郝 婧，危紅媛，銀增輝，景曉軍，吳春玲

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

0 引言

燃油清凈劑是可清除和抑制發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和燃燒室沉積物的物質(zhì)，主要是由清凈劑、攜帶劑、分散劑、溶劑和其他功能性添加劑按一定比例調(diào)和成的復(fù)合型試劑，是一種既親水又親油的雙性化合物[1]。當(dāng)燃油清凈劑加入燃油并進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后，其分子中的非極性基團(tuán)會(huì)優(yōu)先吸附到金屬表面并形成一層保護(hù)膜，在保護(hù)膜的阻隔下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的沉積物很難在金屬表面黏附，從而減少沉積物的形成[2]。隨著我國油品升級(jí)步伐的不斷加快，單一的清除積碳和膠質(zhì)物的功效已遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)階段機(jī)動(dòng)車節(jié)能減排的需要，燃油清凈劑不僅需要具備抑制沉積物生成的功效，還要求達(dá)到降低污染物排放、減少燃油消耗和提升動(dòng)力的目的。因此，市場上出現(xiàn)了各類通過改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程、降低摩擦等技術(shù)措施達(dá)到節(jié)能減排效果的多功能復(fù)合添加劑產(chǎn)品，即燃油清凈增效劑。

目前，國外燃油添加劑的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要有美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系、歐洲CEC標(biāo)準(zhǔn)體系以及雅富頓、殼牌等知名油劑公司企標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)以評(píng)價(jià)燃油清凈劑的清潔和保潔效果為主，還沒有進(jìn)一步落實(shí)到節(jié)能減排效果的評(píng)價(jià)上。我國的燃油清凈劑標(biāo)準(zhǔn)《車用汽油清凈劑》（GB 19592—2019）[3]中關(guān)于噴嘴質(zhì)量流量損失率和模擬進(jìn)氣閥沉積物質(zhì)量的測量均在模擬試驗(yàn)條件下進(jìn)行，試驗(yàn)條件與發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)反應(yīng)情況有較大差別，也不能直接表征燃油添加劑的節(jié)能減排特征。隨著2018年6月《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃的通知》中 “研究銷售前在車用汽柴油中加入符合環(huán)保要求的燃油清凈增效劑”要求的提出，山東省率先發(fā)布了汽油清凈增效劑的節(jié)能減排效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)《汽油清凈增效劑技術(shù)要求》（DB37/T 3862—2020）[4]。本文主要介紹目前國內(nèi)外汽油和柴油添加劑的評(píng)價(jià)方法。

1 國內(nèi)外汽油添加劑性能評(píng)價(jià)方法

1.1 國外汽油添加劑性能評(píng)價(jià)方法

1.1.1 美國ASTM D6201 FORD 2.3L 評(píng)價(jià)方法

ASTM D6201評(píng)價(jià)方法采用Ford 2.3L發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，用于評(píng)定汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料生成進(jìn)氣門沉積物的傾向[5]。該試驗(yàn)共分為兩個(gè)循環(huán)工況，工況間的過渡時(shí)間為30 s，每13 min循環(huán)一次，試驗(yàn)時(shí)長共計(jì)100 h，總共約462個(gè)循環(huán)試驗(yàn)工況。表1詳細(xì)列出了該發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)工況及參數(shù)條件。

表1 ASTM D6201方法試驗(yàn)循環(huán)工況及參數(shù)Tab.1 Test cycle conditions and parameters of ASTM D6201 method

1.1.2 歐洲CEC F05 M102E 2.3L評(píng)價(jià)方法

歐洲的CEC F05方法采用德國梅塞德斯-奔馳公司的M102E 2.3L汽油機(jī)作為試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)，該方法主要用于評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥沉積物的生成傾向。該發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，采用KE型電控燃油噴射系統(tǒng)，試驗(yàn)共分為4個(gè)循環(huán)工況，每個(gè)工況的過渡時(shí)間為5 s，總試驗(yàn)時(shí)長為60 h，試驗(yàn)各循環(huán)工況及參數(shù)詳見表2。該方法的運(yùn)行工況包括了怠速循環(huán)和低、中、高負(fù)荷的循環(huán)，比 Ford 2.3L法更能體現(xiàn)實(shí)際行駛路況的特征。該評(píng)價(jià)方法通過對(duì)試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥進(jìn)行評(píng)分，以及對(duì)試驗(yàn)前后的進(jìn)氣閥進(jìn)行稱重來評(píng)定汽油清凈劑的效果。

