含氧物质的完整指南

内燃机基础知识

内燃机无疑是人类文明最伟大的发明之一。但是，像许多其他发明一样，内燃机引起的问题也可以说已经解决了。

ICE既可以使用汽油也可以使用柴油来运行，尽管它们也可以进行改装以使用天然气。顾名思义，汽油和柴油都是原油衍生物，它们通过燃烧使汽车行驶。像任何涉及物质燃烧的过程一样，燃烧过程会释放出各种化学物质，其中大多数是有害的。

一氧化碳和一氧化二氮是内燃机车辆造成空气污染的最大罪魁祸首，但颗粒物，未燃烧的碳氢化合物，硫和挥发性有机化合物也存在问题。

科学研究，燃油效率技术进步以及减少空气污染的法规工作以及与之相关的健康风险相结合，导致燃烧更清洁，污染更少的ICE燃料。

被称为含氧化合物的一组化学物质在该过程中发挥了重要作用。

什么是含氧化合物？

含氧化合物是含有氧作为其成分之一的化合物。尽管任何含氧化合物在技术上都是含氧化合物，但该术语通常用于在内燃机车辆中用作添加剂的化合物。

醇和醚

含氧燃料添加剂是醇（例如乙醇）或醚（其中最流行的是甲基叔丁基醚）或MTBE。

醇是包含至少一个羟基（由氧和氢组成）的多种化合物中的任何一种，并且该基团连接至烷基的碳原子上。烷基是由碳和氢原子组成的链。除了化学特异性外，由于其多功能性，醇是有机化学中的重要基团：它们可以衍生自多种其他化合物并转化为多种其他化合物。

醚是具有一个氧原子连接两个烷基的化合物。像酒精一样，醚在结构上与水相似。醇和醚之间的区别在于，在醇中，水分子中的一个氢原子被烷基取代，而在醚中，水分子中的两个氢原子都被烷基取代。

含氧化合物的历史

在汽车工业的早期，汽车嘈杂，引擎也不是很强大。内燃机作用的产物烟尘和一氧化碳的排放也很丰富。为了解决电力和污染问题，通用汽车公司建议在汽油中添加铅。这种情况发生在20世纪初期，不久之后铅就成为汽油的标准添加剂。

导致铅的问题很快就开始出现。当标准石油工厂的工人开始出现幻觉时，他们的声名狼藉，其中几人死亡。一些科学家呼吁对铅添加剂行业进行更严格的审查，并指出金属的毒性历史。数十年来，随着通用汽车公司资助了大多数铅的健康危害研究，辩论一直在进行。直到1970年代，随着《清洁空气法》的通过，汽油中的铅含量才开始减少。

这种减少最终将导致从燃料中消除有毒化合物的减少，必须用其他化学药品来补偿，以避免不可避免地降低发动机功率。

发动机中的氧气会做什么

无添加剂汽油的主要问题包括所谓的发动机爆震和排放。爆震是指在存在火花的情况下与空气混合时，燃烧室（气缸）中的燃料过早爆炸。

先向汽油中添加铅，然后向其添加含氧化合物，以防止这种过早爆炸。这种过早的爆炸影响了发动机的动力，因为它干扰了汽油的燃烧过程。含氧化合物可提高汽油的抗爆震性，以辛烷值衡量。辛烷值越高，燃烧室内汽油的燃烧越平稳，汽车的功率也越大。

过早的爆炸还会产生更多的烟灰，因为燃料不能完全燃烧。它还生产更多的一氧化碳。在汽油中添加含氧化合物可改善氧气在燃料中的溶解度，从而使其燃烧效率更高（更完全）。反过来，这减少了烟尘和一氧化碳的排放。而且，添加剂中的氧气取代了汽油中的某些成分，例如苯和硫，否则这些成分会作为污染性废气释放出来。

这在寒冷的冬季尤其重要，因为低温会导致较高的一氧化碳排放。这就是为什么所有美国州都有严格的冬季含氧燃料计划的原因。

含氧化合物的类型

汽油含氧化合物

汽油中使用的含氧化合物添加剂在酒精和醚基团中都最广泛。

酒类

到目前为止，最流行的酒精含氧化合物是乙醇。通常需要将排放法规添加到汽油中，这是一种生物燃料。从化学上讲，乙醇是一种含氧化合物，这就是为什么它在本指南中应有的地位。

乙醇是酵母发酵的产物，更具体地说，是淀粉和糖在以下几种植物之一中的发酵：玉米，甘蔗和甜菜。在美国，玉米是其中无可争议的领导者。在世界的其他地方，甘蔗和甜菜是最流行的，因为发酵糖以制造酒精比发酵淀粉更快，玉米也是如此。

近年来，乙醇的替代发酵工艺出现了。该过程不仅涉及淀粉和糖的分解，还涉及纤维素的分解。该工艺的产物称为纤维素乙醇，它可以使用任何废物原料，包括草和树状物，这使其在原料方面更加灵活。缺点是最终产品的数量比标准酒精发酵少得多。这就是为什么纤维素乙醇尚未成为标准乙醇的竞争者的原因。

