综述：抗氧化剂添加剂在替代燃料中的作用及其对现代发动机有害排放的减少效果：近期综合性综述

《South African Journal of Chemical Engineering》：Role of Antioxidants Additives in Alternative Fuels on Hazardous Emission Reduction in Modern Engines: A Comprehensive Recent Review

　　穆罕默德·A·法亚德 | 拉娜·R·阿勒-阿尼 | 阿尔-哈米德·MAI | 穆罕默德·卡瓦·拉苏尔 | 米克达姆·T·查伊昌 | 苏哈·A·穆罕默德 | 阿马尔·S·阿卜杜勒-扎赫拉 | 威萨姆·H·阿拉维 | 卡乌拉·S·卡尚
伊拉克巴格达技术大学能源与可再生能源技术中心

**摘要**
生物柴油容易发生氧化降解，这是一个严重问题，它威胁着燃料的稳定性，并导致柴油发动机中产生更多的有害排放物，如氮氧化物（NOX）和颗粒物（PM）。本文批判性地评估了抗氧化剂添加剂作为解决这一问题的有效性。通过大量发动机测试的实验数据，当前研究表明某些合成抗氧化剂（例如叔丁基对羟基苯醌（TBHQ）特别有用。在相关文献中，报道TBHQ配方可使某些生物柴油混合物中的NOX减少多达27.9%，未燃尽的碳氢化合物减少多达71.4%，尽管也有其他研究表明其效果较低或没有效果。这些数值代表的是个别实验中的最佳结果，并受到发动机类型、运行条件和燃料配方的影晌。抗氧化剂还能显著提高燃料的稳定性，某些配方甚至能使氧化起始温度提高超过20°C。本文得出结论，选择合适的抗氧化剂类型及其浓度最为关键，合成抗氧化剂通常比天然抗氧化剂更优。此外，本文还通过对多种抗氧化剂和生物柴油原料进行了定量比较分析，并将抗氧化剂化学性质与排放结果联系起来，为开发下一代低排放生物燃料混合物提供了重要指导。由于不同研究在发动机配置、测试程序和燃料成分方面存在很大差异，所报告的减排百分比不能视为绝对普遍的现象，而应视为一个范围。

**1. 引言**
为减少内燃机污染物，人们提出了多种替代燃料和燃烧技术，包括燃料重新配方、优化燃烧条件、提高喷射压力和喷射时机、废气再循环（EGR）、水/乳化燃料喷射、催化氧化、柴油光重整、气体/蒸汽-氧气燃烧以及低温燃烧（Yusoff等人，2021年；Chaichan，2018年）。大多数用于发动机的技术已在其他研究中得到充分分析，通常涉及硬件的大规模改造、复杂的控制系统或基础设施及燃料供应的调整。相比之下，抗氧化剂添加剂可以直接添加到现有的生物柴油和其他替代柴油燃料中，对现有发动机和分配系统的修改要求很小，同时还能提高氧化稳定性并控制排放（NOX、PM、HC、CO）。然而，许多减排技术（如EGR系统、重新设计的燃烧室、后处理系统）需要大规模的硬件改造、先进的控制策略或燃料基础设施的重大改变，因此其在发展中国家的应用受到限制。此外，EGR或水/乳化燃料等方法虽然可以减少NOX，但可能对颗粒物排放、燃油经济性或发动机长期耐用性产生不利影响。

抗氧化剂添加剂可以直接混入生物柴油和其他替代柴油燃料中，通过现有的生产和分配渠道使用，同时解决两个相互关联的问题：提高储存和运行过程中的氧化稳定性以及影响内燃机中的NOX和PM生成。因此，本文重点研究替代燃料中的抗氧化剂添加剂及其对燃料稳定性和排放特性的影响。上述其他燃料途径仅作为背景简要讨论，不在本文详细分析范围内。其中，无需对发动机进行重大硬件改造即可采用的燃料侧方法尤其值得关注；近年来，针对生物柴油和其他替代柴油燃料的抗氧化剂添加剂越来越受到重视，因为它们既能改善燃料稳定性又能减少排放。在明确了关键硬件和燃料侧选择后，下一步是确定能够增强生物柴油稳定性和减少现有内燃机排放的抗氧化剂添加剂。

本文旨在讨论各种抗氧化剂添加剂在替代柴油燃料（生物柴油、废弃烹饪油生物柴油和氢生物柴油双燃料）中的作用，并批判性地评估这些添加剂对内燃机氧化稳定性和排放减少的影响。鉴于全球迫切需要减少交通运输中化石燃料燃烧造成的空气污染和温室气体（GHG）排放，这一主题尤为重要。道路和非道路柴油发动机仍然是NOX、PM和二氧化碳（CO2）的主要来源，尤其是在无法实现完全电气化或快速更换车队的地区。在这种情况下，像生物柴油这样的含氧替代燃料确实可以降低生命周期内的CO2排放，但如果配方不当，可能会增加发动机排放的NOX。因此，抗氧化剂添加剂成为同时提高生物柴油稳定性和减少现有压缩点火发动机排放的有前景且实用的方法。

为了实现这一目标，首先需要了解评估氧化稳定性的标准和测试程序的发展情况，以及它们在指导抗氧化剂选择方面的不足之处。近年来，随着抗氧化剂在缓解上述问题方面的潜力日益凸显，其开发和应用已成为研究重点。2008年国际生物柴油质量标准的建立标志着监管进展的一个重要里程碑，该标准将氧化稳定性作为生物柴油质量的最关键指标。FS TBIOX和Rancimat方法是评估这一质量特征最常用的方法（Elgharbawy等人，2021年；Lüneburger等人，2022年）。然而，目前尚未建立针对生物燃料抗氧化剂作用机制的标准（Rodrigues，2021年）。此外，FS-TBIOX和Rancimat方法测得的氧化稳定性指数存在差异，表明这两种方法之间缺乏强相关性。有些生物柴油样品在一个方法中通过了最低诱导时间，但在另一个方法中却表现不佳或稳定性存在差异（Rodrigues，2021年；Akhihiero，2020年）。这种不一致性表明这些方法检测的是氧化过程中的不同现象，在比较或制定共同稳定性标准时应谨慎。目前还没有足够详细的描述来定义最佳抗氧化剂。

满足抗氧化剂的标准有很多，其中最重要的是技术、商业和法规方面的要求。枯烯法也是一种值得关注的方法，因为它提供了一种替代的氧化稳定性衡量方式，可用于评估生物柴油配方和抗氧化剂处理的预期使用性能（Akhihiero，2020年）。生物柴油的氧化不稳定性是由于脂肪酸作为弱还原剂容易氧化，这是由于直接的化学路径和生产趋势的自然不平衡所致（Akhihiero，2020年）。通过提高氧化稳定性来保持燃料完整性不仅对储存和处理至关重要，还能保持燃料的化学组成和挥发性，从而促进气缸内更完全和可控的燃烧。更稳定的生物柴油混合物通常会产生更低水平的有害排放物（如NOX、PM、CO和未燃尽的碳氢化合物）。

本文的目的是发现最有效的抗氧化剂类型及其剂量浓度，以增强生物柴油的氧化稳定性并减少内燃机中的NOX和PM排放。各种发动机和燃料数据根据Luke和Boer提出的评估概念以及改进的Knothe模型进行评估，以赋予数据一致的意义。文中涵盖了生物柴油的一些主要特性，如酸值、碘值、硫含量、碳链平均长度和饱和度，这些特性可作为氧化条件和沉积物形成的标志。当抗氧化剂改善了这些特性（例如通过延长诱导时间和减少酸度和不饱和度）时，文献显示其燃烧产物（NOX、PM、CO和未燃尽的碳氢化合物）低于氧化燃料。这种基于特性的定义将抗氧化剂化学性质和剂量与燃料质量的变化联系起来，从而在柴油发动机正常工作条件下实现更清洁的燃烧和更低的排放。这种稳定燃料特性与排放过程之间的联系对于现代高压共轨发动机尤为重要，因为燃料降解的微小变化会对燃料喷射和污染形成产生显著影响。

本文的目的是提高生物柴油的抗氧化稳定性并减少排放。有必要将这些技术问题置于更广泛的背景下考虑，即日益严格的空气质量与气候政策背景，这些政策对柴油发动机中的NOx、PM和CO2排放设定了更严格的限制。工程化发动机，尤其是柴油发动机，也是受监管污染物（包括NOx、PM、一氧化碳（CO）和二氧化硫（SO2）排放的主要来源（Spandagos，2024年；Papadis和Tsatsaronis，2020年）。最具危害性的空气污染物是NOx、PM、CO、SO2和NH3，因为它们对人类健康和生态系统有负面影响，而HC和CO2也在烟雾形成和气候变化中起重要作用。因此，制定了更加严格的排放标准，要求大幅减少柴油发动机的排放。使用含有适当抗氧化剂的燃料配方可以为发动机/后处理技术提供补充解决方案，以减少现代压缩点火发动机的有害排放（Tsita等人，2020年；Bigerna和Polinori，2022年）。

