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乙醇—汽油混合比例对SI发动机NO_X排放量的影响

随着全球排放法规越来越严格，低油耗需求的不断增长，以及人为的二氧化碳排放量等问题的出现，需要通过努力，提高燃烧效率，同时还要满足排放方面的质量要求。将乙醇燃料与汽油掺合使用，提供了一种特别有希望，但同时又具有挑战性的途径。乙醇作为替代燃料被广泛使用，或作为汽油的一种有效的添加剂，由于其具有辛烷值高和不断循环供给的优点，它的来源可以考虑不通过化石燃料获得。其结果是，该方法已被广泛地研究，研究其对发动机性能和排放的影响。

本文的第一部分，讨论了燃料乙醇作为汽油的替代品的前景。然后对乙醇与汽油的物理化学性质进行了比较。在乙醇和汽油燃料之间，性质的细微差别足以产生燃烧系统产生相当大的变化，并影响SI发动机的性能。这些效应产生了一些复杂且相互作用的机制，这导致识别乙醇是如何影响NOx排放的基本原理，有一定的困难。在此之后，对NOx的形成机制进行了讨论，进一步讨论了其基本原理。最后，论文讨论了不同的燃料组合物，发动机参数和发动机改进等，对氮氧化物的组成影响，以及预测使用乙醇产生NO_X排放量的数学方法。

1.介绍

导致能源消耗量不断增加的趋势的原因，主要有两个：生活方式的改变和人口的显著增长。目前，能量供给的主体部分由石油基矿物燃料提供；然而，由于它们来源于地球，数量有限。在二十世纪，研究重点是利用化石原油、煤炭、炼制后产生的天然气以获取便宜的化石原料，以满足人口日益增长的需求。在21世纪，温室气体对环境的排放量增加，同时石油储备下降，对未来能源的安全产生了负面影响。化石燃料的燃烧对二氧化碳排放量有着重大影响，这直接导致了全球变暖。每年全球由人类活动所产生的二氧化碳约250亿吨。因此，目前的研究主要集中在，为经济和社会的可持续发展，寻找替代能源。化石燃料仍占能源供应总量的80％，而生物燃料的贡献仅为1％。

迄今，所用的主要替代燃料包括，含氧化合物（醇，醚等）、植物油和它们的酯、气体燃料（氢气，液化石油气等）、气体至液体（GTL）和煤的衍生物。其中，乙醇已引起了全世界的关注，其作为一种替代汽车的燃料，具有潜在的用途。使用乙醇作为燃料，并不是一个新的概念。1826·莫雷开发出了使用乙醇启动的引擎。将乙醇与柴油混合，是20世纪80年代研究的主题。在那个时候，结果表明，乙醇混和物作为现有的发动机的燃料，技术上是可接受的。然而，当时的乙醇的生产成本相对较高，阻碍了其正常使用，仅仅使其作为燃油短缺时的备用燃油。但是，今天的经济已为生产乙醇提供了更为有利的条件，使之能够与标准石油燃料做竞争。

乙醇是一种绿色燃料，因为甘蔗作物生长吸收CO₂，从而促进温室气体（GHG）的减少。最近，乙醇已被广泛用作燃料添加剂，或作为火花点火（SI）发动机的替代燃料，并用于柴油发动机中，因为它的辛烷值高，且为清洁燃烧的燃料。在SI发动机中，乙醇燃烧还降低了一氧化碳（CO）、烃（HC）等的排放量，但是，许多研究人员在NOx排放量方面的研究结果不一致。环境保护署（EPA）列出的污染物中，NOx是能够严重影响呼吸系统的污染物之一。由于乙醇使用量已大大增加了，NOx排放可能成为影响其市场拓展的一个显著的障碍。

本报告的目的，是提供对SI发动机燃烧乙醇的当前状态，进行详实的文献综述，并指导如何持续研究使用乙醇氮氧化物减排技术。此前，许多研究人员的工作，重点在于乙醇生产及其在汽油发动中的使用。许多评论文章也阐述了不同的生物燃料的NOx排放问题。本文只关注在汽油发动机用的乙醇，与NOx排放的问题。在许多已发表的乙醇用作SI发动机替代燃料的研究，将在下一步进行总结，以解释使用乙醇汽油导致氮氧化物的排放量有何潜在变化。然而，也部分解释内容相当不一致，导致其基础理解不完整。

2.燃料乙醇作为汽油的替代品

乙醇（C₂H₅OH）是一种生态燃料，因为它是从可再生能源中获得的。它是一种无色、透明、中性、易挥发、易燃的氧化液态烃，具有刺激性气味，燃烧时有刺鼻的味道。但目前，生物乙醇和汽油的共混物，在燃料喷射发动机的车辆中更为常见。生物乙醇和乙醇几乎是相同的产品，它们具有相同的分子量和结构式，并且是相同的物质。换句话说，生物乙醇只是普通乙醇，是从植物中提取的糖生产出来的。通常情况下，它是从各种原料，如甘蔗、甜菜、高粱、谷物、柳枝稷、麦、麻、槿麻、土豆、红薯、木薯、太阳花、水果、糖蜜、玉米、秸秆、谷物、小麦、稻草、棉花等物质生产出来的，多种类型的纤维素废物和作物也可以生产。

