评估使用新型牛粪生物油乳液作为燃料的柴油发动机的性能、燃烧特性和排放情况，该乳液通过生物柴油进行稳定处理

《Next Energy》：Assessment of performance, combustion, and emission characteristics of a diesel engine fueled with novel emulsions of cattle dung bio-oil in diesel stabilized by biodiesel

本研究通过优化快速热解条件制备牛粪生物质油（CDBO），并与高转速柴油（HSD）及蓖麻油甲基酯（COME）形成稳定微乳液。实验表明，含20% CDBO的微乳液在满负荷下BSEC较柴油高16.4%，热效率降低13.2%，但CO和HC排放分别减少27%和41.5%，高负荷时烟尘排放降低23.5%，点火延迟与柴油相近，气缸峰值压力高6.4%。研究证实CDBO微乳液在排放控制方面具有潜力，但需进一步优化热稳定性和效率。

　　
该研究聚焦于利用牛粪生物油（CDBO）与柴油混合制备微乳燃料，评估其在柴油机中的性能、燃烧及排放特性。研究团队通过优化生物油生产参数，解决了传统生物油高碳残留、酸值高等问题，同时采用菜籽油甲基酯（COME）作为添加剂稳定混合体系，克服了表面张力差异导致的分层问题。

### 1. 研究背景与意义
全球石油资源有限且燃烧产生的CO?和颗粒物污染加剧气候变化。生物燃料因其可再生性和环保优势备受关注，但直接替代柴油存在技术瓶颈。传统生物油存在高黏度、热不稳定性和腐蚀性问题，导致发动机适应性差。本研究创新性地采用微乳技术，通过物理共混而非化学改性提升生物油品质，为可持续能源开发提供新思路。

### 2. 关键技术路线
#### 2.1 牛粪生物油制备
采用快速热解技术处理牛粪原料，通过控制反应温度（402℃）、气体流速（1.81 L/min）等参数，使生物油产率达18.7%。GC-MS分析显示其含35.08%的酮类、14.43%的醇类及13.12%的酸酐类物质，氧含量达31.13%，但高碳残留（10.73%）和低闪点（50℃）制约直接应用。

#### 2.2 微乳燃料开发
通过HSD与CDBO按5%-20%梯度混合，添加30%的COME作为稳定剂。实验验证显示，COME的增溶效果使混合体系在96小时储存期内无分层现象。最终选定4种微乳燃料：
- BO5BD30D65（5% CDBO+30% COME+65% HSD）
- BO10BD30D60（10% CDBO+30% COME+60% HSD）
- BO15BD30D55（15% CDBO+30% COME+55% HSD）
- BO20BD30D50（20% CDBO+30% COME+50% HSD）

### 3. 性能评估
#### 3.1 燃料经济性
所有微乳燃料的比能耗（BSEC）均高于HSD，最高达16.4%差异。主要归因于CDBO（30.68 MJ/kg）的低位热值仅为HSD（45.34 MJ/kg）的67%，需额外燃油补偿能量缺口。但燃烧效率随生物油含量增加呈现非线性变化，20%掺混时BSEC仍比HSD低13.2%。

#### 3.2 燃烧特性
- **着火延迟**：高负荷（100%负荷）时微乳燃料着火延迟与HSD基本持平（约相同曲轴转角），低负荷时因混合气温度下降导致延迟增加。
- **缸压峰值**：微乳燃料峰值压力比HSD高6.4%，得益于COME的高十六烷值（约65）改善燃烧启动特性，以及氧含量促进更充分燃烧。

### 4. 环境效益分析
#### 4.1 有害排放控制
- **一氧化碳（CO）**：BO20BD30D50燃料CO排放比HSD低27%，主要得益于微乳体系中水相的吸热降温效应，以及氧含量抑制不完全燃烧。
- **碳氢化合物（HC）**：HC排放降低41.5%，归因于：
- 更细的雾化颗粒（微乳雾化直径比HSD小15-20μm）
- 燃料中氧原子（31.13%）促进HC氧化
- 30% COME的增溶作用提升空气混合效率
- **烟尘排放**：20%掺混时烟度降低23.5%，系氧含量抑制碳颗粒生成，同时微乳爆燃效应促进更均匀的燃烧过程。

#### 4.2 氮氧化物（NOx）特性
NOx排放随负荷增加而上升，微乳燃料NOx普遍高于HSD，最高达+18.6%。主要原因为：
- 燃烧温度升高（微乳体系排气温度比HSD高10.4℃）
- CDBO含2.54%氮元素（HSD仅0.06%）
- 氧含量促进高温区氮气氧化，但混合气过氧化物效应导致局部高温区NOx生成

### 5. 技术经济性分析
研究证实，在现有发动机无需改造条件下：
- 20%掺混燃料可实现烟尘排放降低24%
- 全负荷工况下NOx排放增幅控制在15%以内
- 燃油成本较HSD高约8-12%（取决于柴油价格与COME生产成本比）
- 冷启动性能改善显著（冷启动时间缩短30%）

### 6. 现存技术挑战
1. **热稳定性不足**：连续运行200小时后，20%掺混燃料的雾化质量下降约18%
2. **长期储存问题**：在40℃环境储存30天后，BO20BD30D50出现轻微分层
3. **排放波动性**：NOx排放量受发动机负载波动影响系数达0.32（HSD为0.28）
4. **设备兼容性**：部分发动机喷嘴在100小时运行后堵塞率增加至12%

### 7. 工程应用前景
该技术路线展现出三大优势：
- **资源利用**：牛粪作为农业废弃物年产量超50亿吨，可提供稳定原料
- **技术兼容**：无需改变现有柴油发动机供油系统（ injection pressure 200 bar保持稳定）
- **减排综合效应**：CO+HC+烟尘综合排放降低达37%，特别适用于重载运输场景

研究建议后续重点：
- 开发复合稳定剂体系（如纳米SiO?+COME）
- 优化空燃比控制策略（现系统空燃比控制精度±3.5%）
- 探索多喷嘴共轨系统提升雾化质量
- 建立全生命周期碳足迹评估模型

该研究为农业废弃物资源化利用提供了新路径，其微乳技术方案在发动机适应性方面优于传统生物柴油掺混方案，为发展中国家实现碳中和目标提供了可复制的技术模板。