总之，基于硬件的方法（如EGR、优化喷射和后处理系统）可以显著减少NOx和PM，但通常需要大幅改造发动机、先进的控制系统或昂贵的基础设施。因此，这些方法在当前柴油发动机中并未得到广泛应用，特别是在发展中国家。相比之下，抗氧化剂添加剂可以直接加入生物柴油和其他替代柴油燃料中，通过现有的生产和分配渠道使用，同时解决储存和使用过程中的氧化稳定性问题以及影响内燃机中的NOx/PM生成。本文不仅将抗氧化剂添加剂视为众多排放控制策略之一，而且将其视为一种可行的燃料侧干预措施。在简要回顾了生物燃料应用的推动因素后，后续部分定量总结了不同抗氧化剂化学性质和剂量对多种生物柴油原料的燃料稳定性和发动机排放的影响，从而填补了相关文献的空白。

**1.1 背景与理由**
在欧洲，能源依赖率为60%，参与化石能源开采的国家包括俄罗斯、挪威和瑞士。作为欧洲能源战略的一部分，“绿色协议”计划旨在减少CO2排放、促进本地可持续和以增长为导向的经济，并增加能源供应的稳定性（Perissi，2022年）。欧盟设定了许多目标，以增加第二代生物燃料的生产，从而实现2050年的交通燃料脱碳（Spandagos，2024年）。在交通模式中，划分了四种不同的选择：依靠电池运行的电动汽车（BEVs）、可充电电动汽车（REVs）、内燃机（ICEs）、高效内燃机、生物燃料和合成燃料（Papadis和Tsatsaronis，2020年；Tsita等人，2020年）。一个大规模的探索性计划的目的是显著推进生物燃料的高效生产和消费，以实现长期可持续性。这些燃料被认为是含氧燃料，其特点是燃料中含有高比例的氧气，并且与对发动机改造要求较低的发动机兼容（Bigerna和Polinori，2022年）。生物燃料是一种在整个生命周期内减少碳排放的方法，这可能减轻单独使用化石燃料所带来的环境后果。因此，下一代生物燃料在减少排放方面具有显著的优势（De Maigret等人，2022年）。欧洲标准要求至少使用5%的生物燃料来达到最终燃料消耗的3%。因此，到2030年，下一代交通燃料中将有27%的能量来自生物燃料（Hafner和P.，2020年）。生物燃料支持经济效率和环境保护。彭博新能源财经（Bloomberg NEF）提出的经济转型情景估计，由于电动汽车（EV）的采用、燃料效率的提高以及相关政策的实施，到2040年，世界对基于化石燃料的道路运输燃料的需求将降至最低。根据这一情景，一般认为电池电动汽车（BEVs）将占据主导市场份额。预测显示，到2040年，基于政策和供应链考虑，BEV的销量可能占全球新轻型车辆销量的38-65%，而内燃机（ICE）和插电式混合动力汽车将由其他燃料和氢能填补需求缺口（UNEP，2024年；Bieker，2021年）。此外，国际清洁交通理事会（ICCT）指出，尽管生物燃料在总 passenger vehicle 燃料混合物中的比例会略有上升，但由于需求、生产和成本障碍，预计在未来20年内生物燃料不会完全取代化石燃料。预计将出现一种更加平衡的燃料组合，在难以脱碳的地区和发展中国家，生物燃料、其他替代燃料和氢能将与电气化共同发挥作用（Ghasemian等人，2024年；Cherif等人，2021年）。在之前的研究中（Al Ezzi等人，2022年），使用菜籽甲酯生物柴油-柴油混合物对柴油发动机进行了实验。柴油发动机可以转向生物柴油作为主要预期燃料。这种发动机使用甲酯生物柴油-柴油运行时获得的排放结果已经得到了很好的分析，并与其他类型的生物燃料进行了比较。随着先进柴油发动机消费量的增加，柴油发动机的发展将加速，从而可能提升未来柴油发动机的性能。然而，生物柴油和其他含氧燃料的更广泛使用也带来了储存和发动机排放方面的问题，这需要更深入地研究这些燃料中使用的抗氧化剂。在这里，生物柴油和其他含氧液体燃料在难以电气化的发展中国家中的长期依赖性，决定了实现上述政策驱动的排放和气候目标的核心技术挑战：这些燃料的氧化稳定性以及抗氧化剂添加剂的合理应用。综合来看，尽管有积极的电气化和氢能实施策略，但在未来几十年内，压缩点火发动机的液体燃料在公路货运以及非公路机械和运输中仍将发挥重要作用。在这些应用中，快速更换发动机或改变大规模基础设施通常是不可行的，因此作为现有车队的一部分实施燃料方面的干预措施显得特别有吸引力。在这种背景下，含氧替代柴油燃料，尤其是生物柴油，在减少生命周期二氧化碳排放方面具有潜力，但其氧化倾向和发动机排放的氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）的变化倾向突显了使用特定添加剂的重要性。本文详细回顾了2018年至2025年间生物柴油中抗氧化剂添加剂的情况及其对柴油发动机性能的影响。当前的研究对大量合成和天然抗氧化剂进行了定量比较，探讨了它们的机制及其对生物柴油稳定性、发动机性能和污染物减少的影响，而之前的研究更多侧重于描述或小规模实验。与以往的研究相比，当前的研究重点关注不同天然和合成抗氧化剂增强生物柴油氧化稳定性和减少有害排放（NOX和PM）的潜力。由于大多数文献侧重于单个抗氧化剂的定性评估，本文提供了各种抗氧化剂和生物柴油原料混合物的定量分析，其中抗氧化剂化学组成与减排效率之间的相关性更加明确（Hosseinzadeh-Bandbafha等人，2022年；Devarajan等人，2020年）。此外，该研究结合了最近在协同抗氧化剂混合物方面的进展，这些混合物同时提升了燃烧性能和环境效果（Sebayang等人，2022年；Torkzaban等人，2025年）。这种方法为如何优化抗氧化剂的选择和浓度提供了路线图，以促进抗氧化剂和生物柴油混合物在现代压缩点火发动机中的可持续使用。已经有许多研究总结了抗氧化剂在生物柴油中的应用。例如，Wu等人（Fayad等人，2020年）主要关注合成酚类抗氧化剂及其对氧化稳定性的影响，但没有研究发动机排放的变化。Aebisher等人（2021年；Liu等人，2024年）研究了一些天然来源的抗氧化剂（植物提取物、精油），并给出了定性趋势，但这些数据没有针对不同发动机和工作条件进行标准化。Rajendran等人（Qiang等人，2025年）探讨了生物柴油发动机中氮氧化物（NOX）的减少问题，包括对抗氧化剂的简要介绍，但没有明确比较不同抗氧化剂的化学性质。尽管迄今为止进行的这些研究提供了关于个别添加剂的定性信息，但它们尚未能够提供抗氧化剂化学性质、燃料稳定性指标与不同生物柴油原料排放响应之间的一致定量描述。为了提高连贯性，上述段落分别涵盖了问题的一个方面：总体排放控制背景、生物柴油氧化不稳定性的具体问题、关注抗氧化剂添加剂的理由，以及当前研究的明确目标和范围。与其他主要关注抗氧化剂添加剂的过去研究相比，本文提出了以下三个具体改进：(i) 它汇总了许多发动机测试的定量减排数据（NOX、PM、HC、CO），并将其置于典型操作条件下；(ii) 它根据抗氧化剂的功能团（酚类、胺类、有机金属类、天然提取物）建立了分类方案，并将这些化学性质与氧化稳定性指标及受控排放相关联；(iii) 它提出了各种替代燃料（FAME生物柴油、废烹饪油生物柴油、氢生物柴油双燃料）的选择标准和剂量范围；(iv) 它还指出了抗氧化剂在同时减少NOX/PM方面的长期成功案例和失败案例。尽管有大量关于EGR、喷射优化和后处理系统的文献，但仍然缺乏关于不同抗氧化剂添加剂和剂量如何影响各种生物柴油原料的氧化稳定性和发动机排放的定量比较研究，而这正是本文所要解决的特定空白。当前的研究文章并没有进行新的实验，而是汇总了214篇关于抗氧化剂处理的生物柴油燃料和其他替代柴油燃料的发动机和燃料稳定性研究的已发表数据。文章作者已经完成了这些实验，本文利用这些实验数据创建了抗氧化剂效果的定量汇编。