通常，乙醇或生物乙醇比碳氢燃料如汽油，更具有反应活性。它包含极性馏分的羟自由基，以及非极性馏分的碳链。因此，它可以容易地溶解于非极性（例如汽油）和极性（例如水）的物质。因为乙醇的再生和可生物降解的特性，它被广泛地用作替代燃料。在过去的几年中，在世界许多国家，正使用含3-10％（体积）的生物乙醇汽油。SI发动机使用纯乙醇，引擎需要进行一定的改装。因此，低乙醇浓度的共混物通常使用在没有进行引擎改装的SI发动机中。表1和2列举了使用乙醇汽油的优点和缺点。

世界范围内，在原料方面，生产的乙醇可分为三大类：

1．乙醇从含有蔗糖的生物质，例如甘蔗、甜菜、甜高粱和水果中制取。

2.乙醇从含淀粉的生物质如玉米、高粱、小麦、水稻、马铃薯、木薯、甘薯和大麦中制取。

3.乙醇从木质纤维素生物质，例如木材、稻草、禾草中制取。

从上述原料制备的乙醇分成以下两组：

1．首先代生物乙醇，由从生物淀粉和含有蔗糖中获得。

2．第二代生物乙醇，从木质纤维素物质中获得。

表格1

燃料乙醇汽油上的优势。

乙醇是一种可再生的燃料。

乙醇可以减少石油进口，改善国际收支的平衡，提高国家能源安全，减少对从世界不稳定地区石油的依赖。
如果生物乙醇生产便宜，可以减少对化石燃料和化石燃料价格增长的需求。
生物乙醇可以为原料，拉动更强的需求量，从而提升农产品价格和生产者的收入。
乙醇具有高辛烷值。
乙醇具有更高的潜热，增加容积了热效率。
乙醇在燃烧过程提供了更多的氧气，这有助于燃烧完全。
乙醇蒸汽压力较低，降低了蒸发排放。
乙醇具有较高的层流火焰传播速度，使燃烧过程结束更早，扩大它的可燃性限制。
乙醇增加热效率。
乙醇增加发动机扭矩输出。
乙醇允许使用高压缩比且没有爆震。
氧化产物的排放更清洁。
乙醇是在直接喷射汽油发动机中使用，避免了爆震。
乙醇燃烧显著减少了温室气体排放量。
乙醇-汽油容易互溶。
乙醇被广泛用作汽油充氧部分。
乙醇比汽油毒性低。

表2 燃料乙醇汽油的缺点

乙醇能量含量较低。
乙醇蒸汽压力较低，可以产生不受管制的污染物，如醛的排放。
乙醇的使用可以增强对铁构件，如油箱的腐蚀.

乙醇是一种三原子分子，导致其具有更高的气体热容量，和较低的燃烧气体的温度。

低蒸气压，使起动发动机冷启动困难。

生物乙醇的生产，是通过葡萄糖的糖类和淀粉的生物发酵获得的。生产乙醇有两种主要方式：一种是酒精形成的，另一个是乙烷与蒸汽反应后产生的。

世界乙醇汽油生产量，在过去的十年中稳步增加。在2012年，共生产乙醇燃料达850.985亿升。美国是全球最大的乙醇生产商，在全球拥有总生产量的88.4％。燃料乙醇生产已显著增加，因为许多国家正在寻求减少石油进口，推进农村经济，改善空气质量。在世界上的许多地方，例如欧洲联盟，巴西，泰国和加​​拿大，均使用乙醇燃料。巴西政府自1976年以来一直使用乙醇，他们有两种方法推广乙醇的使用：一种是强制使用乙醇汽油作混合燃料，另一种是扩大弹性燃料轿车的市场。大约有90％销往巴西的弹性燃料发动机的新车，使用的汽油中含有20-25％的无水乙醇。许多国家已经实施，或执行了用于加入乙醇汽油的方案。大部分车辆使用用高达10％的乙醇掺配燃料。此外，制造商设计的车辆具有更高的乙醇混合比例。

3 物理化学性质的比较

物理和化学性质显示了燃料在发动机中燃烧的质量。发动机的燃烧质量、性能和排放特性取决于这些性质。乙醇和汽油的比较现介绍如下：
1.乙醇热值比汽油低大约1/3倍。因此，为了达到同样的发动机功率，输出量越多，所需的乙醇越多。
2.乙醇34.​​7％（重量）的氧含量，促进燃烧效率以及高的燃烧温度。
3.乙醇汽化热比汽油更高。因此，蒸发需要更多的热量，要从缸内环境吸收。这反过来又增加了发动机的容积效率。
4.乙醇比汽油具有稍低的密度，因此容积式燃油泵注入乙醇，比汽油燃料的质量小。
5.乙醇没有单 - 芳基或聚芳族烃。
6.乙醇低C / H原子比减少了绝热火焰温度。

