生物质热解油作为一种极具潜力的新型液体燃料,吸引着众多学者的目光。但由于其存在多水分、强腐蚀性以及易聚合等缺点,直接用作柴油机燃料时会出现着火困难、供油管路腐蚀以及喷油嘴堵塞等问题。因此,为了提升生物质热解油的燃油品质,以实现在柴油机上的高效应用,有必要采取合适的工艺对其进行提质处理。本文使用二氯甲烷脱除生物质热解油中的水分获得粗制生物油,然后在粗制生物油与正丁醇催化酯化反应的基础上引入2-甲基呋喃的烷基化反应获得提质生物油,比较粗制生物油和提质生物油主要组分的相对含量,优化提质工艺参数,推理其中主要的反应机理;将体积分数为5%、10%和15%的提质生物油与柴油混合制得混合燃油B5、B10和B15,分析生物质热解油、提质生物油以及混合燃油的主要理化特性参数和挥发氧化性能;结合台架试验对Diesel、B5、B10和B15进行柴油机的燃烧应用研究,以考察提质生物油在柴油机上的适用性。主要研究内容和成果如下:(1)生物质热解油催化酯化烷基化提质工艺参数影响的研究。构建生物质热解油脱水预处理及催化酯化烷基化试验装置,基于气质联用仪(GC-MS)确定粗制生物油提质前后的组分含量,运用单因素与响应面法探究温度、醇/油质量比、2-甲基呋喃添加量以及催化剂含量对提质效率的影响。对于50g粗制生物油油样,反应时间4h,在温度100℃、醇/油质量比0.95、2-甲基呋喃添加量21.74g和催化剂含量9.27%的工艺参数条件下,取得最佳的催化酯化烷基化效果。粗制生物油中不稳定的酸和醛酮类物质经提质后,含量分别下降了85.0%和80.5%,而转化为长碳链的酯、醚类稳定产物,对应地,酯、醚类物质的含量显著上升,分别占9.6%和37.8%。提质生物油的碳数基本分布在C5~C16之间,而烷基化产物的碳数分布在C11~C16之间。(2)生物质热解油的理化特性及热重条件下的挥发氧化特性研究。通过合适的试验测量或经验公式计算得到生物质热解油、提质生物油以及混合燃料的酸值、黏度和低热值等理化特性参数。与生物质热解油相比,提质生物油的酸值和黏度分别下降了82.7%和16.7%,低热值提高了53.1%;混合燃油B5、B10和B15的酸值和黏度依次上升,低热值依次下降。在空气氛围下,开展了几种燃料的热重挥发及氧化特性试验。与生物质热解油相比,提质生物油失重始点温度上升了6.2℃,失重终点温度下降了5.8℃,且提质生物油在高温阶段燃烧形成的积碳量较少;与柴油相比,B5、B10和B15的失重始点温度依次下降了1.9℃、4.0℃和6.6℃,失重终点温度依次上升了1.6℃、3.5℃和5.3℃,混合燃油在低温区的挥发与氧化进程加快,但在高温区的燃烧氧化则略有延缓。(3)不同比例提质生物油/柴油混合燃油的经济性分析。在转速n=1800r/min的不同负荷工况下,比较分析Diesel、B5、B10和B15的当量比燃油耗和有效热效率。在相同负荷工况下,随着提质生物油混合比例增加,混合燃油B5、B10和B15的当量比燃油耗逐渐增多,有效热效率逐渐降低。这主要是由于混合燃油中含有一些汽化潜热较大的低沸点组分,降低了燃烧开始前的缸内温度,同时其中一些重质组分不易燃烧,延缓放热并拉长了燃烧持续期,燃烧释放的热量利用率下降。此外,在低负荷工况下,由于缸内温度较低,混合燃油中不易燃组分延长燃烧持续期的效应愈加明显,燃烧放热愈加远离上止点,因此与高负荷工况相比,4种燃油的当量比燃油耗和有效热效率的差异较大。(4)不同比例提质生物油/柴油混合燃油的燃烧特性分析。在转速n=1800r/min的不同负荷工况下,测量柴油机燃用Diesel、B5、B10和B15的缸内压力并计算放热规律。在相同负荷工况下,随着提质生物油占比增加,混合燃料的燃烧始点逐渐提前,滞燃期逐渐缩短,预喷燃油引发的初期燃烧放热峰和缸内压力峰依次下降,而主喷燃油燃烧对应的瞬时放热峰和缸内压力峰依次上升。这主要是由于混合燃油中含有一些着火性能较好的长碳链组分,使得燃烧提前,初期燃烧放热峰较小,但有效提升了缸内基础温度,促进主喷燃油的油气混合与燃烧;加之提质生物油中低沸点组分有利于形成更多的可燃混合气,以及未燃烧殆尽的预喷燃油耦合主喷燃油继续氧化燃烧,使得主燃烧的缸内压力峰依次上升。此外,由于不同负荷燃烧过程优化控制策略不同,与100%负荷工况相比,50%负荷工况的燃烧相位略晚了10°CA左右,且采用较大的预喷油量,对应地初始燃烧放热峰也较高。(5)不同比例提质生物油/柴油混合燃油的排放特性分析。在转速n=1800r/min的不同负荷工况下,测量柴油机燃用Diesel、B5、B10和B15的废气排放性能。在相同负荷工况下,混合燃油B5、B10和B15的HC、CO和碳烟排放依次升高,而NO_x排放先升高后下降;其中B5、B10的HC、CO和碳烟排放低于柴油,B15的HC、CO和碳烟排放高于柴油,而B5、B10和B15的NO_x排放均高于柴油。一方面,混合燃油中的含氧组分在燃烧过程中提升了氧化反应的完全程度,但另一方面,不易燃烧组分在燃烧过程中减缓了燃烧氧化速度,降低了缸内温度,延长了燃烧持续期,这些因素共同造成了提质生物油/柴油混合燃油的排放特性。此外,在低负荷工况下,由于循环喷油量少,缸内温度较低,抑制了HC、CO的进一步氧化,且不易形成NO_x和碳烟,因此相比在高负荷工况下,4种燃料的HC和CO排放差异较大,而NO_x和烟度排放差异较小。