低30.8%～75.0%，在2 000 r/min煙度降低25.9%～44.6%。燃燒B100后，排放效果則更好，煙度分別降低43.5%～78.2%和25.0%～47.6%。在轉(zhuǎn)速1 400和2 000 r/min負(fù)荷特性下HC排放降低了11.4%～61.5%；CO排放降低了8.7%～50%。

這些研究均證實(shí)，燃用長(zhǎng)鏈脂肪酸醚基酯比燃用傳統(tǒng)生物柴油能有效改善柴油機(jī)排放性能，是一種潛在的清潔含氧燃料。

3 醚酯類燃料

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒上述燃料，可以有效降低碳煙、CO和HC的排放，但上述燃料或多或少會(huì)引起NOx排放的增加[38]，為解決柴油機(jī)的碳煙顆粒和氮氧化物排放難以同步降低的矛盾，一些研究者依據(jù)燃料燃燒理論，遵循柴油機(jī)壓燃著火燃料的使用性能，結(jié)合含氧燃料自身官能團(tuán)的特性，提出了醚酯含氧燃料。這類物質(zhì)既含有酯基團(tuán)，又含有醚基團(tuán)，因此該燃料集酯基團(tuán)氧含量高和醚基團(tuán)發(fā)火性能好優(yōu)點(diǎn)于一體，使燃料具有十六烷值高，發(fā)火性能優(yōu)越，抗磨性能和排放性能十分突出等特點(diǎn)，而且它們可以與柴油任意比例互溶，因此適合作為燃料的替代品或添加劑組分使用[39-41]。目前研究的醚酯類含氧燃料主要有乙酸-2-甲氧基乙酯，乙酸-2-乙氧基乙酯、乙酸-2-甲氧基丙酯、碳酸甲基-2-甲氧乙基酯、碳酸甲基-2-乙氧乙基酯等。

宮艷峰等[42]研究了乙酸-2-甲氧基乙酯燃燒特性，并給出乙酸-2-甲氧基乙酯的黏度、煙點(diǎn)、銅片腐蝕、閉口閃點(diǎn)、凝點(diǎn)等理化性質(zhì)。由表3可看出，乙酸-2-甲氧基乙酯能與柴油實(shí)現(xiàn)良好互溶，并能提高混合燃料的煙點(diǎn)，且隨著乙酸-2-甲氧基乙酯含量的增加，煙點(diǎn)越高。在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)（TY1100直噴柴油機(jī)）結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，當(dāng)燃用體積分?jǐn)?shù)為 15%的乙酸-2-甲氧基乙酯混合燃料時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放平均降低約 50%，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率下降約5%，而熱效率卻提高約2%。Wang等[39]采用單缸、四沖程、水冷柴油機(jī)，對(duì)比評(píng)定了 0#柴油添加乙酸-2-甲氧基乙酯前后燃燒排放特性，研究表明，摻燒 15%乙酸-2-甲氧基乙酯，柴油機(jī)炭煙降低約50%，摻入20%時(shí)下降至60%，最大下降幅度達(dá)78.8%，HC，CO都有所降低，NOx排放變化不顯著。Wang等[40]另一項(xiàng)研究表明：在外特性下?lián)綗宜? 1-甲氧基- 2-丙酯，CO、炭煙排放大幅度下降，且下降量隨摻入量的增加而增大，摻入25%時(shí)，CO下降了17.8%～52.3%，煙度下降14.4%～21.2%。在2 000 r/min負(fù)荷特性下，CO排放隨摻入量的增多和平均有效壓力的增高而不斷下降，當(dāng)摻入 25%時(shí)，柴油機(jī)平均有效壓力在 0.2～0.6 MPa范圍內(nèi)，CO減少了51.5%～59.1%；煙度也隨加入量增大而不斷下降，當(dāng)入25%時(shí)，煙度下降30.7%～83.3%；HC排放也有所降低，特別是在摻入量大、負(fù)荷大時(shí)更明顯，當(dāng)2 000 r/min摻入25%，平均有效壓力大于0.6 MPa時(shí)，HC排放減少50%以上。NOx排放變化不顯著。郭和軍等[43]研究表明：當(dāng)柴油中添加25%(體積分?jǐn)?shù))對(duì)甲基-2-乙氧乙基酯，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上CO減少29.2%～40.5%，添加15%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)NOx最大減少15.9%；2 000 r/min轉(zhuǎn)速的負(fù)荷特性上CO減少46.7%～69.4%，煙度降低最大可達(dá)50%，添加，15%(Vol)時(shí)NOx最大減少22.8%。Guo等[41]對(duì)碳酸甲基-2-甲氧基乙酯研究表明，柴油摻加該物質(zhì)后，柴油機(jī)CO、炭煙排放大幅度下降，且下降量隨其摻入量的增加而增大。摻入25%時(shí)，在外特性下CO下降了33.9%～44.4%，煙度下降14.4%～21.2%。在2 000 r/min負(fù)荷特性下，在0.2～0.6 MPa范圍內(nèi)，煙度下降33.7%～50%，CO下降了 40%～64%，HC，NOx排放變化不顯著。張劍等[44]通過(guò)采用單缸、四沖程、水冷直噴式柴油機(jī)，在外特性下，對(duì)0#柴油摻加不同體積比乙酸-2-乙氧基乙酯在不同轉(zhuǎn)速工況的廢氣排放進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CO和碳煙排放均大幅下降，而 NOx排放不發(fā)生顯著變化，低轉(zhuǎn)速工況下?lián)郊?15%對(duì) HC排放有所下降，而高轉(zhuǎn)速情況下則有所上升，動(dòng)力性有所下降，油耗增大。在柴油摻加乙酸-2-乙氧基乙酯后黏度下降、閃點(diǎn)下降、煙點(diǎn)升高，銅片腐蝕試驗(yàn)結(jié)果不因加入合成產(chǎn)物而發(fā)生變化，表明合成產(chǎn)物對(duì)柴油燃料腐蝕性不產(chǎn)生影響。