1.1.3 歐洲CEC F20 M111評(píng)價(jià)方法

歐洲還采用CEC F20方法來評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥沉積物（IVD）和燃燒室沉積物（CCD）的生成傾向。該方法使用德國梅塞德斯-奔馳公司的M111 2.0L汽油機(jī)作為試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)，此發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，每缸具有4氣閥，發(fā)動(dòng)機(jī)采用電控燃油噴射系統(tǒng)。試驗(yàn)共分為4個(gè)循環(huán)工況，每個(gè)工況間的切換時(shí)間為10 s，計(jì)入各階段內(nèi)，試驗(yàn)按照該循環(huán)工況連續(xù)運(yùn)行60 h，具體試驗(yàn)工況及參數(shù)詳見表3。

表3 CEC F20 M111方法試驗(yàn)循環(huán)工況及參數(shù)Tab.3 CEC F20 M111 method test cycle conditions and parameters

1.2 我國汽油添加劑評(píng)價(jià)方法

1.2.1 汽油清凈劑評(píng)價(jià)方法

我國現(xiàn)行的汽油添加劑標(biāo)準(zhǔn)為《車用汽油清凈劑》（GB 19592—2019）[3]，除限制汽油清凈劑的理化指標(biāo)外，還限制使用燃油清凈劑后的噴嘴質(zhì)量流量損失率、進(jìn)氣閥沉積物質(zhì)量以及總?cè)紵页练e物質(zhì)量增加率。其中，噴嘴質(zhì)量流量損失率和模擬進(jìn)氣閥沉積物質(zhì)量的測量均在模擬的試驗(yàn)條件下進(jìn)行，其試驗(yàn)條件與發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)反應(yīng)情況有較大差別，不能直接表征燃油添加劑的節(jié)能減排特征。此外，平均進(jìn)氣閥沉積物和總?cè)紵页练e物質(zhì)量增加率的測試方法為GB/T 19230.5—2003規(guī)定的Ford 2.3L方法[6]和GB/T 19230.6—2003規(guī)定的 M111方法[7]，這兩種方法均以進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)為主要研究對(duì)象，隨著缸內(nèi)直噴汽油機(jī)市場份額的不斷變化，針對(duì)新技術(shù)條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際節(jié)能減排效果的考核就顯得十分重要。

1.2.2 汽油清凈增效劑評(píng)價(jià)方法

山東地標(biāo)《汽油清凈增效劑技術(shù)要求》（DB37/T 3862—2020）[4]是我國首部規(guī)定了燃油添加劑節(jié)能減排效果評(píng)價(jià)方法的標(biāo)準(zhǔn)。該方法選用吉利JLE-4G18TDB型發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，選取32個(gè)典型工況，在一定邊界條件控制下，通過檢測發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性等指標(biāo)的變化來評(píng)價(jià)含清凈增效劑的車用汽油/乙醇汽油的污染物減排效果、節(jié)油效果和動(dòng)力提升效果。為了能夠真實(shí)模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程，此標(biāo)準(zhǔn)選取了搭載試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)車輛實(shí)測車速為40 km/h、60 km/h、90 km/h下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750 rpm、1 900 rpm和2 250 rpm的工況，覆蓋了車輛在市區(qū)、市郊以及高速的工況。圖1是DB37/T 3862—2020中的汽油清凈增效劑城市/市郊/高速混合測試循環(huán)。

圖1 山東地標(biāo)DB37/D 3862—2020中的汽油清凈增效劑混合測試循環(huán)Fig.1 Shandong landmark DB37/D 3862—2020 gasoline detergent synergist hybrid test cycle