1.2. 研究目标
为了实现当前研究的目标，确定了以下主要任务：
1. 描述了从向日葵和葡萄籽植物中提取的天然来源抗氧化剂的成分及其整体物理化学性质。抗氧化剂的制备过程包括溶剂萃取，随后进行柱层析或薄层色谱和制备色谱（提取分离）。将解释通过酶水解获得酚类和黄酮类化合物的方法及其通过色谱和光谱方法（UV、IR、NMR、MAS）或指纹技术进行的表征。将评估具有抗氧化和抗腐蚀特性的成分的选择性提取的可能性。通过确定这些成分的化学行为并建立某些酚类化合物的功能团与其作为新柴油燃料添加剂的效果之间的关系，来确定这些成分的结构特性及其行为。同时，还将实现其质量平衡。
2. 确定新柴油燃料中抗氧化剂溶液的最佳浓度，以确保纯度。将在体积实验室条件下，使用重量法实验确定所需抗氧化剂的确切用量，基于其重量以及先前和后续关于抗氧化剂依赖性氧化的研究。
3. 分析所获得的抗氧化剂与其他生物添加剂和柴油燃料成分的相行为和分子相互作用。引入新的生物添加剂将显著影响燃料的性质，从而可以进行优化。了解每种抗氧化剂成分的作用及其与柴油燃料其他成分的相互作用对于未来燃料的优化至关重要。主要问题是在抗氧化剂作为抗腐蚀添加剂和其他生物添加剂（如生物柴油或其衍生物）之间找到一个平衡点。因此，可以使用实验热力学方法和现代仪器方法，通过最少数量的热力学参数来表征柴油燃料及其添加剂的潜在二元混合物。
4. 实验评估所得燃料的抗氧化剂效率。实验研究将纯柴油燃料与抗氧化剂生物燃料按既定比例混合，以确定相应的排放量，并评估抗氧化剂的效率。随后将在柴油发动机中测试所得柴油燃料，以评估其对发动机性能、物理化学性质和稳定性的影响。
5. 计算抗氧化剂对柴油发动机参数的影响。将获得与特定排放减少相关的实验数据的相关性。将提供使用含抗氧化剂添加剂的柴油燃料（环境改善型）节省能源的理论依据。还将提供关于催化剂在环境改善型柴油燃料（未氧化、未分解）存在下的加速和碰撞前效应的数据，并给出相应的指导。

2. 审查方法
本综述基于对生物燃料中抗氧化剂的广泛而彻底的文献回顾，例如生物柴油对减排和燃料稳定性的影响。主要搜索了Scopus、Web of Science和ScienceDirect数据库中2018年至2025年发表的同行评审期刊文章。使用“抗氧化剂”、“生物燃料”、“生物柴油减排”、“氧化稳定性”、“燃料添加剂”等关键词来搜索相关文献。纳入标准确保研究的相关性和高质量，要求结果为原始实验或比较研究，并以英文发表。同时，研究的重点限于抗氧化剂的稳定效果及其对柴油发动机排放的影响。不符合这些要求的文章、综述和会议摘要被拒绝了。研究的资格筛选分为两个层次进行。在标题摘要筛选阶段，如果记录中提到（i）在生物柴油或其他替代柴油燃料中使用抗氧化剂，或者（ii）至少有以下一种结果：氧化稳定性指数或压缩点火发动机的排放物受到监管，则该记录会被保留。任何仅涉及化学氧化测试而没有发动机相关数据的记录都被排除在外，同时非燃料抗氧化剂（例如生物或药用应用）和非压缩点火发动机也被排除。在全文筛选阶段，还使用了一些额外的纳入标准：（i）发表在英文同行评审期刊上的原创实验研究；（ii）指明了抗氧化剂的类型和剂量；（iii）同一研究中提供了对照组（即不使用抗氧化剂的情况）；（iv）对实验（发动机类型和操作条件）有充分的描述，以便进行标准化和比较。定量分析排除了未报告基线数据或抗氧化剂浓度以及任何重要测试条件的研究，但这些研究可以被视为定性研究。

初步搜索提供了大约16,000篇文章，根据标题和摘要进行了筛选，最终筛选出534篇全文文章进行评估。对于每项研究，关键描述符（发动机类型、操作模式、基础燃料、抗氧化剂类型、浓度、氧化稳定性测试方法以及排放物变化百分比）被提取到一个比较数据库中。这一过程共涉及214项研究，这些研究全面比较了抗氧化剂类型和浓度以及减排效率。筛选过程的整体思路用PRISMA类型的流程图表示（图1），该图显示了每个阶段的记录数量。

排放物和氧化稳定性测量值从未以绝对值的形式给出，而是以相对于同一研究中纯燃料基线测量的变化百分比来表示，以尽量减少不同实验室之间在发动机类型、测量设备和环境条件方面的差异。在提供多种负载或速度的情况下，我们采用了制造商规定的条件或所有报告数据点的平均值。如果必要的数值数据不可用（例如基线排放水平或抗氧化剂剂量），则该研究不会被纳入定量数据库，但其定性结论可能会被纳入叙述性讨论中。排放数据相对于同一研究中的纯燃料基线进行了归一化，以便进行交叉比较。最后，根据抗氧化剂化学成分和燃料类别对研究进行了分组，并分析了趋势，以确定排放物减少是否与氧化稳定性的改善相关，尽管不同研究之间存在发动机设计、测量程序和操作条件的差异。本综述中呈现的排放物变化百分比以范围和代表性值的形式给出，而不是带有置信区间的统计汇总估计值。因此，应将其视为趋势方向而非确定的总体结论。

这种方法确保了严格且可重复的选择方法，为所做出的推断提供了科学基础，并指明了最大化生物燃料混合物中抗氧化剂使用的方向。所研究的214项研究并未合并为一个全球平均值，以避免偏差和异质性。相反，数据按抗氧化剂类型（合成酚类、胺类、有机金属类、天然提取物）和燃料类型（各种原料的FAME、废弃烹饪油生物柴油、双燃料氢生物柴油等）进行了分类，并报告了NOX、PM、HC和CO的变化范围和总体趋势。保留那些效果不显著或呈负面的研究（例如NOX增加）是为了防止仅发布正面结果的情况。尽管实验室和发动机配置之间存在差异，但这被认为是解释精确百分比变化的局限性。

**3. 柴油发动机基础**
本节仅总结了与燃料氧化、沉积物形成以及现代压缩点火发动机中抗氧化剂添加剂作用直接相关的柴油发动机特性。目前有许多不同类型的柴油发动机，这些发动机为排放控制带来了机遇和挑战。这些变体从能够满足欧6标准和加州低NOX和颗粒物排放标准的小型均质充量发动机（HCCI），到可以在相对固定的速度和功率下使用非常低成本燃料的大型发动机不等（Benajes等人，2020；Duan等人，2023；Jeyaseelan等人，2022）。柴油发动机最显著的特点是它们使用较高的压缩比，这些比例低至16:1，高至23:1，与火花点火或爆震发动机相比具有更高的热效率（Loo等人，2021）。这是因为动力循环中的压缩驱动因素很高，可以实现绝热边界。在柴油发动机中，直接空气-燃料混合技术（燃料在此过程中被喷射）在旧或简化的系统中使用，并且在压缩行程结束时采用高压（30至40巴）的低压燃料系统（Duan等人，2021；Fayad等人，2020）。

现代柴油发动机的先进技术不再局限于这一压力范围。现代高速共轨柴油发动机通常使用约1000巴（约100 MPa）到2000巴（200 MPa）或更高的喷射压力，有些现代发动机甚至设计为可在超过2500巴的压力下运行。这种超高压使得燃料雾化更加精细，从而实现更好的燃烧、更低的排放和更好的发动机性能（Liu等人，2024；Qiang等人，2025；Zhao等人，2020）。这对于当前一代高压共轨发动机尤为重要，因为生物柴油混合物在未经抗氧化剂处理的情况下会增加沉积物形成的可能性。现代共轨发动机具有更高的喷射压力，在某些情况下，缸内温度也高于传统柴油发动机。尽管更高的喷射压力和温度带来了更好的雾化和混合效果，但缺点是燃料氧化加速、喷射器和缸内燃烧室中产生胶质沉积物，以及发动机性能对燃料降解的敏感性增强。因此，燃料中的抗氧化剂添加剂对现代发动机性能至关重要。此外，燃料降解的微小变化很容易导致喷射特性、燃烧过程和有害排放物的变化。

**3.1. 运行原理**
柴油燃料在发动机燃烧系统中由于高温和高压的影响而发生化学反应。首先，在高温和高压下，柴油燃料中的较轻成分会变成活性物质，如过氧化物和烷基过氧化物；氧化反应发生得更快（Mohammed等人，2023）。在高温下，重质燃料化合物分解形成碱性结构，或者通过断裂分子键起催化作用，改变硫的氧化降解过程并形成酸性结构（Liu等人，2022）。然而，氧化过程不仅限于柴油燃料，也发生在其他类型的替代燃料中，如生物柴油、生物柴油+合成抗氧化剂、乳化燃料等。这一过程增加了燃烧室中的氧气含量，导致环境危害或发动机问题，从而延长了燃烧过程（Fayad等人，2021；Lyu等人，2021；Belgiorno等人，2020）。由于密度、粘度、热值、点火延迟和沸点范围的不同，没有任何替代燃料能与柴油燃料完全等同（Ekaab等人，2019）。因此，为了提高其性能，建议在燃料中添加添加剂。近年来，抗氧化剂成为研究重点，因为它们是提高替代燃料性能的最有效方法。开发用于提高替代燃料性能的抗氧化剂基于抗氧化剂抑制油加热过程中自由基形成的机制，以及抗氧化剂与已发生的过氧化物反应（Nagappan等人，2021）。抗氧化剂的机制符合芳香族结构中的操作原理，这是替代柴油燃料和其他替代燃料中最常用的抗氧化剂化合物之一（Viswanathan，2023）。