表3 醚酯含氧燃料與0號(hào)柴油燃料特性Table 3 Fuel properties of the ether ester oxygenated fuel and 0# Diesel

4 碳酸酯類燃料

碳酸酯類主要包括碳酸二甲酯（Dimethyl carbonate，DMC）、碳酸二乙酯、碳酸甘油酯）等。相對(duì)于其他含氧燃料，碳酸酯類更具有易于與石化燃料混合且不會(huì)發(fā)生相分離，以及分解產(chǎn)物不會(huì)造成環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)[45]。目前碳酸酯類中碳酸二甲基酯研究較多，碳酸二甲基酯是迄今為止研究出的含氧量最高的一種含氧燃料（分子中氧含量高達(dá)53%），作為化石燃料添加劑，DMC可提高其辛烷值和含氧量，進(jìn)而提高其抗爆性，降低機(jī)車尾氣中碳?xì)浠衔铩⒁谎趸己图兹┑呐欧趴偭縖46]。但其熱值很低，理論空燃比也比較低，另外十六烷值比較低，這些是DMC的缺點(diǎn)，有待進(jìn)一步改進(jìn)[47]。表4列出了碳酸二甲基酯(DMC)的燃料部分性能，可以看DMC具有優(yōu)良的溶解性能，其熔、沸點(diǎn)范圍窄，表面張力大，黏度低，介質(zhì)界電常數(shù)小，同時(shí)具有較高的蒸發(fā)溫度和較快的蒸發(fā)速度，還具有閃點(diǎn)高、蒸汽壓低和空氣中爆炸下限高等特點(diǎn)，因此DMC是集清潔性和安全性于一身的綠色溶劑。