1.3 其他汽油添加劑評(píng)價(jià)方法研究

雅富頓化工公司對(duì)燃油添加劑產(chǎn)品的評(píng)價(jià)方法，開發(fā)出了缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴沉積物累積方法，該方法采用加速劑實(shí)現(xiàn)噴嘴積碳的快速累積，通過長期燃油修正系數(shù)表征噴嘴的積碳情況，圖2是其開發(fā)的基于底盤測功機(jī)的噴嘴沉積物累積循環(huán)。除了適用于不同車輛的沉積物累積之外，該方法還適用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試，以及穩(wěn)態(tài)和變化工況等不同測試循環(huán)下的噴嘴沉積物累積[8]。

圖2 雅富頓缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴沉積物評(píng)價(jià)循環(huán)[8]Fig.2 Afton’s Direct Injection Engine Nozzle Deposit Evaluation Cycle[8]

Gueit等[9]基于一臺(tái)1.4 L的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)開發(fā)了汽油添加劑發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架評(píng)價(jià)方法。圖3是開發(fā)的測試循環(huán)，目的是使噴嘴尖端達(dá)到高溫，從而在噴油器噴嘴上產(chǎn)生大量沉積物。在汽油添加劑的評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，該循環(huán)被重復(fù)運(yùn)行30 h，汽油添加劑的性能通過測試噴嘴的流量損失來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3 Gueit等[9]開發(fā)的汽油添加劑評(píng)價(jià)循環(huán)Fig.3 Gasoline additive evaluation cycle developed by Gueit et al.[9]

1.4 小結(jié)

表4對(duì)比了上述幾種國內(nèi)外汽油添加劑的評(píng)價(jià)方法，從表中可以看到，國外的三種評(píng)價(jià)方法均以進(jìn)氣閥和燃燒室沉積物作為汽油添加劑清凈性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，且試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)均為20世紀(jì)90年代的進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)較為老舊。我國的車用汽油清凈劑國家標(biāo)準(zhǔn)引用了美國和歐洲的評(píng)價(jià)方法，同樣以進(jìn)氣閥和燃燒室沉積物生成傾向來評(píng)價(jià)清凈性能。此外，山東地標(biāo)《汽油清凈增效劑技術(shù)要求》（DB37/T 3862—2020）提出了汽油添加劑的節(jié)能減排和動(dòng)力提升性能的評(píng)價(jià)方法，進(jìn)一步為市場中汽油添加劑產(chǎn)品質(zhì)量的篩選提供了有效方法，同時(shí)加強(qiáng)了汽油添加劑產(chǎn)品質(zhì)量的管控。

表4 國內(nèi)外汽油添加劑評(píng)價(jià)方法Tab.4 Evaluation Methods of Gasoline Additives at Home and Abroad

2 國內(nèi)外柴油添加劑性能評(píng)價(jià)方法

2.1 國外柴油添加劑性能評(píng)價(jià)方法

2.1.1 美國Cummins L10柴油清凈劑評(píng)價(jià)方法

美國采用的Cummins L10柴油清凈性發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法是使用兩臺(tái)前后縱向串聯(lián)排列的Cummins L10六缸直列直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)以2 300 r/min的轉(zhuǎn)速交替運(yùn)行，試驗(yàn)時(shí)間共計(jì)125 h，試驗(yàn)總?cè)加拖牧繛? 700 L，試驗(yàn)工況每次運(yùn)行時(shí)間為15 s，發(fā)動(dòng)機(jī)的具體試驗(yàn)運(yùn)行工況見表5。該評(píng)價(jià)方法主要是通過檢查發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)前后噴油器流量的變化和試驗(yàn)結(jié)束后針閥上的沉積物來評(píng)價(jià)柴油清凈劑的性能。

表5 Cummins L10發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)參數(shù)Tab.5 Cummins L10 engine test parameters

2.1.2 歐洲CEC F23 XUD9評(píng)價(jià)方法

歐洲采用的CEC F23 XUD9發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸間噴柴油機(jī)，試驗(yàn)共分為4個(gè)工況，4個(gè)工況循環(huán)運(yùn)行134次，總的試驗(yàn)時(shí)間為10 h，具體發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況及參數(shù)見表6。該評(píng)價(jià)方法通過測量發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)前后噴嘴空氣質(zhì)量流量來確定燃油形成沉積物的傾向。

