柴油机燃油节能助燃添加剂研究进展

陈 然，熊 云，杨 浩，吴 芃（后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系，重庆 401331）



柴油机燃油节能助燃添加剂研究进展

陈 然，熊 云，杨 浩，吴 芃
（后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系，重庆 401331）

摘要：在柴油中添加节能助燃剂能提升燃油燃烧效率，降低燃油消耗，减少排放污染。介绍了柴油节能助燃剂的发展、分类及研究现状，对不同类型添加剂的功效和作用机理进行分析，并阐述了其评价方法；同时指出节能助燃剂的今后发展方向，为开展相关研究提出了建议。

关键词：柴油机；燃油；节能助燃剂；排放

据英国石油公司（BP）最新发布的《2035年全球能源展望》报告指出，从2015至2035年，全球能源需求将增长37%，预计中国将超越欧洲成为世界上最大的能源进口国。随着我国经济的持续发展和人口的增长，对石油资源的需求也日益加速。但当今世界石油资源危机和环境污染日益严重，节能和减排已成为全球性的重要课题。以石油系燃料为能源的内燃机当前正面临着来自于节约能源和满足日益苛刻的排放要求的巨大挑战［1］。

大量研究表明［2-4］：柴油机是日益产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用最好、最节能、有害气体排放量较少的机型。然而，国产柴油的品质较差，柴油发动机普遍存在着耗油量大、燃烧效率低和排放黑烟等问题。为提高燃油品质及其燃烧性能，达到节能减排的最终目的，除了依靠提高燃油加工工艺和技术水平外，在燃油中添加节能助燃剂可以起到催化助燃作用，加快燃烧速度，使燃油燃烧能尽量完全释放，提高燃油利用率，从而降低油耗，减少污染物排放。使用节能助燃剂不用改变发动机结构或增加其他设备装置，因此被认为是一种降低排放和提高经济性的最佳方法［5］。

1　国内外节能助燃剂的发展过程

节能助燃剂的研究与应用始于上世纪50年代，1949年，Bartholome和Sachsse首次作了关于使用火焰添加剂以减少碳烟生成的报告，节能助燃剂的研究广泛开展起来，此时的助燃剂成分大多是无机金属盐。到70年代，全球性能源危机与环境污染问题的出现，各国相继出台限制尾气排放的法规，国外对节能助燃剂进行了大量深入的研究，并开发了大量产品，如US 5087267、JP 90 738895等报道的多项专利技术［6-8］；另外还有 EP0632123A1、WO95/25153、US4234435等公开减少尾气排放的助燃剂专利，此时节能助燃剂的研究重点以油溶性有机金属盐为主。2000年后，无灰型有机化合物逐步引起人们重视，纳米技术的发展及纳米材料制备技术的成熟，节能助燃剂研究有了新的突破和发展。

我国燃油节能助燃剂的研制与应用虽然起步较晚，但也取得了一定的进展。国内也有一些节能助燃添加剂专利出现，如 97101718.2、98100110.6、97103811.2等专利，有些产品已应用于实际生产中，但国内很多节能助燃剂性能单一、实际节油率较低，并且很多采用了金属组分，很容易造成二次污染，对发动机的耐久性也有严重影响。随着我国机动车数量的猛增和燃油质量的升级换代，对节能助燃添加剂的质量和效能将提出更高的要求。

2　节能助燃剂的分类及研究现状

在众多的国内外专利文献中，根据节能助燃剂燃烧后的产物的不同，可分为两类：含金属的有灰型节能助燃剂和含纯有机化合物的无灰型节能助燃剂。近几年随着复合技术和纳米技术的发展，节能助燃添加剂出现了新的结构和类型—复合型节能助燃剂和纳米节能助燃剂。

2.1有灰型节能助燃剂

有灰型节能助燃剂，按其金属特性，可分为以下几类［9］：（1）碱金属化合物，如KNO3、NaNO3；（2）碱土金属化合物，如Ca、Mg、Ba的羧酸盐；（3）过渡金属化合物，如苦味酸铁、MMT、环烷酸锌；（4）稀土化合物，如Ce、La的脂肪酸盐，乙酰丙酮盐；（5）贵金属化合物，如 Pt、Pd、Rh金属配合物等。

