生物柴油的原料多元化，制备出的生物柴油理化特性也大不相同，因此其污染物排放特性需进一步研究。本文利用基于消光法标定的激光诱导炽光技术来测量一系列生物柴油的碳烟体积分数，以探究含氧生物燃料与传统柴油掺混后的基础碳烟排放特性。结果表明，纯含氧生物燃料的碳烟体积分数峰值较低，仅为传统柴油的7.1%~30.5%。碳烟的形成随着生物柴油掺混比例增加而呈下降趋势，与含氧燃料掺混传统柴油的碳烟排放特性一致，而不饱和度较高的生物燃料更倾向于更多的碳烟排放。生物柴油产生的粒径颗粒相对较小，比传统柴油小了大约9.5%~41.3%。碳烟颗粒物形貌方面，生物柴油与传统柴油均呈现出团簇结构，而高饱和度的生物柴油产生的碳烟颗粒粒径相对较大，但数量密度较低。

生物柴油作为一种新型的清洁能源被越来越多人重视。现有利用化学法制备生物柴油方法, 普遍存在反应时间长, 能耗大, 环境污染严重等缺点。针对以上缺点, 设计了一种新型连续流的微波反应器用于制备生物柴油, 通过 COMSOL Multiphysics软件, 将电磁场、化学反应动力学、层流和传热传质进行多物理场耦合来模拟反应过程, 通过分析反应物流速对温度的影响, 盘管匝数、盘管螺旋尺寸以及腔体尺寸对能量利用率的影响, 整体优化反应器结构尺寸, 实现了 93.7%的微波能量利用率。

生物柴油是典型的“绿色能源”, 具备良好的环保性和燃料特性, 通常与柴油混合使用在柴油发动机上。 但是目前世界各国柴油与生物柴油混合的比例标准参次不齐, 没有一个统一的标准, 并且不同比例的柴油/生物柴油混合物具有不同的燃烧性能, 也会对柴油发动机产生一定程度的影响。 为了能够快速、 准确的测量柴油/生物柴油混合物中的生物柴油浓度, 近红外光谱和拉曼光谱在燃油检测方面已经得到广泛的应用。 利用拉曼及近红外光谱对柴油/生物柴油混合物中的生物柴油浓度进行了量化分析研究。 首先采集了柴油/生物柴油混合燃油的拉曼光谱及近红外吸收光谱, 然后利用平滑、 基线校正、 归一化等方法对采集到的光谱进行预处理。 从光谱图中观察到, 在柴油/生物柴油混合物的拉曼光谱和近红外光谱中都有CO特征光谱区域, 且该光谱区域的光谱峰都随生物柴油的浓度增加而越来越明显。 拉曼光谱中, 随生物柴油浓度变化的主要CO特征光谱区域是在1 743 cm-1位置处的特征峰, 在近红外光谱中, 随生物柴油浓度变化的主要CO特征光谱区域是在4 659 cm-1处的特征峰。 然后分别根据强度比方法和偏最小二乘(PLS)回归方法建立了相应的混合燃油中生物柴油浓度预测模型。 结合强度比方法建立特征峰强度比的生物柴油浓度预测模型, 由混合燃油的拉曼光谱和近红外光谱建立的CO特征峰线性预测模型相关系数分别为0.947 2和0.996 2; 结合偏最小二乘(PLS)回归法建立特征光谱区域的生物柴油浓度预测模型, 由混合燃油的拉曼光谱和近红外光谱特征区域建立的相应预测集相关系数(R2)分别为0.981 5和0.991 2, 相应的预测均方根误差(RMSE)分别为0.093 7和0.012 9。 结果表明, 在混合燃油中, 使用近红外光谱中的CO光谱区域建立的生物柴油浓度预测模型会得到更准确的预测结果。

为研究同时运用废气再循环(EGR)技术和燃用生物柴油对柴油机排气颗粒纳米结构的影响, 分别采集0%, 15%, 30% EGR率下186F柴油机燃用生物柴油时的排气颗粒, 并用激光拉曼光谱仪测得颗粒光谱, 使用五带法对一阶拉曼光谱进行拟合, 分析拟合曲线参数, 计算颗粒微晶尺寸和碳碳键长度。 结果表明: EGR率为30%时, 生物柴油颗粒光谱的半高宽(FWHM)最大, 代表化学异相性最强并且颗粒中的物质种类最多, 随着EGR率降低, 半高宽逐渐减小; 当EGR率从0%升高到30%, ID/IG逐渐增大, 代表石墨化程度降低, 颗粒中的石墨结构减少; 同时, ID1/ID2从0% EGR率的8左右降低到15%和30% EGR率的4左右, 代表EGR率升高, 颗粒内部缺陷由空位缺陷向石墨烯边缘缺陷发展; 随着EGR率升高, 微晶尺寸逐渐减小, 碳碳键长度基本不变。