表6 CEC F23方法試驗(yàn)循環(huán)工況及參數(shù)Tab.6 CEC F23 method test cycle conditions and parameters

2.1.3 歐洲CEC F98評(píng)價(jià)方法

歐洲的CEC F98 DW10B噴嘴外部沉積試驗(yàn)方法基于歐4 PSA DM10 2.0L四缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)配備歐5噴油器，目標(biāo)是區(qū)分不產(chǎn)生可測量沉淀物的燃料和產(chǎn)生沉淀物導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)制造商認(rèn)為不可接受的2%功率損失的燃料。測試循環(huán)共分為12個(gè)階段，持續(xù)時(shí)間為1 h。測試運(yùn)行8個(gè)循環(huán)，然后停機(jī)熱浸4小時(shí)，重復(fù)3次，再進(jìn)行8次循環(huán)后測試結(jié)束。在該試驗(yàn)方法中，在每個(gè)試驗(yàn)循環(huán)的最后階段直接測量發(fā)動(dòng)機(jī)功率，并將其用作測量噴油器結(jié)垢或堵塞的措施。因此，在每次試驗(yàn)中，對(duì)功率進(jìn)行32次測量。每個(gè)階段（循環(huán)）的功率變化使用測試開始功率計(jì)算，然后將其轉(zhuǎn)換為測試開始時(shí)功率的百分比。

表7 CEC DW10測試循環(huán)工況Tab.7 CEC DW10 test cycle conditions

2.1.4 歐洲CEC F110評(píng)價(jià)方法

此外，歐洲的CEC F-110-16評(píng)價(jià)方法采用PSA DW10C四缸渦輪增壓直噴柴油機(jī)進(jìn)行柴油噴油器內(nèi)部沉積物測試，使用共軌燃料系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)清凈劑對(duì)柴油噴油器內(nèi)部由鈣和鈉的羧酸鹽引起的沉積物的有效清理性能。該試驗(yàn)程序包括在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的主運(yùn)行循環(huán)之前，先進(jìn)行冷啟動(dòng)，然后進(jìn)行交替的靜置周期。每次主運(yùn)行持續(xù)6 h，包括5 min轉(zhuǎn)速為1 000 rpm,扭矩為10～15 N·m和25 min轉(zhuǎn)速為3750 rpm，功率為110 kW的階段。

2.2 我國柴油添加劑評(píng)價(jià)方法

2.2.1 柴油清凈劑評(píng)價(jià)方法

我國柴油清凈劑的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為《柴油清凈劑》（GB/T 32859—2016）[10]，標(biāo)準(zhǔn)中限制了柴油清凈劑的理化指標(biāo)和以空氣流量損失率來表征的噴嘴清潔度，其中噴嘴清潔度的測試標(biāo)準(zhǔn)為《柴油機(jī)噴嘴結(jié)焦試驗(yàn)方法（XUD-9 法）》（SH/T 0764—2005）[11]。隨著排放法規(guī)的升級(jí)，現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)大多都裝配了共軌、高壓、直噴燃油系統(tǒng)，新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射壓力和噴嘴直徑都有了新的要求，噴射壓力已經(jīng)達(dá)到1 600 bar，噴嘴直徑小于0.1 mm，然而現(xiàn)行的《柴油機(jī)噴嘴結(jié)焦試驗(yàn)方法（XUD-9法）》（SH/T 0764—2005）主要用于非直噴發(fā)動(dòng)機(jī)柴油清凈性的評(píng)價(jià)，已經(jīng)不能滿足新技術(shù)條件下柴油清凈性的評(píng)價(jià)試驗(yàn)要求。