以上各类化合物以油溶性的脂肪酸盐、羧酸盐、环烷酸盐、磺酸盐、有机磷酸盐、酚盐及配合物的形式引入燃油，或以其氧化物的形式借助中间溶剂分散或溶解在燃油中，具有助燃、节能、减烟、减少积碳、降低有害气体排放的作用。如 Ca、Mg、Sr、Ba、Fe、Cu、Mo、Ce、La的环烷酸盐复合用于柴油中，可以有效改善柴油燃烧性能；Mg和Fe 的C7～C25脂肪酸盐对燃油燃烧有催化作用。王洪斌等［10］在一台TY1100柴油机上用纯柴油和加0.15%环烷酸铈助燃剂的柴油进行了试验，结果表明环烷酸铈助燃剂降低碳烟和NOx排放作用显著，烟度降低在60%以上，平均节油率在3.8%以上。隆江等［11］研究用Fe、Ni、Mn、Mg的环烷酸盐作为助燃剂，使碳烟排放降低20%～30%。

关于有灰型节能助燃剂的作用机理，一般认为，其催化助燃作用主要来自其金属成分的金属效应，在燃烧过程中，金属阳离子可以有效地降低燃油分子C-H键的活化性能和提高氧化链引发速度，有利于燃油分子的雾化扩散和氧化燃烧，降低了燃油的燃点，促进了其着火性；同时还具有催化碳粒氧化和反催化燃油分子在高温缺氧条件下热裂解作用，提高了燃油的燃烧速度，燃烧更加充分，有效减少碳烟排放［12］。目前研究较多的是稀土化合复合物，辛寅昌等［13.14］研制的NAC-26有机稀土添加剂，不仅具有强催化活化性能，还具有高比表面和表面能以及优越地储氧能力，能促进燃油完全燃烧，有效提高节油效率。

2.2无灰型节能助燃剂

无灰型节能助燃剂不含金属，主要是以含氧、含氮的羟基、胺基、羰基、羧基以及醚键和酯键等官能团的芳香族、脂肪族、聚合物等取代的单一有机物或多功能复合有机物组成［9］。常见的无灰型节能助燃剂，主要分为以下几类：（1）羧基类，如乳酸化合物、有机过氧化物、硝酸酯类；（2）氨基类，如多乙烯多胺、三乙醇胺；（3）聚合物类，如聚异丁烯、聚异丁烯丁二酰亚胺；（4）复合有机物类，如酚醛基取代丁二酰亚胺。

无灰型节能助燃剂功效不如有灰型明显，但其最大特点是燃烧后不产生灰分，不存在二次污染问题。这类添加剂是含多种官能团的复杂化合物，能起多重作用，其作用机理比较复杂，主要有：

在燃烧起始阶段受热分解，可以释放出活性自由基强化燃烧，加速燃烧过程；研究表明［15］：在燃油中添加适量的二叔丁基过氧化物，其能够在低温分解、释放热量并产生活性自由基，进而引发低温链式反应，缩短着火延迟期，提前最大放热率的位置，有助于改善柴油机的燃烧状况。有的具有表面活性，可以降低燃油与空气边界上的表面张力，使燃油雾化得更好，燃烧更加完全［16］；研究表明［17］：在燃油中添加烷基酚聚氧乙烯醚等混合非离子表面活性剂，可以降低燃油冰点，降低NOx排放；加入量 0.05%～1%（体积分数）时可以使燃油燃烧更完全。有的具有清净洗涤作用，在燃烧的同时，清除喷嘴处沉积物和燃烧室、进排气门的积碳，可以在金属表面上形成保护膜，防止在燃烧室和喷油嘴上结焦，从而达到节能和环保的作用；如南京化工股份有限公司［18］多功能添加剂专利，包括聚异丁烯丁二酰亚胺、硼化无灰分散剂、聚醚胺等有效成分，可有效清除积炭，减少黑烟和尾气排放。