表4 碳酸二甲酯與0號(hào)柴油燃料特性Table 4 Fuel properties of DMC and 0# diesel

張光德等[48]測(cè)試了純柴油和含添加劑 DMC的柴油機(jī)的尾氣排放，并進(jìn)行了燃燒分析。結(jié)果表明：添加劑DMC能較大幅度地降低柴油機(jī)的碳煙排放，同時(shí)使NOx的排放基本保持不變或略有下降；當(dāng) DMC的添加量為15%時(shí)，在不同的工況下，熱效率比純柴油高1%～3%，煙度就下降35%～50%，著火延遲期比純柴油長(zhǎng)，但燃燒結(jié)束時(shí)間早，燃燒放熱速率快。朱建元等[49]研究發(fā)現(xiàn)，DMC作為柴油添加劑能有效改善柴油機(jī)的碳煙和 NOx排放，且碳煙和 NOx排放量隨 DMC含量的增加而明顯降低。在全負(fù)荷工況下，當(dāng)DMC的添加量為15%時(shí)，煙度下降超過(guò) 20%，NOx排放量下降超過(guò) 30%。另外添加DMC有利于提高混合氣形成質(zhì)量，且在添加15%的DMC全負(fù)荷工況時(shí)，2135柴油機(jī)燃燒持續(xù)時(shí)間相對(duì)純柴油縮短 1/4左右，有效改善了柴油機(jī)的燃燒性能。張韡等[50]在一臺(tái)TY 1100直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了不同碳酸二甲酯添加體積比的混合燃料的臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在柴油中添加DMC后，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性有所下降，但下降幅度不大，當(dāng)添加體積比為 15%時(shí)，功率下降了5%左右，但燃油經(jīng)濟(jì)性略有改善。與此同時(shí)，DMC的添加卻能大幅降低柴油機(jī)的主要控制排放PM，當(dāng)添加體積比為15%時(shí)，PM體積分?jǐn)?shù)平均可降低50%左右，可以使?jié)M足歐Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛達(dá)到歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)。楊鶴等[51]在四缸直列四沖程增壓直噴汽油機(jī)上研究了添加體積分?jǐn)?shù)為10%的碳酸二甲酯（DMC）對(duì)燃用烷基化汽油在典型工況下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。結(jié)果表明：在所有工況下，添加DMC后，燃油消耗率均有明顯增加，增幅最高可達(dá)20.53%，有效熱效率變化不明顯。在外特性工況下，添加DMC對(duì)汽油機(jī)動(dòng)力性影響不大，均不超過(guò)3%；在穩(wěn)態(tài)工況下，DMC的加入降低了燃料的總碳?xì)浠衔铮═otal Hydrocarbons，THC）和氮氧化物（NOx）排放，碳?xì)浠衔铮℉C）的排放最大降幅為13%，NOx排放最大降幅為32%；在大負(fù)荷區(qū)域，DMC 的自攜氧發(fā)揮作用，可降低積聚態(tài)顆粒物的排放，降幅為8%。訾琨等[52]研究表明，柴油中添加DMC后，柴油機(jī)的動(dòng)力性降低，經(jīng)濟(jì)性及排放得到改善。在添加比例在 15%時(shí)，柴油機(jī)的功率在循環(huán)供油量不變的條件下，約下降5%，熱效率提高3%左右，碳煙下降42%，氮氧化物基本不變，CO、CO2的排放變化很小，HC略有升高。但當(dāng)添加比例超過(guò)15%，由于DMC的低熱值低，功率下降幅度較大，且柴油機(jī)的煙度和熱效率改善均不明顯。

5 乙酰丙酸酯類燃料

乙酰丙酸甲酯、乙酰丙酸乙酯和乙酰丙酸丁酯等乙酰丙酸酯類燃料，具有優(yōu)異的燃燒性、安全性和清潔排放性，被認(rèn)為是本世紀(jì)極有發(fā)展?jié)摿Φ闹匾镔|(zhì)液體燃料[53]。乙酰丙酸酯可由木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化獲得，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是目前地球上最豐富、最廉價(jià)的生物質(zhì)資源。將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙酰丙酸酯燃料，進(jìn)而可作為替代燃料，其對(duì)緩解能源和資源壓力、減輕生態(tài)環(huán)境污染、發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)等具有現(xiàn)實(shí)意義[54]。

乙酰丙酸酯含氧量高，且不含硫，是一種清潔的燃料。同時(shí)，乙酰丙酸酯具有較好的潤(rùn)滑性，可使其與柴油等比較容易混合，而良好的潤(rùn)滑性也延長(zhǎng)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。一些具體的物化性質(zhì)參見表5。

表5 幾種常見的乙酰丙酸酯的物理化學(xué)性質(zhì)[53-57]Table 5 Physical and chemical properties of several levulinate esters