2.2.2 柴油清凈增效劑評(píng)價(jià)方法

中國汽車技術(shù)研究中心有限公司基于江淮HFC4DB2-1D型2.0 CTI柴油機(jī)開發(fā)了以污染物減排率和節(jié)油率為考察指標(biāo)的柴油清凈增效劑發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架評(píng)價(jià)方法。由于在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中，柴油機(jī)的HC和CO排放濃度很低且能被后處理系統(tǒng)有效清除，因此該評(píng)價(jià)方法對(duì)污染物減排率的評(píng)價(jià)主要考察NOx和PM兩種污染物的排放，排放測試工況按照《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691—2018）中的WHSC循環(huán)進(jìn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗評(píng)價(jià)測試選取發(fā)動(dòng)機(jī)常用的8個(gè)轉(zhuǎn)速下的4個(gè)負(fù)荷（100%、75%、50%和25%）共計(jì)32個(gè)工況進(jìn)行。具體運(yùn)行工況條件如表8所示。

表8 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司開發(fā)的柴油清凈增效劑評(píng)價(jià)方法Tab.8 Evaluation method of diesel detergent synergist developed by China Automotive Technology Research Center Co.，Ltd.

2.3 其他柴油添加劑評(píng)價(jià)方法研究

殼牌公司參照CEC F98的柴油添加劑評(píng)價(jià)方法，采用代表歐洲市場高銷量的歐5乘用車車型，開發(fā)了基于整車底盤測功機(jī)的柴油添加劑評(píng)價(jià)方法。測試循環(huán)如表 9所示，測試運(yùn)行時(shí)間為36.5 h，包括0.5 h的暖機(jī)階段和各12 h的穩(wěn)定階段、累碳階段和清潔階段，最終以使用柴油添加劑后車輛的功率恢復(fù)情況評(píng)價(jià)添加劑的清潔效果。

表9 殼牌公司開發(fā)的柴油添加劑評(píng)價(jià)循環(huán)Tab.9 Diesel additive evaluation cycle developed by Shell

2.4 小結(jié)

表10對(duì)比了國內(nèi)外柴油添加劑的評(píng)價(jià)方法，從表中可以看出，這幾種評(píng)價(jià)方法多是以噴嘴流量損失、功率損失和噴嘴內(nèi)部沉積物等來對(duì)柴油添加劑的清凈性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的，目前還沒有柴油添加劑節(jié)能減排效果的相關(guān)評(píng)價(jià)方法。

表10 國內(nèi)外柴油添加劑評(píng)價(jià)方法Tab.10 Evaluation Methods of Diesel Additives at Home and Abroad

3 結(jié)語

本研究綜述了國內(nèi)外燃油添加劑的性能評(píng)價(jià)方法，主要包括國內(nèi)外汽油添加劑和柴油添加劑的評(píng)價(jià)方法。綜合全文得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

目前國外的燃油添加劑評(píng)價(jià)方法均以考察其積碳清除和抑制效果的清凈性為主，尚無考察其實(shí)際節(jié)能減排效果的評(píng)價(jià)方法，我國的燃油清凈劑國家標(biāo)準(zhǔn)同樣沒有體現(xiàn)對(duì)其實(shí)際節(jié)能減排效果的評(píng)價(jià)，這就導(dǎo)致市場上以實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能減排為目的開發(fā)的燃油添加劑產(chǎn)品無法得到有效的監(jiān)管，致使我國燃油添加劑市場魚龍混雜，消費(fèi)者無法甄別。

現(xiàn)行燃油添加劑評(píng)價(jià)法規(guī)多基于非直噴式汽油機(jī)、柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)老舊，已經(jīng)不能滿足新技術(shù)條件下燃油添加劑的評(píng)價(jià)試驗(yàn)要求。

山東地標(biāo)《汽油清凈增效劑技術(shù)要求》（DB37/T 3862—2020）規(guī)定了含清凈增效劑車用汽油/乙醇汽油的污染物減排、節(jié)油和動(dòng)力提升效果的檢驗(yàn)方法，填補(bǔ)了我國燃油添加劑節(jié)能減排效果評(píng)價(jià)方法的空白。

建議加快制定燃油清凈增效劑節(jié)能減排效果評(píng)價(jià)的國家標(biāo)準(zhǔn)，以加強(qiáng)燃油清凈增效劑產(chǎn)品的研發(fā)和管理，進(jìn)一步推進(jìn)燃油清凈增效劑的使用，助力我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。