除乙醇外，汽油中使用的其他醇氧化物包括甲醇（最简单的醇）和两种丙烯衍生物（正丁醇和叔丁醇）。另一种常见的汽油含氧化合物是异丙醇，也是由丙烯生产的。

醚类

直到最近，最流行的醚含氧化合物是甲基叔丁基醚（MTBE）。顾名思义，MTBE是由甲醇制成的，就像另一种醚氧化物，叔戊基甲基醚（TAME）一样。汽油的其他常用醚-乙基叔丁基醚（ETBE）和叔戊基乙基醚（TAEE）由乙醇制成。

醚可以由石化原料或可再生物质制成。它们被认为是优于醇类的含氧化合物，能够实现更高的辛烷值，这就是为什么一开始将MTBE精确地用作辛烷值增强剂来代替铅的原因。

然而，醚还降低了一氧化碳和部分燃烧的碳氢化合物的有害排放，这使其非常适合用作氧化物。汽油中MTBE的使用量一直在增长，因为精炼商比其他添加剂更喜欢MTBE，因为它的经济性质以及作为辛烷值促进剂和减排剂的强大性能。然而，事实证明，尽管MTBE减少了CO2和未燃烧的碳氢化合物的排放，但经常增加了氮氧化物的排放：氮氧化物也是一种有毒物质。

MTBE争议

已经有许多研究发现了地下​​水中MTBE的痕迹-其中一些是饮用水的来源。对该化合物的进一步研究表明，它可以安全地用作汽油中的氧化剂，需要更多的数据来确定可能与人类摄入MTBE污染水有关的实际健康风险。

但是，在1990年代后期，美国精炼厂开始逐步淘汰MTBE的生产，迄今为止，该国的MTBE产量仅相对较小。炼油厂使用无毒的乙醇代替汽油中的MTBE。

柴油含氧化合物

由于汽油发动机和柴油发动机之间的操作不同（汽油发动机中的火花点火与柴油发动机中的空气压缩），可用于每种燃料的含氧化合物也存在差异。尽管某些醇和醚与柴油的氧化物相容，但与柴油燃料最相容的化合物是脂肪酸酯。

脂肪酸酯是通过将脂肪酸与醇结合制成的化合物。其中最著名的是生物柴油，它是由回收的食用油，动物脂肪和多种其他油制成的。生产过程涉及从油脂中去除甘油，从而使化合物正式称为甲酯。

然而，酯的十六烷值往往较低：在燃烧室中开始自动点火燃料与开始点火之间的时间间隔。较重的醚和醇具有较高的十六烷值，因此也可以为柴油发动机提供良好的含氧化合物。

柴油含氧化合物的一般规则是，含氧添加剂中的烷基链越长，效果越好。其原因是，较重的醇和醚比分子量较低的醇和醚更致密，具有较高的沸点和较高的粘度，并且挥发性和易燃性较低。

这也是为什么乙醇不适合用作柴油的良好氧化剂，而甲醇也不适合。两种碱性醇均具有低分子量，这使得难以保持燃料和含氧化合物所处的乳液状态。此外，乙醇损害了柴油的某些性能，这构成了安全隐患：降低了汽油的闪点。与其他含氧化合物相比，它还可以在更宽的温度范围内燃烧。

与汽油发动机不同，柴油发动机最大的排放问题是一氧化二氮和颗粒物。仅向柴油添加1％氧气的含氧化合物最多可减少67％的颗粒物。如果燃料中的氧气含量足够高，则可以完全消除颗粒物的排放。

重新配制的汽油

1990年，国会通过了《清洁空气法》的一系列修正案之后，就开始了一项旨在调整汽油含量以减少危害的计划。重新制定的汽油计划针对的是该国污染最严重的地区，涉及了几乎三分之一的汽油供应。重新制定配方的目的是减少由于燃烧燃料，一氧化二氮和其他污染元素而释放的挥发性有机化合物的含量。

迄今为止，添加了含氧化合物的常规汽油的质量与重新配制的汽油几乎没有区别，这主要是由于过去30年通过的其他排放法规对汽油质量的要求越来越严格。燃油效率的提高也有助于传统汽油和新配方汽油之间的质量融合。

当前含氧量统计

如今，美国每月生产超过3100万桶的燃料含氧化合物。其中大部分是乙醇。其2019年的平均月产量徘徊在3000万桶左右。2019年，甲基叔丁基醚（MTBE）的月平均产量超过170万桶。2019年生物柴油产量徘徊在每月1.5亿加仑左右。

乙醇是迄今为止最受欢迎和最环保的燃料含氧化合物。该国每天的总生产能力为110万桶，并且一直在增长。但是，随着市场接近饱和点，2019年的增长开始放缓。

乙醇与汽油的掺混比例很低，因为其所有优点（例如燃烧更清洁，排放更低），生物燃料也会引起发动机腐蚀。但是，有一种主要包含乙醇的混合物：E85，其中包含85％的乙醇和15％的汽油。随着燃料和能源效率的提高，将来不再可能不再需要含氧化合物，因为车辆将使用电力或可再生燃料（例如乙醇）行驶。