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含氧燃料对内燃机燃烧及排放的影响
随着经济的发展，汽车产量和保有量逐年提高，所消耗的石油也越来越多，而全球的石油资源是有限的，因此寻求内燃机燃油替代燃料已成为内燃机研究的热点之.。机动车辆所排出的有害气体，如HC，CO，PM和NOx 等，是导致全球大气污染的一个重要原因。通常降低内燃机的有害气体排放可以从完善内燃机的设计、尾气后处理和使用清洁燃料三个方面入手。在内燃机的设计方面目前还没有切实可行的措施可以大幅度降低这些有害物的生成与排放，所以只能依靠尾气后处理和使用清洁燃料。目前，在尾气后处理方面，除对火花点燃式内燃机使用三效催化反应器，通过电子控制过量空气系数在l附近，可以较为有效地控制HC，CO和NOx排放外，在压燃式内燃机上使用微粒捕集器、选择胜催化转化等技术方案尚待进一步研究和完善。含氧燃料作为一种石油替代燃料，可以单独或与汽油或柴油混合使用，不仅可以减少汽车工业对石油的依赖，还可以获得优良的发动机动力性和低的排放性能，因此越来越受到人们的重视。
1．含氧燃料的种类及性能
内燃机的含氧燃料通常是指分子中含氧元素的醇类、醚类酒旨类等可以在内燃机中单独作为燃料或以添加剂的形式与汽油、柴油混合使用的物质。常见的有甲醇、乙醇、二甲醚(DME)、生物柴油、碳酸二甲醋(DMC)、二甲氧基甲烷(DMM)等以及它们与汽油或柴油的混合燃料。
醇类燃料(甲醇、乙醇)的辛烷值高，但十六烷值低，单独使用时，比较适合作为点燃式内燃机的燃料，在压燃式内燃机中使用，需要借助点火系统或双燃料引燃等技术措施，发动机才能正常工作。醇类燃料难以与柴油互溶，所以混合使用时，必须解决互溶和助溶间题川。甲醇、乙醇分子中的氧含量均超过30%，因此燃烧时不会生成碳烟，有利于组织稀薄燃烧，降低CO排放。未燃醇的活性比使用柴油时排出的碳氢化合物的活性弱，对减少大气中的臭氧有利。但挥发性和高汽化潜热是影响发动机性能的关键问题之一。
醚类燃料如二甲醚等普遍具有较高的十六烷值，着火性能好川，可以作为压燃式柴油机的替代燃料。二甲醚分子中的含氧量也超过30%，因此二甲醚发动机能够实现无烟燃烧，对NOx的生成和排放也有一定的抑制作用，同时发动机还能够承受较大的EGR来进一步降低NOx的排放。醚类燃料的热值低，因此要获得与原柴油机相同的输出功率需要增加燃油喷射量闭。醚类燃料对非金属物质有一定的腐蚀性，而且在废气中有醛类物质存在，会对空气产生一定的非法规性污染。
生物柴油是指用甲醇(或乙醇)对从可再生物质中提取出的油或脂肪进行醋化处理后所得的含氧燃料。生物柴油在降低PM，CO及HC的排放方面较柴油有显著的优点，但对NOx排放的影响不大。虽然生物柴油比普通柴油的热值低，但是由于生物柴油中氧的存在，使得生物柴油比普通柴油的热效率高。生物柴油的低温流动性差，需要加人少量添加剂，以提高生物柴油的低温流动性川。
酯类燃料中研究较多的是碳酸二甲醋(DMC)。醋类燃料与柴油有较好的互溶性，便于与柴油混合，而且酯类燃料的十六烷值与柴油相差不大，具有较好的着火性能。柴油添加酯类燃料后，可以较大幅度地降低其CO，HC和PM的排放并提高其热效率，但对NOx的影响不大。甲酯的相对分子质量与柴油是同一数量级，其粘度比柴油略高。甲酯燃料柴油机的氧化硫排放低，为安装氧化催化转化器进行尾气后处理提供了条件。几种比较适合发动机作为燃料或含氧燃料添加剂的物质的理化性质见表l。