目前隨著生物質(zhì)基乙酰丙酸技術(shù)的進(jìn)步和其生產(chǎn)成本的下降，乙酰丙酸酯作為替代燃料應(yīng)用已開始逐步推廣，在國(guó)外已有研究者將乙酰丙酸甲酯和乙酰丙酸乙酯作為柴油的添加劑的研究。美國(guó)的Biofine和Texaco公司[58]報(bào)道了一種由 20%乙酰丙酸乙脂作為氧化添加劑，79%柴油和1%助劑組成的配方燃料，該配方燃料可直接適用于普通柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，由于此配方燃料氧含量達(dá)到了6.9%，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更為充分。經(jīng)測(cè)試表明：該燃料清潔高效，潤(rùn)滑性能好，能有效降低硫的排放，符合ASTMD-975的各項(xiàng)柴油標(biāo)準(zhǔn)。Clark等[59]研究指出，采用生物柴油等含氧燃料與石化燃料混合燃燒，NOx排放水平均會(huì)有所增加，但采用乙酰丙酸乙酯與石化柴油燃料混合燃燒，在氮氧化物和微粒排放方面，卻能產(chǎn)生驚人的性能改進(jìn)，而且這種優(yōu)化后的混合燃料，不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠部件造成損害，因此也就不會(huì)造成燃油泄漏現(xiàn)象。美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、殼牌石油等進(jìn)行了乙酰丙酸乙酯替代燃料的研究[60]，證實(shí)了替代燃料的動(dòng)力和環(huán)保性能，在柴油中添加8%～10%的乙酰丙酸乙酯不僅能改善動(dòng)力和環(huán)保性能，而且能提高其潤(rùn)滑性。Windom等[61]分析了乙酰丙酸乙脂-柴油混合物和脂肪酸-乙酰丙酸乙脂混合物的蒸餾曲線，研究表明，添加合適比例的乙酰丙酸乙酯不會(huì)明顯影響柴油的揮發(fā)性。Unlu D等[62]采用乙酰丙酸乙酯作為航空燃料添加劑，用以減少 CO2等溫室氣體排放和減少對(duì)石油資源的依賴。Rae等[63]采用 92%～97.5%的汽油，2%～5%的乙酰丙酸乙酯，0%～1%的水和0.5%～2%的燃料添加劑復(fù)配的燃料復(fù)合美國(guó) ASTM D975柴油燃料規(guī)范。Podlipskiy等[64]研究表明，加入適量具有較好潤(rùn)滑性乙酰丙酸乙酯，能夠延長(zhǎng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，改善燃燒并減少NOx和CO的排放，因此適量的乙酰丙酸乙酯適用于作為礦物油補(bǔ)充介質(zhì)使用。Shrivastav等[65]開展了“綠色汽油”配方研究，該研究表明，添加乙酰丙酸酯（乙酰丙酸甲酯、乙酰丙酸乙酯、乙酰丙酸丙酯和乙酰丙酸丁酯）含氧添加劑，能夠在降低汽油中芳烴和甲基叔丁基醚含量的同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)氧氣濃度來(lái)促進(jìn)清潔燃燒，減少未燃烴的排放，進(jìn)而減少污染物排放。Joshi等[66]研究了乙酰丙酸乙脂濃度達(dá)20%的混合生物柴油的云點(diǎn)、流動(dòng)點(diǎn)和低溫過(guò)濾堵塞點(diǎn)等參數(shù)，并研究了低硫柴油（ULSD）中添加乙酰丙酸乙酯對(duì)酸值、氧化安定性、動(dòng)力黏度和閃點(diǎn)影響，得出在乙酰丙酸乙酯添加量小于15%時(shí)，所有指標(biāo)滿足ASTM D6751標(biāo)準(zhǔn)。這些研究都為乙酰丙酸脂作為燃料添加物提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)的王志偉等[67-70]以乙酰丙酸乙酯為中心，開展乙酰丙酸乙酯、生物柴油和柴油不同配比混合燃料的理化特性研究，具體包括互溶性、低溫流動(dòng)性、霧化及蒸發(fā)性、氧化安定性、防腐性、潔凈性、發(fā)火性、熱值等方面?；旌先剂喜糠掷砘匦耘c燃燒排放分析如表6所示。

表6 不同體積比混合燃料的性質(zhì)與燃燒排放試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Characteristics of mixed fuels with different volume ratios and tests result