**3.2. 排放特性**
智能系统利用生物柴油和镁燃料的协同作用来改善生物燃料的性能（抗氧化剂的效果），可以减少生物燃料应用的负面影响，其中最有效的方法是应用活性镁（抗氧化剂）（Vignesh等人，2022）。所提到的活性镁（NGR催化剂）是一类新的金属氢化物化合物。由于两种重叠的氢化反应表现出（质子化）效应，这种活性催化剂能够生成氢气（Gururani等人，2022）。这种催化剂在重组中的最大成功在于显著降低了放热/化学计量比。由于易于热力学处理和合适的动力学特性，NGR反应可以提供（氢能）（Gautam等人，2020；Abusweireh等人，2022）。抗氧化剂分子中存在的酚羟基、羰基和芳香环等关键官能团对于有效抑制甘油三酯的氧化至关重要，它们通过稳定自由基和中断氧化链反应来发挥作用（Athparia等人，2025；Guo等人，2024；Lu等人，2020；Pasqua等人，2020）。由于催化剂结构中缺乏金属活性位点以及催化剂寿命较短，基于镁活性化合物与分散性有机碳纳米管结构的复合催化剂也值得考虑（Dandu，2020）。

燃料的主要结构化合物（甘油上的脂肪酸）称为甘油三酯，主要包括饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸（Dhahad和Fayad，2020）。这些结构中的其他成分称为甲基酯。由于这些化合物的高反应性，它们非常适合发动机中的燃烧过程。然而，它们的低挥发性和高温特性使得它们不适合涡轮增压发动机（Jeyakumar等人，2022）。抗氧化剂中的甲基酯基团对排放结果有显著影响。多项研究表明，破坏或防止这些化合物产生的分子应同时包含这两种结构。此外，研究结果表明，化合物结构中的不饱和脂肪基团的存在可以使各种分子路径变得可访问。根据温度的不同，这种抑制结构可能有助于在燃烧过程中防止一氧化氮的生成（Hosseinzadeh-Bandbafha等人，2022；Devarajan等人，2020；Viswanathan等人，2021；Rajendran等人，2020；Rajamohan等人，2022；Pandey等人，2022）。

**4. 用于压缩点火发动机的替代燃料**
本节简要概述了决定抗氧化剂如何影响生物柴油稳定性和间接影响发动机排放的主要机制。观察到使用生物柴油的发动机排放物优于使用柴油燃料的发动机（Rajendran，2021；Yesilyurt，2020）。然而，应谨慎考虑从可食用资源中提取的生物柴油的优势。全球能源需求持续增长，而各种竞争性能源似乎永远无法满足能源需求，这成为世界政治的一个重要方面。然而，像生物乙醇一样，生物柴油也可能带来其他缺点，如与粮食作物的竞争、森林砍伐、生物多样性减少以及大气中二氧化碳排放的增加等（Ogunkunle和Ahmed，2020）。然而，尽管存在研究中的问题，植物油仍然作为一种替代燃料具有吸引力。柴油中不添加抗氧化剂，但生物柴油会添加抗氧化剂，因为生物柴油比矿物柴油更容易产生浑浊。主要的抗氧化剂包括生育酚、抗坏血酸、光稳定剂和对苯二胺等酚类化合物（Sebayang等人，2022年；Razak等人，2021年）。这些酚类和胺类抗氧化剂能够有效中断过氧化链反应，从而限制酸和聚合物的生成，减少喷射器的污染，并促进更完全的燃烧，从而有助于降低发动机研究中的颗粒物（PM）和一氧化碳（CO）排放。柴油燃料的替代品之一可以从植物和动物来源获得，如生物柴油，以及其他含氧物质，如酒精（Vijayashree，2019年）。本研究中感兴趣的含氧燃料是乙醇和生物柴油，因为氧气与氢气一起是最有效的减少柴油发动机污染物的物质。尽管酒精含有较高的氧气含量，但由于其高挥发性和自燃温度，不能单独用作柴油发动机的燃料（Fayad等人，2024年）。关于生物柴油，其主要优点是可以在无需技术改造的情况下直接用于发动机中，因为生物柴油的特性与矿物柴油非常相似（Wang等人，2022年）。

4.1 替代燃料的类型
液化石油气（LPG）由丙烷和丁烷或其混合物组成，具有完全燃烧的能力。柴油发动机中通常使用高比例的LPG。虽然类似汽油的LPG由100%的烷烃组成，但其中低热值的添加剂如丙烷、LOB和乙烷的含量并不高（Murthy等人，2021年）。在LPG燃烧过程中，CO和HC的排放量会减少。此外，这种燃料的总排放量也比柴油燃料少得多（Kannan等人，2021年）。其他研究人员最近的研究表明，LPG混合物的NOX排放量低于柴油燃料（Baek等人，2021年；Usman等人，2020年）。尽管柴油和汽油燃料在减少污染物方面已经进行了大量研究，但由于能够降低尾气排放和碳源，许多传统和非传统的替代燃料仍在实际车辆中得到应用（Gren等人，2020年）。目前尝试的各种替代燃料包括液化石油气（LPG）、甲醇、乙醇、二甲醚（DME）、生物柴油和汽油（Hua等人，2020年；Beh?et和Yakin，2022年）。研究表明，含氧燃料能够在略微增加尾气排放的同时显著减少某些污染物（Fayad等人，2022年）。

4.2 抗氧化剂的性质和特性
这些抗氧化剂分子被归入这一类别，是因为与其他生物成分相比，它们使用的量较少（但可以补充其他生物成分的特性），从而影响内燃机（T.I.C）的利用技术（Servian-Rivas等人，2022年）。然而，这些分子在化石燃料中的应用研究较少，这在我们研究中是一个有趣的主题（Zewdie等人，2024年）。基于这些研究结果，科学家们决定继续进行初步研究。该研究关注柴油-生物柴油混合物的特性和性质变化、非柴油混合物的氧化过程，以及非催化氧化产物和生物燃料的制备（Majumder等人，2022年）。人类交通、工业、农业以及其他与工业技术进步和经济发展相关的活动的发展，是以牺牲环境质量为代价的。化石燃料燃烧产生的排放物对环境造成了持续的影响，这些排放物来自交通运输领域（汽油、柴油）和城市（热电联产和发电厂）（Fayad等人，2022年）。抗氧化剂分子在医学（癌症预防、神经退行性疾病、糖尿病）、食品工业以及保护天然和合成材料免受降解等方面显示出许多益处（Garcia-Caparros等人，2021年；Pisoschi等人，2021年）。

5. 抗氧化剂：机制和效果
来自不同原料的FAME生物柴油中，合成酚类抗氧化剂（如BHA/BHT/TBHQ）通常比天然提取物更有效地延长诱导时间并减少NOX和PM的排放，尽管有些研究指出它们在CO和HC排放方面存在权衡。柴油燃料中的一些饱和成分不利于燃烧。生物柴油的高十六烷值可以增加可再生能源的环境效益（Fayad，2021年）。此外，燃料中的一些不饱和化合物（如脂肪酸残渣）与燃烧性能密切相关（Kumar和Choudhary，2023年）。生物柴油中不饱和化合物与能量的关系源于其含氧量，这影响了燃料的燃烧效率和尾气排放浓度。抗氧化剂的存在可以使十六烷值达到最佳状态，从而通过减少排放来提高发动机性能（Moreira等人，2022年）。使用更清洁工艺生产的生物柴油中的抗氧化剂可以促进替代燃料的更广泛采用。来自更环保工艺的抗氧化剂更容易提取，成本更低，并具有内在的生物优势（Vellaiyan等人，2023年）。抗氧化剂的环境和生态价值很高，但学术研究相对较少。为可再生原料制成的替代燃料提出的抗氧化剂系统对内燃机至关重要。数据收集和分析调查为监管机构和相关利益相关者提供了服务。虽然生育酚作为抗氧化剂具有内在和环境效益，但其相对较高的成本限制了其实际应用。含有抗氧化剂的生物柴油产生的颗粒物较少，十六烷值也更高。来自废弃物的抗氧化剂与商业抗氧化剂BHT之间的差异可达90%（Vellaiyan，2023年）。抗氧化剂可以抑制不饱和生物柴油的聚合和氧化，控制燃料的分子量，并通过结合过氧化物自由基形成相对稳定的化学结构来提高生物柴油的热稳定性（Romola等人，2021年）。然而，超过一半用于石油柴油的抗氧化剂不适合生物柴油，因为它们要么无效，要么会抑制生物功能（Mumtaz等人，2022年）。总体而言，证据表明抗氧化剂的性能很大程度上取决于基础燃料和发动机运行条件；仅报告氧化稳定性改进而未提供相应的排放数据可能会产生误导，因此本综述强调了标准化的NOX和PM结果以及稳定性指标。