7.乙醇具有比汽油高辛烷值（ON）。辛烷值越高，在引爆之前需要更多的压缩的燃料。过早燃料点火可能会损坏发动机，这是较低的辛烷值燃料的普遍现象。
8.乙醇比汽油具有更高的层火焰传播速度，这使得燃烧过程可完成较早，从而提高发动机的热效率。
9.使用乙醇汽油可以减少使用石油的成本，因为它们能产生低标号低辛烷值汽油。

4.氮氧化物的形成

氮氧化物是下列这些化合物组成的混合物：一氧化氮（NO），二氧化氮（NO ₂），氧化亚氮（N₂O），三氧化二氮（N₂O₃），四氧化二氮（N₂O₄）和五氧化二氮（N₂O₅）。其中，一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO ₂）含量最多。其他五种氮氧化物是已知存在，但含量低。一氧化氮是一种无色，无味的气体。其周围浓度通常远低于0.5ppm的。二氧化氮是一种腐蚀性、有毒和淡棕色的气体，有足够的含量时非常明显。在气缸内的的氮分子高温氧化，是形成副产物NOx的原因。燃料形成氮氧化物的NOx与N₂O中间机制途径，在这里讨论。

热NOx

在燃烧过程中，在温度高于1800 K时，球形氮气与氧气通过一系列被称为泽利多维奇机制化学步骤反应。热NOx形成的这种机制，被认为是总的NOx的主要贡献者。该方程。（4） - （6）是用于热NOx形成的基本动力学方程。
O N2harr;NO N（4）
N O2harr;NO O（5）
N OHharr;NO H（6）
在第一个步骤确定NOx生成，因为它需要高的温度，由于其高活化能（314 KJ /摩尔）进行。 NO产生比烃的氧化的速度慢，NO的生成速度可以用公式编写。这里k和K为反应常数，t是时间，而T是绝对温度。代表强烈的温度不形成率的依赖。高温，高浓度的氧，而且在高NO生成率停留时间较长的结果。

快速型Nox

第二个机制，导致NOx形成的存在，是由费尼莫尔第一个鉴定网络和被称为“快速型NOx”。在烃燃料的燃烧，一些NOx在迅速形成热NOx之前，在层预混火焰区，这被称为快速型NOx 。一个很好的证据表明，快速型NOx可以在某些环境下燃烧且有一个明显的结构；如在低温，富燃料条件并且其中停留时间短。实际形成涉及一系列复杂的反应。通常，在低温（低于750 C）和富燃料条件下，氮分子反应与烃基形成胺或氰基化合物。在这之后，这些含氮的片段与大气中的氮反应以形成NO。快速型NOx是通过以下的反应通常形成。
CH N2harr;HCN N（8）

CH 2 N2harr;HCN NH（9）

N O2harr;NO O（10）

HCN OHharr;CN H2O（11）

CN O2harr;NO CO（12）
在这里，CH和CH₂的贡献是明显的，形成快速型NOx方程8.9。快速型氮氧化物比热氮氧化物对燃料化学更为敏感，因为烃片段对热氮氧化物的依赖。HCN的量随烃自由基的浓度，随增加量比提高而增加。具有增加量比提高的NOx逐层的增加，然后达到峰值并且因为氧气不足的减小。相比热NOx的形成，快速型NOx的贡献是在整个燃烧系统更小。然而，在燃烧模型研究，在不考虑快速型NOx机构，总NOx被低估。

中间N2O

NOx的形成通过此途径，相比费尼莫尔在高压和低空气 - 燃料比或低温状态，是另一重要的燃烧过程机制，并以相关的热NO机构形成的NOx的贡献很小。此NOx的三个步骤示于方程（13） - （15）。
O N2 Mharr;N2O M（13）

H N2Oharr;NO NH（14）

O N2Oharr;NO NO（15）

这里，M是能完成此反应的第三主体。反应速率强烈依赖于0，OH和H径向浓度，这使得满足富氧条件或贫油条件的机制。

燃料型NOx
当在燃烧过程中的含氮燃料的化合物被氧化成氮氧化物，燃料型NOx形成。燃料型NOx增加与燃料的含氮量有关。而且，这是共同与烃及其化学动力学的氧化相关。然而，在汽油或乙醇燃料中的氮含量是非常低;因此燃料NOx的形成可以忽略。

乙醇汽油混合对NOx排放影响

在SI发动机上做了相关的研究，并使用纯乙醇或乙醇-汽油混合作为燃料，在弹性燃料汽车上测试。结果部分显示，在乙醇和汽油之间性质存在一些不同之处。这些性质可以在燃料消耗、燃烧速度、燃烧温度、质量燃烧烧分数等，以及NOx排放方面影响。许多文献表明，乙醇NOx排放增加。相反的趋势也被很多研究者观察。很少有文献在乙醇NOx排放也发现不规则。在本节中，氮氧化物的排放的原因，将在乙醇-汽油混合物部分进行讨论，强调不同的燃料混合物，不同的发动机参

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