为了进一步降低柴油机燃用生物柴油的颗粒排放, 利用激光拉曼光谱技术, 研究了柴油机应用废气再循环（EGR）前后, 燃烧柴油（B0）、 生物柴油（B100）及其调和油（B50）的颗粒微观结构, 采用五带拟合法对一阶拉曼光谱进行拟合, 并计算了颗粒石墨微晶尺寸和石墨晶格C—C键长。 结果表明: 随着生物柴油掺混比的增加, 颗粒D1带的半高宽增加, 颗粒化学异相性增强; ID1/IG逐渐减小, 颗粒中有序石墨结构含量增加, 石墨化程度提高。 引入EGR会使得颗粒D1带的半高宽增加, 颗粒化学异相性增强; ID1/IG升高, 颗粒有序石墨结构含量减少, 石墨化程度降低, B0, B50和B100颗粒的ID1/IG在应用EGR前后分别降低了约8.5%, 10.6%和11.8%。 六种颗粒的缺陷类型主要属于石墨烯层边缘缺陷, 掺混生物柴油和引入EGR均会使得颗粒碳层边缘缺陷浓度增加, 颗粒中挥发性有机物的官能团含量增加, 增强了颗粒氧化活性。 掺混生物柴油使得颗粒石墨微晶尺寸增加, EGR使得颗粒石墨微晶尺寸减小, 生物柴油和EGR对柴油机颗粒石墨晶格C—C键长影响不大, C—C键长约为0.142 nm。

生物柴油光学常数在其成分的定量定性分析、与柴油的混合水平判断以及辐射吸热机理研究等方面具有重要应用。基于射线踪迹法推导得到光学玻璃-生物柴油-光学玻璃三层平板结构的双光程法透射率模型，实验测量了300~2500 nm 波段内生物柴油光学常数随温度的变化规律。实验结果表明，在20 ℃~60 ℃温度范围内，生物柴油折射率随温度的升高而线性减小，吸收指数受温度影响较弱；吸收光谱在1200、1390、1750、2150 和2300 nm 处出现明显的吸收峰，其形成原因主要为C—H 键的倍频以及各原子团伸缩振动的和频作用；生物柴油吸收峰与普通植物油吸收峰的峰值位置基本相同，但数值大小有所区别。

以文冠果油通过酯交换法制备的粗生物柴油为原料, 采用柱层析进行精制纯化, 然后利用气相色谱、 GC-MS、 红外光谱和1H 核磁共振等分析产物的成分。 粗油经柱层析分离出两个馏分: 石油醚洗脱馏分(A1), 主要是由文冠果油经酯交换反应得到的生物柴油, 包括亚油酸甲酯、 油酸甲酯等； 甲醇洗脱馏分(A2)主要是甘油馏分, 是油脂酯交换反应的副产物。 结果表明: 由柱层析进行分离纯化后, 生物柴油的纯度由原来的77.51%提高到93.87%, 生物柴油的回收率也高达91.04%； 红外光谱和1H核磁共振的分析结果进一步表明柱层析能够有效地提高生物柴油的纯度, 为工业化纯化生物柴油提供了依据。

采用傅里叶变换红外光谱FTIR, 研究了汽车发动机燃用生物柴油的非常规排放物。 所用燃料分别为纯柴油、 纯生物柴油、 生物柴油掺混比为20%的B20混合燃料。 结果表明, 该机燃用纯柴油和B20燃油的甲醛排放差别不大, 纯生物柴油的甲醛排放则明显高于柴油。 燃用B20燃油的乙醛排放略低于纯柴油； 纯生物柴油的乙醛排放在中低负荷低于纯柴油, 在高负荷时高于柴油及B20燃油。 燃用B20燃油和纯生物柴油的丙酮排放要高于柴油, 但排放量均较低。 随着生物柴油掺混比例的增加, 发动机甲苯和二氧化硫均呈逐渐下降趋势, 纯生物柴油的二氧化硫排放大幅降低。 燃用生物柴油后, 发动机的二氧化碳排放有所降低, 表明了生物柴油有利于温室气体的控制。

为了实时监测生物柴油与石化柴油混合物的十六烷值，从二者的分子结构特征入手，利用密度泛函理论计算两种柴油主要成分在太赫兹波段的振动频率，并对振动模式进行指认，初步探讨了太赫兹吸收特性与十六烷值的内在联系。结果表明，生物柴油碳链末端的酯基基团是使生物柴油的太赫兹吸收和十六烷值均高于石化柴油的主要原因，二者随着混合物中生物柴油含量的增加而单调递增。建立起了不同浓度混合燃料太赫兹吸收曲线与十六烷值的对应关系模型，以此可以通过测量两种柴油及混合燃料的太赫兹光谱来预测其十六烷值。