目前国内外对无灰型节能助燃剂的研究重点主要放在含氧型的醇类、醚类和酯类等有机化合物上，研究较多的是乙醇、二甲基醚、二甲氧基甲烷、乙二醇二甲基醚、二乙二醇二甲醚、聚甲氧基二甲醚、碳酸二甲酯、乙二醇单乙醚乙酸酯等。该类添加剂的特点是含氧量高，在燃油燃烧过程中起到自供氧作用，使燃料燃烧更加完全，改善发动机的做功效率，降低碳烟或颗粒物排放［19-21］。聚甲氧基二甲醚（PODE）是一种最具发展前景的含氧无灰型节能助燃添加剂，Jakob Burge研究发现［22］：在柴油中添加5%～30%的PODE3-8，能有效降低NOx和颗粒污染物的排放，提高柴油的燃烧性能。邓小丹等［23］通过对聚甲氧基二甲醚与柴油不同配比的考察，确定较优的添加量为20%，其使柴油的凝点降低6℃，十六烷值提高 7，且符合0#柴油国标标准，有效改善了柴油使用性能。目前含氧无灰型节能助燃剂的研究品种单一且添加量比较大，一般至少大于10%（体积分数），可能会对柴油的理化性能造成不利影响。

2.3复合型节能助燃剂

复合型节能助燃剂是针对单一功能添加剂而言的多功能节能助燃剂。通过复配技术，使有灰剂之间、有灰剂与无灰剂之间的节能助燃作用得以互补，协同功效增强，研制出更经济、更有效的节能助燃添加剂。张月红等［24］采用 Ce、Pt的有机配合物及碳酸酯制备出一种稀土复合型柴油催化助燃剂，台架试验烟度降低 7.8%，NOx排放降低7.0%，且发动机热效率有所提高。马林才［25］考察了有机金属化合物、十六烷值改进剂和表面活性剂的复合使用效果，并得到最优配方，在HZD433B柴油机上，添加质量分数为0.15%的该配方添加剂后，燃油消耗率平均下降2.2%，排气烟度平均下降19%。

2.4纳米节能助燃剂

纳米材料因其独特的性能和广阔的应用前景，在燃油添加剂等领域备受关注。通过纳米技术将微量元素制成纳米单位的成分配制在燃油中，赋予燃油新的优良特性。纳米节能助燃剂由有机化合物及纳米分子组成，加入燃油后，在燃烧室高温作用下，纳米混合体便发生气体性微爆，使燃油二次雾化，充分燃烧，提高了热效率，节省燃油，减少废气排放；纳米中活化分子，直接攻击油分子中的长链碳键，及时清理粘附在受热面等部位的油垢、胶质及燃烧室中的积炭，延长了发动机使用寿命。

随着纳米科学技术不断发展，纳米材料制备技术不断成熟，如何通过表面活性化学修饰来增强纳米微粒的油溶性，使其在燃油中有更好的稳定性和分散性，是目前研究和探索的重点问题。如英国Oxonica公司开发了一项可使纳米微粒均匀稳定分散于柴油中的专利［26］。朱焕勤等［27］用脂肪酸对3种纳米微粒进行有效修饰，结果表明，经表面修饰后的纳米微粒油溶性显著提高，不同程度改善了燃油燃烧性能。张东恒等［28］用油溶性水杨醛亚胺化合物与三氯化铈配位，再结合超重力反应工艺，得到了粒径小、分布窄且在油中稳定分散的纳米 CeO2微粒，通过发动机台架试验，此添加剂使内燃机节油可达7%左右，同时降低了碳烟等有害物质排放。

3　节能助燃剂作用效果的评价方法

目前节能助燃剂以柴油机和以重油为燃料的锅炉应用最多。我国还没有燃油添加剂的行业标准或国家标准，在节能助燃剂的作用效果评价上，除了一般理化指标分析和化学组成结构分析外，主要进行了模拟评价试验方法和台架试验方法。

3.1模拟评价试验方法

（1）灰色相关分析法

通过测定加入节能助燃剂后油样的物理性质（十六烷值、粘度、表面张力和自燃点等），与加入已知作用效果较好的添加剂的油样的物理性质进行灰色相关分析，综合试验结果的关联顺序。可以比较快速、准确地判断柴油节能助燃剂的作用效果［29］。