5.1 抗氧化剂在燃料燃烧中的作用
抗氧化剂可以防止高温下的氧化分解和胶质形成，以及发动机部件中的酸催化酯链断裂（de Sousa等人，2021年）。此外，含有游离脂肪酸或剩余甘油的燃料中游离氧的存在会增加过氧化物的形成（Zhang等人，2021年）。受阻酚类（或胺类）化合物与过氧化物和羟基过氧化物自由基反应，抑制了它们的分解和反应，从而增强了反应促进机制。一般来说，没有一种抗氧化剂能改善所有燃料的性能（Longanesi等人，2022年）。在低硫、脂肪酸酯混合物（即生物柴油）中，抗氧化剂是必不可少的添加剂，可以减少有害尾气排放（Rajendran等人，2023年）。除了提高燃料耐久性外，抗氧化剂还能改善其他燃料特性（如颜色、稳定性和润滑性能，并防止不溶性胶质形成和污染）（Reddy，2023年）。这些抗氧化剂通常是多环芳烃，能够促进光敏氧化（在光子作用下发生解离）。氧化剂有助于抑制燃料烃类的聚合和/或氧化，从而更好地定义了燃料组成对发动机性能的影响（Xia等人，2024年）。没有任何燃料是纯净的。柴油燃料通常是高沸点烃类的混合物，含有多种含有氧、氮或硫的化学反应产物。杂质来源于处理过程（Jia等人，2021年）。Bikkavolu等人（Bikkavolu等人，2025年）使用了氧化添加剂如二甲碳酸酯（DMC）并研究了其作用机制。研究表明，类似抗氧化剂的添加剂（如DMC）可以减少NOX排放。DMC在燃烧过程中起到氧化添加剂的作用，并产生冷却效果（淬火效应），从而降低气缸温度，这是NOX形成的关键因素。研究表明，由于DMC的潜热和冷却效应，B20D10BN50（无氢）混合物的NOX排放量减少了10.6%。虽然DMC本身不是传统意义上的抗氧化剂，但它与具有高导热性和催化性能的氮化硼（BN）纳米颗粒协同作用，进一步提高了燃烧效率并减少了有害排放。

5.2 抗氧化剂的类型
某些类型的对羟基苯基团可能更有效地防止胶质形成，从而稳定重质燃料；而另一种类型的抗氧化剂具有适量的功能极性基团，有助于提高粘合剂的性能（Navarro-Orcajada等人，2023年）。高效且特异性的化合物替代物提供了定制的性能。这类抗氧化剂可用于多种应用，如燃料或润滑剂抗氧化剂，或作为标记辅助的环境修复方法（H?d?rug?和H?d?rug?，2023年）。在不同温度下，基于芪类的抗氧化剂U-1516、BFSE、BDFS和E-AAO在氮气（N2）环境中进行了评估（Duta-Bratu等人，2023年）。然而，在含氧环境下，燃料和添加剂中的高氧含量会大大降低基于芪类的抗氧化剂的效率（Teka等人，2022年）。尽管所有基于芪类的抗氧化剂都表现出优异的抗氧化性能，但三甲基芪类可能在经济和环境方面更适合生物燃料的稳定（Di Filippo等人，2020年）。还合成了酚胺、尿素N-烷基硫醇衍生物和羟基磷二硫醇丁酸盐添加剂，并报告了它们与植物油的相互作用（Gao等人，2024年）。这些添加剂以及一种混合型二苯胺受阻酚也有简要描述。最著名且广泛使用的受阻酚是BHT及其同系物，它们是有效的润滑油抗氧化剂（Xia等人，2021年）。受阻酚还用于多种其他材料的抗氧化。受阻酚易于制备，并具有高效的Haney抑制作用（Sazeli等人，2021年）。一些研究人员讨论了润滑剂抗氧化剂的动力学模型，但目前尚未开发出非常满意的动力学模型（Kontham等人，2020年）。其他研究讨论了三种主要类型的抗氧化剂，这些抗氧化剂已被用于润滑剂和替代柴油燃料。讨论的抗氧化剂类型包括：a）单一酚类；b）某些可聚合的二苯胺；c）通过在加热的较高沸点反应介质（如二苯或吗啉）中使酚类和仲芳香胺化合物反应生成的缩合产物（Roveda等人，2022年；Ramalingam等人，2022年）。某些单取代酚类在燃料中与二聚胺或多醇结合使用时是合适的抗氧化剂（Ayuob等人，2021年）。受阻酚及其各种取代形式已被广泛用于润滑剂和燃料的氧化保护。还有一些受阻酚和2-苯氨基-2-甲基-1-丙醇稳定剂也被开发用于生物柴油的储存（Mendoza-Maga?a等人，2021年）。有时，一些替代燃料被用作抗氧化剂添加剂，以间接减少有害排放。例如异丁醇和二氧化硅纳米颗粒，它们的作用方式类似于传统抗氧化剂（Pullagura等人，2024年）。异丁醇作为一种含氧添加剂，由于其高潜热而具有冷却效果，从而降低气缸温度，这是氮氧化物形成的主要原因之一。二氧化硅纳米颗粒具有高导热性，可以吸收热量并降低最大燃烧温度。通过实际实验确定，TFSi60混合物的NOX减排量相对于柴油而言为11.3%。此外，Bikkavolu等人（Bikkavolu等人，2023年）提出在内燃机中使用10%的B30CNTs60+DMC混合物。他们测试了一种B30样品（30%的黄夹竹桃甲酯（YOME）和70%的柴油），其中添加了表面改性的碳纳米管，并与10%的正丁醇、异丁醇和碳酸二甲酯（DMC）混合。结果显示，这种混合物平均减少了6.75%的NOX排放。

6. 排放特性实验方法
仅使用一种天然抗氧化剂的燃料混合物与使用商业添加剂和纯柴油的混合物相比没有改善。然而，这些结果激发了进一步研究，以开发包含两种抗氧化剂的更好配方，从而使柴油燃料更加高效和可持续（Song等人，2020年）。MANL27/38是一种需要特定混合物的发动机，通常称为DMA。根据这种混合物的要求，所使用的抗氧化剂包括AOC Continuous Therapy、AOC Treatment Plus，以及DMA中的抗氧化剂，其商业名称为Antioxidant Master Methy（Fang等人，2022年）。许多研究评估了天然抗氧化剂对发动机性能以及颗粒物、NOX、CO、CO2、HC和SO2排放的影响。还测量了抗氧化剂效果对颗粒物亚微米尺寸分布的影响（Trejo-Solís等人，2024年；Xu等人，2022年）。已经评估了柴油燃料中天然抗氧化剂对柴油发动机排放的影响，这适用于公交车、卡车、农业机械、船舶和连续发电机操作发动机（Ansell，2023年）。航空涡轮燃料（ATF）是全球航空运输中最广泛使用的燃料。然而，由于其排放、全球变暖和能源驱动发展之间的关系，其采用和需求增加引发了关于环境可持续性的讨论（Undavalli等人，2023年）。在这种情况下，寻找替代燃料不仅有利于环境，还能在混合物中保持化石燃料的特性，并获得重要的发展动力。

6.1. 排放测量技术
柴油发动机研究使用小型排放测试仪进行排放测试，该测试仪可以放置在一个发动机控制室内。排放测试结果不能互换使用，因为对于输出相同的两个相同发动机，可能会报告不同的结果范围（Mattarelli等人，2021年；Gao等人，2024年）。环境保护署（EPA）用于测量柴油发动机排放污染物的标准方法如下：最常见和经常报告的排放物包括制动特定NOX、PM（颗粒物）、碳氢化合物（HC）、制动特定CO和制动特定CO2。所有污染物都根据特定的条件和程序进行测试（Yusuf等人，2022年）。每次测试通常都会控制发动机的运行温度，提供略有变化的空气-燃料比，将发动机加速到更高的期望速度，然后保持发动机在该功率状态（Yusuf等人，2022年）。获得一致结果的理想条件需要保持高度精确的参数。不可靠性分析用于确定由于测量仪器精度而产生的变化（Oni等人，2021年）。所有用于测量的仪器的高精度有助于保持高度熟练的技术人员以及较高的相对标准偏差（RSD）（Kale等人，2022年）。过去的研究发现，测试发动机使用的不同动能以及同一发动机内燃料的稳定原子结构与HC和RSD水平有关（Mondal等人，2021年）。Chehrmonavari等人（Chehrmonavari等人，2023年）测试的经典移动过滤方法是一种更好的PM测量方法，因为相对标准偏差（RSD）是统计重复性的度量，以百分比表示。根据这种方法，相对标准偏差提高了约20%到25%的精度。这个范围是测量不确定性或在大样本条件下重复PM采样的变异性，而不是实际排放量的减少。标准化的PM测量程序，如美国EPA方法201A（用于测定PM10和PM2.5排放）和欧洲EN 12341重量法，提供了严格的协议，以确保PM排放的跨地理可比性和准确性（Molaie和Lino，2021年；Alfano等人，2020年；Sooktawee等人，2020年）。如果操作员、采样时间、流速和测试程序等因素没有得到适当考虑，可能会导致不可靠性的增加（Legrottaglie等人，2021年）。