表1含氧化合物燃料特性参数及其与汽、柴油的比较

目前研究较多的甲醇与汽油和乙醇与汽油的混合燃料常作为火花点火发动机的燃料，其中甲醇和乙醇被用来作为含氧燃料添加剂，以提高燃料的抗爆性能，并降低HC和CO的排放量。甲醇与柴油或DMC与柴油等的混合燃料，主要是减少柴油机的碳烟颗粒排放。这类含氧燃料的性能，如辛烷值、十六烷值等，与配方成分有很大的关系。
2．含氧燃料对压燃式发动机燃烧和排放性能的影响
压燃式发动机燃用纯的含氧化合物或其与柴油的混合物均能降低柴油机的有害排放物，尤其是微粒(PM)的排放，在HC，CO的排放方面也表现出良好的性能。压燃式发动机燃料最重要的指标是十六烷值。纯质的含氧燃料当以二甲醚为代表。二甲醚的十六烷值高(CN>55)，含硫量低，是柴油机理想的替代燃料。研究结果表明:二甲醚的滞燃期短，预混燃烧量少因而压力升高率低，燃烧噪声低;发动机的动力性和热效率高于原柴油机;在全部工作范围内可实现无烟燃烧，NOx排放(无EGR)为原柴油机的60%左右，CO和HC排放与原柴油机相当。由于二甲醚具有较高的饱和蒸汽压力，与柴油混合使用的方法尚在研究之中。
Mani Natarajan和William Piel等还对众多含氧化合物进行了筛选，得到8种较为理想的含氧燃料，并对这8种燃料进行了对比实验。混合燃料(氧的质量百分比都在7%以上)的特性如表2所示。
在直喷压燃式内燃机上的实验表明:TPE和EEE使全部HC排放降低，其它混合物对此几乎没有影响;8种混合燃料使总微粒排放平均降低26%，使干微粒平均降低42%。DPE和EEA使发动机NOx的排放大约升高8%一12%，这是因为十六烷值的高低影响着火延迟时间，而着火延迟时间又影响PM和NOx的排放。十六烷值低，着火延迟时间长，油气混合充分，生成的PM减少，NOx则增加。反之，则PM增加，NOx减少。通过对发动机各项性能参数，特别是动力性和排放特性的综合比较，可以发现TPE和DBM是这几种物质中比较理想的化合物。人们一直希望含氧50%的甲醇能与柴油混合，但由于二者溶解度小，易分层，需要解决混溶互溶及稳定性等问题。
表2柴油及其含氧混合燃料的物理特性参数

3．含氧燃料对点燃式发动机燃烧和排放性能的影响
从1970年以来，一直有将醇类燃料作为汽油发动机燃料的研究。醇类燃料可以单独使用，亦可以与汽油按一定比例混合使用，但混合使用时存在分层等问题。现在含氧抗爆添加剂多为甲基叔丁基醚(MBTE)，但研究表明MBTE难以降解，其本身又易溶于水、易致癌，因此人们的研究目光重又回到醇类燃料。
甲醇、乙醇可作为点燃式发动机的燃料单独使用。由于他们的辛烷值高，发动机可以采用较高的压缩比，从而使醇类燃料的动力性、经济性得以提高。乙醇主要产自粮食，来源有限，因而价格较贵。美国等依靠政府补贴，推广乙醇汽油，一般混合汽油中的氧含量不低于2.7%。汽油混合燃料的抗爆性是重要的品质指标之一，乙醇的辛烷值高，汽油中加人乙醇后辛烷值增加，发动机可提高压缩比，相应地使动力性提高，并改善燃油经济性。乙醇燃料发动机的HC和CO的排放都降低，排放物臭氧形成能力弱，因此，乙醇汽油发动机的性能提高，排放降低。但是乙醇的生产成本高，能耗大，使其应用受限。乙醇燃料的各项物理特性参数见表4。
表4甲醇、乙醇和汽油的性能参数比较

甲醇可单独作为汽油机的替代燃料使用，亦有在较高压缩比下，用缸内直喷火花助燃发动机进行研究的。醇类燃料发动机动力性均优于原机，热效率高，NOx有较大幅度的减少，HC和CO比柴油机稍高，但远比汽油机低。汽油中混人一定比例的甲醇(如M10，M15，M85)，不仅提高了汽油的抗爆性，而且燃烧的火焰传播速度高，发动机的点火延迟期和主燃烧时期都相继缩短。因此，发动机的最佳点火提前角应根据甲醇的含量做适当调整。甲醇分子的C/H比值较小，在可燃混合气中与汽油燃料分子相比，甲醇分子分布得较均匀，形成初期火源的变动小，使整个燃烧过程进行得稳定。甲醇的辛烷值高，可以实现高压比的稀混合燃烧。甲醇分子中没有C-C键，燃烧中基本没有碳颗粒产生。甲醇的缺点是毒性大，对非金属材料有较大的溶涨作用。甲醇燃料发动机排气中含有较多的未燃甲醇和甲醛等有毒物质，需要进一步研究催化转化技术。
4．结论及前景的展望
含氧燃料在内燃机上的应用具有替代石油、节能和环保等多方面的重要意义，国内外研究已经取得了重大进展。在单一甲醇燃料发动机的研究方面，尚需对冷启动和排气后处理等环节开展进一步的研究工作。在柴油使用含氧燃料添加剂方面还有许多工作要做。
内燃机工作者为了进一步改善内燃机的燃油经济性以及排放性能,正在尝试一种将压燃式与点燃式发动机的优点结合在一起的新的燃烧方式,柴油机预混合燃烧就是其中的典型代表之一,该种预混合燃烧技术在国内外近几年已经成为研究热点之一,通过对预混合燃烧系统进行理论和实践上的探索,揭示预混合燃烧过程中混合气形成、着火、燃烧和污染控制的机理,提供同时降低柴油机NOx和PM排放的新途径,将有望使发动机有害排放控制理论和技术取得新的突破,从而在根本上解决这一世界上柴油机排放控制研究的难题,实现柴油机的超低排放。但是在实际应用前还必须解决如下问题:首先是着火与燃烧控制问题,应避免预混合气着火过早,控制着火始点,以达到近似等压燃烧,控制预混合燃烧可能引起的最高燃烧压力过高其二是预混合气制备方式和质量问题,在着火前形成均匀的预混气,这是实现预混合快速燃烧的另一个关键;其三是预混合燃烧的负荷适应性问题;其四是预混合燃烧系统HC和CO排放偏高的问题。