經(jīng)試驗(yàn)分析，復(fù)配的混合燃料滿足GB/T25199-2010生物柴油調(diào)合燃料（B5）的指標(biāo)要求。理化特性試驗(yàn)表明，乙酰丙酸乙酯和生物柴油的配合有一定的協(xié)同、相互促進(jìn)作用，以柴油為主體，同時(shí)合理比例添加乙酰丙酸乙酯和生物柴油能夠使燃料配方具有與柴油十分接近的理化特性等，較好地滿足替代柴油的理化特性。對(duì)篩選的復(fù)配混合燃料進(jìn)行了柴油機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，合適比例的乙酰丙酸乙酯-柴油混合燃料可在水平單缸四沖程壓燃式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中正常工作；燃用這混合燃料與柴油的外特性的動(dòng)力性變化趨勢(shì)相同，轉(zhuǎn)矩和功率較燃用純柴油略小；混合燃料的燃油消耗率較柴油略大，能量消耗率卻低于純柴油；混燃燃料的 NOx、CO2等排放在柴油機(jī)輸出功率較大時(shí)較柴油排放濃度要高；CO和煙度排放在輸出功率較大時(shí)，隨乙酰丙酸乙酯含量的增加較為明顯地降低?；旌先剂喜裼蜋C(jī)利用過(guò)程中的油耗率受混合燃料的密度影響較大；NOx、CO和CO2等排放受混合燃料含氧量影響較大；HC排放和尾氣煙度受混合燃料的運(yùn)動(dòng)黏度影響較大。整體上來(lái)看，5%～15%的乙酰丙酸乙酯復(fù)配混合在柴油機(jī)中燃燒的動(dòng)力性基本不變，經(jīng)濟(jì)性略有提高，HC、CO、煙度等污染物排放比燃燒柴油有明顯降低，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排。

但由于生物質(zhì)基乙酰丙酸酯是一種新的液體燃料，國(guó)內(nèi)還沒有更詳細(xì)的乙酰丙酸酯燃燒及排放性能進(jìn)行研究，乙酰丙酸酯在柴油機(jī)上燃燒及排放性能的研究幾乎為空白，國(guó)家也未制定有關(guān)乙酰丙酸酯燃料使用標(biāo)準(zhǔn)，這些都給該燃料的推廣及使用造成了一定困難。因此有必要開展進(jìn)一步研究，以促進(jìn)乙酰丙酸酯燃料的應(yīng)用。比如開展乙酰丙酸酯、石化不同配比混合燃料的理化特性研究；借助燃料動(dòng)力性能和尾氣排放實(shí)驗(yàn)測(cè)定平臺(tái)，對(duì)優(yōu)選的混合燃料性能和排放進(jìn)行測(cè)定和驗(yàn)證；進(jìn)行不同混合比的替代燃料與化石柴油在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性及排放性研究；綜合考慮乙酰丙酸酯與石化柴油混合燃料燃燒排放特性，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化配比改性混合燃料，并將其與石化柴油的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，找到滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)和燃料配方等。

6 結(jié)論和展望

含氧燃料能為發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的氧，使燃料燃燒更加充分，從而能降低柴油機(jī)未燃HC、CO、PM、碳煙等有害物的排放，是很有發(fā)展前景的柴油機(jī)清潔替代能源。在目前研究的代用燃料中，酯類含氧燃料發(fā)展前途較好，在有效增加氧含量的同時(shí)，又保證燃料具有較高的十六烷值，因此酯類含氧燃料是一種理想的柴油替代品和添加劑。

但有關(guān)酯類含氧燃料仍需要在以下幾個(gè)方面開展進(jìn)一步研究：

1）國(guó)內(nèi)外對(duì)酯類含氧燃料的應(yīng)用研究大都集中在不同個(gè)體的酯類含氧燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響上（主要開展的是某一類酯類含氧燃料摻入石化燃料中的研究），而沒有系統(tǒng)性在同一條件下對(duì)比研究不同類別之間的酯類燃料特性和對(duì)排放的影響，因此有必要在同一條件下系統(tǒng)研究對(duì)比分析不同類別酯類含氧燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用性能影響規(guī)律，并構(gòu)建全面的酯類含氧燃料應(yīng)有數(shù)據(jù)庫(kù)；

2）酯類燃料的結(jié)構(gòu)形式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響研究還有待于進(jìn)一步提高，需要深入到分子層面系統(tǒng)發(fā)掘酯類燃料分子結(jié)構(gòu)特性與其燃燒特性之間存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

3）有關(guān)酯類含氧燃料的使用，國(guó)家還沒有相應(yīng)的法律法規(guī)，因此有必要加緊制定出臺(tái)相關(guān)扶持政策及措施條例，加大酯類含氧燃料摻混科技投入，鼓勵(lì)發(fā)展；在技術(shù)上也要?jiǎng)?chuàng)新，以降低酯類含氧燃料成本，通過(guò)不斷研究，完善酯類含氧燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上使用時(shí)出現(xiàn)的一些缺陷和性能不足等新問(wèn)題，提高其燃燒與排放性能，使酯類含氧燃料在各種動(dòng)力裝置和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮更大的作用。