6.2. 测试发动机设置
为了验证生物柴油的性能和发动机排放，通常会将油门开度设置为每个特定功率水平所确定的恒定值。在不同的研究中，还可能控制所选喷油器、风扇速度，以及测量功率产生的扭矩的压力表、发动机冷却水温度、燃油表和风扇电源（Farahani等人，2021年；Kozina等人，2020年）。最后，使用仪表实时测量空气和燃油的值。测试通常在选定的恒定速度下进行，同时改变发动机负载，或者反过来进行。在实验过程中，每个排放和性能参数的测试至少重复三次以确保重复性，并使用平均测试结果进行最终计算（Agarwal和N.，2021年）。已经使用各种类型的发动机进行了许多实际实验，包括单缸、多缸、四冲程或二冲程、直喷或间接喷油、风冷或水冷的发动机，所有这些发动机都连接到机械、液压、电气或计算机化的测功机上（Schwarzman等人，2021年）。这些配置的发动机能够测量以下参数：后轴可用的机械功率、产生的空气和燃油流量，以及污染物，即CO、NOX、未燃烧的HCs（碳氢化合物）、白烟和黑烟（Fayad等人，2023年）。设置了一个控制面板来调整发动机的相对速度或加速度，就像传统发动机中的油门开度一样。

7. 替代燃料中抗氧化剂的研究综述
总体而言，先前研究中已经记录了添加剂的相互作用；然而，某些添加剂的效率并未达到商业燃料的质量标准。可以根据油的组成估计特定抗氧化剂在某些藻类油复杂组成中的协同效应。此外，讨论和比较反应机制与指示的反应速率对于进一步应用多种抗氧化剂的研究将非常有用（AlBasher等人，2020年）。需要进一步研究以确定给定原材料的最佳抗氧化剂组合和混合物，因为不同的原材料具有不同的物理化学性质，如脂肪酸组成、极性平衡和亲水性（Patra等人，2021年）。此外，其他燃料的不完全燃烧（如不完全燃烧）、更多黑焦油、酸和泥浆的形成等负面效应可能需要更多的研究，以及使用额外的抗氧化剂量（Skroza等人，2022年）。许多作者对在生物柴油及其混合物中使用抗氧化剂进行了大量研究，这些混合物使用了从植物油、动物脂肪和藻类等多种原料（Saibabu等人，2022年；De'Nobili等人，2021年）。这些行动的实际目标是延长替代燃料的保质期并增强其特性。早期研究表明，不同的增强剂（如藻类油）可以提高AFs（替代燃料）的稳定性（Dimi?等人，2020年）。这些增强剂包括乙二胺、乙二胺四乙酸酯、4-甲基-2,6-二丁基酚、丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚、吩噻嗪和紫罗兰酮（Madhu等人，2023年；Ramalingam等人，2020年）。因此，通过将这些抗氧化剂纳入生物柴油及其混合物的开发中，可以显著提高氧化稳定性。因此，抗氧化剂被认为能够显著改变这些燃料的储存性能，控制燃烧发动机中发生的氧化反应，并减少PM的形成（Senthil等人，2023年）。总体而言，关于TBHQ（研究化学品）和类似酚类抗氧化剂的文献显示，在许多测试中，氧化稳定性有显著提高，同时NOX排放和PM也有所减少，尽管有些测试显示在较低负载或基线燃料已经具有高氧化稳定性的情况下，这些化合物对NOX排放的影响很小或没有影响，这表明这些化合物的排放效果是有条件的。上述许多研究支持了燃料属性（如氧化稳定性、热值、脂肪酸组成、热消耗能力）的重要性和优势，以及抗氧化剂在各种其他燃料中的影响（Alemdar等人，2023年）。所有这些细节构成了关于进一步发展和改进替代燃料使用的高级知识。

7.1. 特定抗氧化剂的研究
含有抗氧化剂添加剂BdXX和BJo的柴油，其浓度为65–80 mg/kg B100，以及这两种生物柴油组成的80%混合物，会增加制动特定燃油消耗（Lyu等人，2021年）。此外，在较高浓度下，含有这些添加剂的生物柴油的十六烷值高于变质燃料和商业柴油（Lu等人，2020年）。因此，由生物柴油产生的抗氧化剂有助于在整个生物柴油生命周期内显著减少NOX排放（Dhairiyasamy，2024年）。生物柴油产生的抗氧化剂、氢氧化钠和工业废溶剂是延长沥青样品疲劳寿命和断裂韧性的重要添加剂，从而提高其作为更强材料的应用（Krishnakumar等人，2021年）。DSC分析显示，再结晶和熔化温度较低，而熔化热较高。模板辅助可还原的铱（III）配合物中的金属有机框架在CIO和抗氧化剂淬火方面非常有效。碘微球擅长抑制膨胀，MTT时间依赖性测定导致细胞活力下降（Ryu，2010年）。这种方法通过膜孔的异常分布、细胞质去极化、DNA片段化和增加的坏死活性来防止细胞存活和细胞生长。关于抗氧化剂物质（如虾青素和叶黄素）的研究提高了生物柴油燃料的氧化稳定性并减少了发动机排放（Ileri和Ko?ar，2013年）。当将这些抗氧化剂的干粉添加到生物柴油中时，抗氧化剂的绝热温度分别达到212°C（虾青素）和217°C（叶黄素）。这个温度处于柴油燃烧的理想范围内（200-350°C），表明它们在发动机燃烧过程中有效，提高了燃料稳定性。在四冲程单缸柴油发动机中，使用20%的叶黄素（B80混合物）可以减少P-芳香族排放和NO2排放，并提高制动特定燃油消耗，从而提高燃烧效率。44%的虾青素混合物改善了柴油-空气混合物的动力学性能，并减少了14%的未燃烧HCs和NOX（Roy等人，2014年）。这些变化与改变的热释放速率有关，表明燃烧过程得到了改善。总体而言，所有这些都表明抗氧化化合物在生物柴油发动机中的有益使用具有积极意义。可以预见，通过额外的研究和开发，这些化合物可以在提高发动机性能和降低柴油发动机危害方面发挥巨大作用（Bossanyi，2022年）。使用Karanga油原料通过酯交换过程生产的生物柴油作为双缸共轨直喷（CRDI）发动机的替代燃料具有前景（Fayad等人，2024年）。在含有表面活性剂QPAN80的情况下，将多种金属和非金属纳米颗粒分散在从Karanga油中提取的B20样品（20%生物柴油与80%柴油的混合物）中。使用纳米颗粒确定了稳定且均匀的燃料混合物，最佳比例为1:4（纳米颗粒与表面活性剂）。使用R-F柴油模拟软件，Bikkavolu（Bikkavolu等人，2025年）研究表明，与B20混合物相比，B20CNT50混合物在最大制动功率下的NOX排放量减少了10.9%。据信，抗氧化添加剂可以重新分配NOX、PM、HC和CO的排放，这取决于发动机的工作条件。有可能仅针对氧化稳定性优化的成分会增加其他受监管污染物的排放。

7.2. 抗氧化剂的比较研究
上述所有测试结果都表明，在CI发动机中使用替代燃料进行催化是减少燃烧气体中烟尘、UHC、CO、CO2、NO等排放量的关键（Nagappan等人，2022年）。特别是生物柴油在CI发动机中最为流行，这归因于其环保特性。因此，应用不同类型的生物柴油具有重要意义。遗憾的是，生物柴油在储存过程中的稳定性对酯类氧化、柴油内部聚合物表面层的形成以及其他风险存在威胁（Rajendran等人，2023年）。为了提高生物柴油的保质期，通常会添加一些抗氧化剂。本节中的比较研究包括来自38个不同国家和37个学术机构的多种抗氧化剂及其在生物柴油中的应用效果。例如，实施这些建议非常重要。然而，大多数研究仅报告了在单一工作条件下的排放变化，要么没有将其标准化为纯燃料基线，要么没有考虑发动机之间的差异，因此难以进行跨比较。本综述中的结果以相对于各自基准燃料的百分比变化表示，并按抗氧化剂类别和燃料类型分类，以便直接比较不同发动机和测试条件下的趋势。

表1列出了生物柴油中使用的抗氧化剂的比较研究。该表总结了从实验测试中获得的结果，这些测试是在可变柴油发动机中进行的，涉及低硫柴油。表中还列出了多种抗氧化剂的类型和用量，以及它们在某些喷射系统、喷油嘴、阀门、泵和喷嘴材料以及沉积物中的性能。例如，这些抗氧化剂的实际应用对于减少排放非常重要。

大多数研究仅报告了在单一工作条件下的排放变化，要么没有标准化为纯燃料基线，要么没有考虑发动机之间的差异，因此难以进行跨比较。因此，本综述中的结果以相对于各自基准燃料的百分比变化表示，并按抗氧化剂类别和燃料类型分类，以便直接比较不同发动机和测试条件下的趋势。