（2）低压氧弹燃烧法

低压氧弹燃烧法是实验室评价节能助燃添加剂效能的常用方法，这一方法操作简单，燃烧压力高，试样用量少，测试时间短，可同时测定多种组分。实验过程参考GB/T 384-1981（石油产品热值测定法）测定加剂前后燃油的发热量以及燃烧后残余物质量。采用2个评定指标，即发热量变化率Z和每克柴油燃烧后残余物质量变化率R对添加剂进行助燃效果的评定［30］。

3.2发动机台架试验和道路行车试验

发动机台架试验按照GB/T 1105-1987（内燃机台架性能试验方法）进行，在发动机条件不变的情况下，分别进行发动机速度特性和负荷特性对比试验。通过测试节油率、烟度变化率和NOx等有害排放物的变化率等指标，来评价节能助燃剂对发动机动力性、经济性和排放性的影响效果。利用燃烧分析仪考察节能助燃剂对发动机燃烧过程的影响，可以进行作用机理的研究。

道路行车试验要求同一辆汽车在实际运行工况条件下进行对比试验，按照GB/T 12534-1990（汽车道路试验方法通则）检验节能助燃剂的实际使用效果，不做机理研究。发动机台架试验和道路行车试验是节能助燃剂推广和应用前必须进行的评价方法。

4　发展与展望

汽车的发展、能源的紧缺和环保要求的日益苛刻，节能助燃添加剂作为最为便捷和有效的节能减排手段之一，将引起人们广泛的重视，研究适合国内柴油的新型、高效且符合环保要求的节能助燃剂有重大的经济、社会意义。然而国内节能助燃剂的研发与国外还有一定差距，对不同类型节能助燃剂的作用机理，还缺乏深层次的研究，产品的实用效果不理想。

（1）根据目前研究现状来看，含氧无灰型添加剂是节能助燃剂的重要发展趋势。它对柴油的燃烧和排放产生影响，主要是依靠胺基、羟基、羧基、羰基以及醚键、酯键等有效官能团。今后应加强对各种官能团的作用机理进行研究，通过引入新的官能基团进行合理组合，或对分子结构重新设计合成新的醚酯类线状有机化合物，以获得更高效的节能助燃添加剂。

（2）目前单一的有灰型或无灰型节能助燃剂正逐步向多功能复合型节能助燃剂的方向发展。利用有灰型和无灰型添加剂的协同效应，或不同类型节能添加剂之间的协同效应，研制出具有助燃、清净、抗氧、防腐、润滑等多功能的节能助燃剂。在进行复配研究时，要注重复合添加剂的配伍性、稳定性、高效性、经济性。

（3）纳米材料添加剂在节省燃油和降低排放方面有着突出的优势和广阔的前景，采用最新的液相纳米分散组装技术和先进生产工艺，开发综合性能优越的燃油节能助燃剂，是节能助燃添加剂新的发展方向。

（4）开展节能助燃剂功效评价方法的研究，建立新的模拟评价指标，并对模拟评价指标与节能助燃剂实际使用效果的相关性进行论证。研究出快速、准确、经济的评价方法，为新型节能助燃剂的研发提供参考标准，还可以节省大量发动机台架试验资源。

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Research Progress of Diesel Fuel Combustion Improver

CHEN Ran，XIONG Yun，YANG Hao，WU Peng
（Department of Oil Application and Management Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 401331，China）

Abstract：Adding energy-saving combustion improver in diesel oil can upgrade diesel fuel's combustion efficiency，improve brake specific fuel consumption，and reduce exhaust emission.In this article，the history and classification of diesel oil combustion improver were introduced as well as the current situation in research and application.The effect and action mechanisms of different type additives were analyzed，and the method of its evaluation was also described.Meantime，the future development of the energy-saving combustion improver was predicted；recommendations for the related research were put forward.

Key words：Diesel engine；Fuel oil；Energy-saving combustion improver；Emission

中图分类号：TK428.9

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）01-0081-04

收稿日期：2015-08-03

作者简介：陈然（1987-），男，山东肥城人，硕士研究生，研究方向：军用装备节油技术。E-mail：wychr2@163.com。

通讯作者：熊云（1962-），男，教授，研究方向：军用油品应用工程和油料节约。E-mail：xy0000001@sina.com。