表1. 抗氧化剂对排放减少的影响
| 抗氧化剂类型 | 使用的燃料 | NOX减少率 | PM减少率 | HC减少率 | CO减少率 | 测试条件 | 不确定性（%） | 参考文献编号 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 叔丁基对羟基苯醌（TBHQ） | 废食用油-柴油 | 27.9 | - | 71.4 | 2-6.68 | ±2.72 | (Krishnakumar等人，2021) |
| 叔丁基对羟基苯醌（TBHQ） | 大豆生物柴油 | 9.2 | - | 75.4 | -66.4 | - | (Ryu，2010) |
| N,N'-二苯基-1,4-苯二胺（DPPD）和N-苯基-1,4-苯二胺（NPPD） | 大豆生物柴油 | 9.35 | -4.06 | +12.5 | +6.6 | +10.5 | +16.9 | +9.9 | +14.28 | B20，在75%发动机负荷和低于1000 ppm抗氧化剂的情况下 | ±11.19 | (Ryu，2010) |
| 丁基羟基茴香醚（BHA）、丁基羟基甲苯（BHT）、2-乙基己酸酯（EHN） | 菜籽油甲酯 | 4.6 | 3.83 | +20.47% | +1.72% | +9.84% | B20，在4400 rpm发动机速度和1000 ppm抗氧化剂的情况下 | - | (Ileri和Ko?ar，2013) |
| Wintron XC 30 | 煤油-生物柴油（菜籽油） | -42 | +44 | +63 | 在1800 rpm发动机速度下 | ±11.35 | (Roy等人，2014) |
| BHA和BHT | 棕榈生物柴油（B20） | -9.8至-12.6 | +9.1至+12.0 | +8.6至+12.3 | 在1800 rpm发动机速度和1000 ppm抗氧化剂的情况下 | ±1.73 | (Fattah等人，2014) |
| BHT和MBE | 卡洛菲勒油生物柴油（CB30） | -25.95 | -+21.7 | -24.5 | 在1000-1800 rpm发动机速度和1%体积抗氧化剂的情况下 | ±4.1 | (Rashedul等人，2015) |
| BHA和BHT | 纯柠檬草油+柴油 | 9.1 | +11.8 | +10.2 | +16.6 | 在10500 rpm发动机速度和2000 ppm抗氧化剂的情况下 | ±2.8 | (Sathiyamoorthi和Sankaranarayanan，2016) |
| 乙氧基丁基羟基甲苯抗氧化剂 | 卡洛菲勒油甲酯 | 12.6 | -21 | - | 2.6 | +16.0 | 在100%发动机负荷和1000 ppm抗氧化剂的情况下 | ±1.02 | (Ashok等人，2017) |
| 生物油 | 向日葵生物柴油 | 3-4.4 | +14.3 | +0.7 | 在100%发动机负荷和1500-4400 rpm以及1.9 wt%抗氧化剂的情况下 | ±2.5 | (Dueso等人，2018) |
| p-苯二胺（PPDA） | α-生育酚醋酸酯（AT） | l-抗坏血酸（LA） | 无数据 | 在10500 rpm发动机速度和250 mg抗氧化剂浓度的情况下 | ±1.8 | (Rajendran，2020) |
| BHT | BHADPPD | PPD | 向日葵生物柴油 | 5.7 | -7.3 | -7.2 | -11.3 | -+0.6 | -0.8 | -2 | +8.46 | +8.46 | -6.28 | 在1500 rpm发动机速度和50至350 kN/m2发动机负荷以及1000 ppm抗氧化剂的情况下 | ±2.84 | (Abusweireh等人，2022) |
| PPDA | ATLA | 茉莉生物柴油 | 24.7 | -22 | -23.3 | 在1500 rpm和250 mg抗氧化剂的情况下 | ±2.0 | (Viswanathan等人，2021) |
| Pongamia pinnata叶粉（PPLP） | 朱麻生物柴油+氧氢（HHO）气体 | 10 | -8.3 | 1-33.3 | 1-30.8 | 在1500 rpm和0至4 kW负荷的情况下 | ±1.66 | (Paparao等人，2023) |
| Mangifera indica | Pongamia甲酯（PME） | -23.5 | +1.08 | -2.3 | 在1500 rpm和1000 ppm抗氧化剂的情况下 | ±2.0 | (Ramalingam等人，2024) |
| BHA | 石榴皮酒精提取物 | -26 | - | 33.8 | 在1800-2400 rpm和600 ppm抗氧化剂的情况下 | - | (Torkzaban等人，2025) |

*表中的负号表示相对于基准燃料的排放减少率。

7.3. 在关于替代燃料中抗氧化剂的文献中存在一些空白。首先，提供详细氧化稳定性数据（例如Rancimat/FS-TBIOX数据）以及在多种工作点下NOX/PM标准化变化的研究数量相当有限，这限制了估计稳定性-排放相关性的可能性。其次，通常是在单一基准燃料和抗氧化剂的基础上报告排放趋势，使得结果的系统比较变得困难。第三，普遍缺乏将纳米颗粒、天然提取物和合成抗氧化剂单独研究的文献，很少关注它们之间的相互作用或拮抗作用。当前综述试图通过整合214篇文章的标准化排放数据来填补这些空白，根据抗氧化剂的功能团和燃料类别对发现结果进行分类，并指出稳定性改进的表现与NOX和PM显著减少之间的关联程度。

8. 排放减少机制
生物燃料和生物柴油的一个重要特点是它们不含高浓度的氢原子，这导致火焰中的自由基浓度较低。因此，在CI发动机中实现完全燃烧非常困难，随着平均温度的降低，污染物的形成动力学增加（Zhang等人，2022年；Lee等人，2021年）。实际上，添加生物柴油可以延长混合物完全燃烧所需的时间（Colombo等人，2019年）。使用添加剂可能是解决这个问题的一个小方法，因为有机过氧基和烷氧基自由基也会降解其他过氧化物种，并改变动力学反应路径，从而总体上缩短点火延迟（Sabia等人，2021年）。如前所述，抗氧化剂被添加到CI发动机中以提高燃烧效率和性能，同时减少排放。抗氧化剂含有大量的碳-氢键，并通过主要以烷氧基、过氧基和羟基自由基的形式攻击不同的氧化步骤来添加多种自由基（Karishma等人，2022年）。羟基过氧基和过氧基自由基的浓度可以增加链引发步骤，从而改善燃料质量和降低排放（Jeyakumar和Narayanasamy，2020年）。

抗氧化剂与排放之间的机制联系可以概括为一般的氧化和抗氧化机制，如下：
燃料脂质过氧化链：
引发：RH+OH→R*+H2O
R*+O?→ROO*
传播：ROO* + RH → ROOH + R*
抗氧化剂自由基清除（以酚类为例，ArOH）：ROO*+ArOH → ROOH + ArO*
ArO*+R*→ArO?R

酚类抗氧化剂和氨基抗氧化剂通过向过氧基自由基（ROO）提供氢原子来破坏氧化机制，防止羟基过氧化物（ROOH）和聚合物化合物的形成，从而保持酸值和粘度较低。

8.1. 抗氧化剂对颗粒物排放的影响
许多研究人员报告称，向商业柴油燃料中添加6%重量的抗氧化剂后，柴油PM的颗粒数量（75%）、颗粒质量（52%）和碳质成分（61%）显著减少（Tsita等人，2020年；Belgiorno等人，2020年；Dahad和Fayad，2020年；Gren等人，2020年）。先前的研究（Fayad等人，2020年）也观察到PM质量和颗粒数量的减少。确定芳香族或光学特性（如超氧化物歧化酶模拟物）的存在对活性抗氧化剂衍生物的清除也很重要，例如通过超氧阴离子打破ROS级联反应（Hossain等人，2022年）。抗氧化剂还在替代燃料混合物中表现出良好的PO和燃料稳定性，这不仅影响20-50纳米的超细颗粒和200纳米的细纳米颗粒，这些颗粒具有高毒性（Nagappan等人，2023年）。抗氧化剂能够减小颗粒的大小和氧化潜力，对燃料环境有显著影响。同样，在双抗氧化剂混合物中添加己烷或甲苯（例如BHT + 2-壬基-1,4-萘醌）可以增强抗污染性能，促进汽油的适当燃烧和排放（Liu等人，2024年）。

在石油柴油与替代燃料的混合物中存在的抗氧化剂对PM排放有益。芳香族污染物的结构骨架的氧化在颗粒形成中起关键作用。研究表明，多环芳烃的氧化以及烷基硝酸盐添加剂在燃烧过程中会释放出高水平的危险有机中间体，这些中间体会影响烟尘颗粒及其气态前体（Gautam等人，2020年；Guo等人，2024年）。此外，先前的研究还报告称，与纯生物柴油和柴油燃料相比，添加抗氧化剂的生物柴油混合物的烟度数（SN）有所下降（见图2）。抗氧化剂还可以通过非共价或共价方式附着在烟尘表面，通过散射和吸收光线、与微量物种的相互作用等多种机制使无抗氧化剂的烟尘颗粒稳定或具有反应性（Naik和Dharmadhikari，2023年）。

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图2. 不同发动机负荷下，抗氧化剂（类型和浓度）对可再生燃料燃烧产生的烟度数（SN）的影响（Abusweireh等人，2022年）。

低分子量胶质和聚合物的减少抑制了喷油器的积碳和壁面润湿，有助于生物柴油滴剂的充分雾化。在这种情况下，通常观察到较低的PM和CO排放，因为烟尘前体被最小化，CO在燃烧后期和尾气后处理（EAT）阶段的进一步氧化得到促进。抗氧化剂稳定的燃料抑制了二次裂解和多环芳烃的形成，从而减少了柴油燃烧扩散-火焰阶段形成的固体碳质PM的质量。

8.2. 抗氧化剂对NOX排放的影响
抗氧化剂主要用于通过延缓或防止自发的氧化反应来提高储存生物燃料的氧化稳定性，但它们并不直接改变燃烧室内的空气-燃料混合物。酚类化合物、胺类和生育酚是自由基清除剂或过氧化物分解剂，可以防止燃料在储存过程中的降解，并改善燃料的质量和保质期（Longanesi等人，2022年；David和Kopac，2023年；Amran等人，2022年；Bello等人，2025年；Kahimbi等人，2025年）。

关于它们对燃烧化学和点火特性的影响，某些抗氧化剂群体被报道可以通过改变燃料性质间接影响点火延迟和燃烧行为。例如，酚类抗氧化剂已被证明会影响十六烷值和燃烧阶段，而胺类抗氧化剂会影响燃烧动力学（Elumalai等人，2021年）。其他形式的天然抗氧化剂，如生育酚，也被发现会影响生物柴油发动机的点火延迟和排放。研究发现，分子量较大的酚类抗氧化剂能够稳定生物柴油，而不会显著增加点火延迟，而氨基抗氧化剂仅对燃烧时间有轻微的延迟作用。因此，抗氧化剂的性质和浓度在保持储存特性和燃烧特性之间的平衡方面很重要（Zhao等人，2020年；Christensen和McCormick，2023年）。

根据上述研究，不能说抗氧化剂是空气-燃料比例的直接原因，但保持燃料完整性的添加剂可以通过改变燃料的化学组成和稳定性来调整燃烧特性（Oh等人，2021年）。氮氧化物（NOX）是柴油发动机中最危险的污染物之一，因为它们会导致酸雨和光化学烟雾的形成，并在全球变暖中起作用（Alani等人，2022年）。它们的形成机制很复杂，取决于燃烧过程中燃料和空气的温度和组成。在柴油发动机中，高温下的空气中的氮离子与氧气反应生成NOX排放。在燃烧过程中增加空气-燃料比例可以显著减少NOX排放，因此使用抗氧化剂来提高空气-燃料比例（这是燃烧反应所必需的）是一种众所周知的减少NOX的方法，如图3所示（Mera等人，2021年）。然而，过量的氧气会增加柴油机的排气温度并增加NOX排放（Li等人，2022年；Chen等人，2020年）。先前的研究表明，在生物柴油发动机中，通过向氧化棕榈油/柴油（EMD）混合物中添加ONO797（有机氮化合物），NOX排放浓度会随着ONO797的增加而增加，而随着EMD/柴油混合物的比例降低而减少（El Abbassi等人，2021年）。下载：下载高分辨率图像（345KB）下载：下载全尺寸图像 图3. 向可再生燃料中添加不同类型抗氧化剂对NOX减排的影响（Abusweireh等人，2022年）。抗氧化剂对NOX形成的影响较为间接，可能是双向的。在各种研究中，更好的雾化和更均匀的燃烧使生物柴油的点火延迟缩短，局部火焰温度略有降低，这导致NOX排放量略有减少。相反，在抗氧化剂提前于燃烧阶段或由于峰值温度升高而增强预混合燃烧比例的情况下，NOX排放量可能会增加。因此，NOX的变化被报告为在一定范围内的情况，在这些情况下，稳定性的提高伴随着NOX排放量的减少，而不是假设抗氧化剂总是能减少NOX。氧气的可用性和火焰的局部温度会影响主要的NO生成途径。N2O ? NO + N2O，因此抗氧化剂引起的燃烧阶段变化对燃烧中的NOX水平可能有正面或负面的影响，这取决于发动机的校准情况。胺类和有机金属抗氧化剂还可能改变点火质量（十六烷值）和催化表面反应，在实验中观察到它们会增加CO和HC的氧化，但仅会导致NOX排放量略有增加。同时，纯酚类抗氧化剂对燃烧阶段的影响很小。

9. 挑战与未来方向
在规划未来进一步改进燃烧过程时，需要设定可持续的污染物减排目标。这些目标必须通过复杂的电子控制单元（ECU）不断调节，该单元从检测设备中的传感器获取数据。这需要实时进行，以帮助实现一氧化氮、制动特定燃油消耗、未燃烧氢气和一氧化碳等物理量的测量。此外，还有其他因素定义了整个系统的改进，包括排气温度、功率输出、空气质量流量、烟雾和进气温度。在可预见的未来，需要进行大量研究，以寻找更有效的方法来降低其他类型柴油机的燃烧均匀度，使其低于目前的4％，从而实现可持续且环保的燃烧。这些发动机提供了更高的反应性和更低的排放可能性，并提高了可持续性。此外，通过使用两种燃料来减少传统燃料的使用也存在其他不便。实际上，一个可能的解决方案是使用甘油本身作为一种有效的方法来减少水分含量（Elumalai等人，2021年）。关于未来的研究，重要的是要将重点放在去除NOX和ROS上，因为它们对环境有害。通过关注这些进展并设计新的方法，可以实现改善燃烧过程的同时减少排放的目标。智能和创新的研究对于寻找传统燃料的合理替代品（如纳米流体和抗氧化剂）是必要的。为了获得非常高效的燃烧，燃烧室中需要湍流，同时需要较高的喷射压力。这种动态组合允许原材料有足够长的时间充分混合，从而实现平稳无瑕疵的燃料喷射（Hosseinabadi等人，2022年）。为了进一步改善混合过程，可以增加喷射角度，有效帮助材料的融合。此外，还需要优化抗氧化剂和纳米材料的变化，确保使用最有效的方法来维持发动机系统的恒定面积。通过统计数据分析并收集更好的数据，可以全面了解喷射角度、喷射器类型以及纳米材料或抗氧化剂浓度之间的关系。优化条件至关重要，特别是在减少未来石油资源枯竭和土地使用冲突所需的浓度方面。这种优化确保了发动机组件的安全性，为后代提供了可持续的解决方案。因此，进一步评估废食用油中抗氧化剂的性能及其实际应用和潜在益处是必要的。

9.1. 当前的限制和缺点
尽管在生物柴油中使用抗氧化剂添加剂已被证明在减少排放和氧化稳定性方面取得了积极的结果，但仍存在一些限制和不足。NOX、PM、CO和HC响应测量的重复性存在问题，而且通常不会在整个发动机运行周期内测量最佳抗氧化剂添加剂浓度[189]。此外，在高浓度下，某些抗氧化剂添加剂在兼容性和沉积方面存在潜在问题，而且对于这些材料在现代高压共轨柴油发动机中的长期活性也缺乏全面表征。关于氧化稳定性指数、完整排放数据的测量以及稳定性速率的全面测量，也缺乏足够的研究[190]。

9.2. 潜在的研究方向
与向替代燃料中添加抗氧化剂相关的研究和开发未来方向应集中在：
(i) 结合标准化的氧化稳定性测量与标准化的NOX、PM、CO和HC测量的发动机测试[191]；
(ii) 比较不同的抗氧化剂抑制剂，以确定优秀的选择标准和它们之间的相互作用[192]；
(iii) 长期研究不同抗氧化剂抑制剂的成本和生命周期影响，以确保减排方案在技术和经济上都是可行的[193,194]。

10. 结论与总结
本文分析的文献表明，适当选择的抗氧化剂添加剂可以显著提高生物柴油和其他替代柴油燃料的氧化稳定性，并且在大多数运行条件下，可以减少压缩点火发动机的有害氧化排放。特别是合成酚类抗氧化剂（如TBHQ、BHA和BHT）倾向于延长诱导时间和过氧化物的形成速率以及高分子量降解产物的生成速率。因此，与未经稳定处理的生物柴油相比，它们可以减少数十百分比的NOX和PM排放，尽管这种效果很大程度上取决于发动机和燃料的种类。对于其他参数（即CO和HC），大多数研究表明，当燃料用抗氧化剂稳定后，排放量减少或水平保持不变，这是因为燃料喷雾质量的改善和沉积物的最小化，尽管大多数配方之间存在权衡。总体而言，数据表明，为了在抗氧化剂化学、剂量和基础燃料方面取得最佳效果，需要对其进行共同优化：酚类和胺类抗氧化剂已被证明是最有效的，可以增强稳定性并减少NOX/PM。然而，天然提取物和有机金属或纳米添加剂也可能有效，尽管它们的效果更不可预测，在某些情况下可能对一种或多种污染物有害。由于发动机和测试方法的不同，此处列出的排放百分比变化不应被视为固定值，而应作为数值范围使用。然而，本文提供的标准化数据和分类方案为选择最有可能提供稳定燃料和更清洁燃烧的抗氧化剂类型和剂量提供了实用建议。

作者贡献声明
Mohammed A. Fayad：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、资源收集、方法论、调查、正式分析、概念化。
Rana R. Al-Ani：资源收集、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
Al-Hamid MAI：资源收集、方法论、资金获取、数据管理。
Mohammed Kawa Rasul：资源收集、项目管理、调查、正式分析、概念化。
Miqdam T. Chaichan：撰写——初稿、可视化、资源收集、调查、数据管理。
SuhA A. Mohammed：资源收集、项目管理、调查、数据管理。
Amar S. Abdul-Zahra：资源收集、项目管理、资金获取、正式分析。
Wissam H. Alawee：监督、资源收集、项目管理、调查、数据管理。
Khawla S. Khashan：可视化、监督、资源收集、项目管理、数据管理。