國內外燃油添加劑性能評價方法綜述

郝 婧，危紅媛，銀增輝，景曉軍，吳春玲

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

0 引言

燃油清凈劑是可清除和抑制發動機燃油系統、進氣系統和燃燒室沉積物的物質，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和成的復合型試劑，是一種既親水又親油的雙性化合物[1]。當燃油清凈劑加入燃油并進入發動機后，其分子中的非極性基團會優先吸附到金屬表面并形成一層保護膜，在保護膜的阻隔下，發動機燃燒產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]。隨著我國油品升級步伐的不斷加快，單一的清除積碳和膠質物的功效已遠不能適應現階段機動車節能減排的需要，燃油清凈劑不僅需要具備抑制沉積物生成的功效，還要求達到降低污染物排放、減少燃油消耗和提升動力的目的。因此，市場上出現了各類通過改善發動機燃燒過程、降低摩擦等技術措施達到節能減排效果的多功能復合添加劑產品，即燃油清凈增效劑。

目前，國外燃油添加劑的評價標準主要有美國ASTM標準體系、歐洲CEC標準體系以及雅富頓、殼牌等知名油劑公司企標，標準以評價燃油清凈劑的清潔和保潔效果為主，還沒有進一步落實到節能減排效果的評價上。我國的燃油清凈劑標準《車用汽油清凈劑》（GB 19592—2019）[3]中關于噴嘴質量流量損失率和模擬進氣閥沉積物質量的測量均在模擬試驗條件下進行，試驗條件與發動機缸內反應情況有較大差別，也不能直接表征燃油添加劑的節能減排特征。隨著2018年6月《國務院關于印發打贏藍天保衛戰三年行動計劃的通知》中 “研究銷售前在車用汽柴油中加入符合環保要求的燃油清凈增效劑”要求的提出，山東省率先發布了汽油清凈增效劑的節能減排效果評價標準《汽油清凈增效劑技術要求》（DB37/T 3862—2020）[4]。本文主要介紹目前國內外汽油和柴油添加劑的評價方法。

1 國內外汽油添加劑性能評價方法

1.1 國外汽油添加劑性能評價方法

1.1.1 美國ASTM D6201 FORD 2.3L 評價方法

ASTM D6201評價方法采用Ford 2.3L發動機作為試驗發動機，用于評定汽油發動機燃料生成進氣門沉積物的傾向[5]。該試驗共分為兩個循環工況，工況間的過渡時間為30 s，每13 min循環一次，試驗時長共計100 h，總共約462個循環試驗工況。表1詳細列出了該發動機臺架試驗工況及參數條件。

表1 ASTM D6201方法試驗循環工況及參數Tab.1 Test cycle conditions and parameters of ASTM D6201 method

1.1.2 歐洲CEC F05 M102E 2.3L評價方法

歐洲的CEC F05方法采用德國梅塞德斯-奔馳公司的M102E 2.3L汽油機作為試驗用發動機，該方法主要用于評定發動機進氣閥沉積物的生成傾向。該發動機為直列四缸頂置凸輪軸發動機，采用KE型電控燃油噴射系統，試驗共分為4個循環工況，每個工況的過渡時間為5 s，總試驗時長為60 h，試驗各循環工況及參數詳見表2。該方法的運行工況包括了怠速循環和低、中、高負荷的循環，比 Ford 2.3L法更能體現實際行駛路況的特征。該評價方法通過對試驗后發動機進氣閥進行評分，以及對試驗前后的進氣閥進行稱重來評定汽油清凈劑的效果。

1.1.3 歐洲CEC F20 M111評價方法

歐洲還采用CEC F20方法來評定發動機進氣閥沉積物（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汽油機作為試驗用發動機，此發動機為直列四缸頂置凸輪軸發動機，每缸具有4氣閥，發動機采用電控燃油噴射系統。試驗共分為4個循環工況，每個工況間的切換時間為10 s，計入各階段內，試驗按照該循環工況連續運行60 h，具體試驗工況及參數詳見表3。

表3 CEC F20 M111方法試驗循環工況及參數Tab.3 CEC F20 M111 method test cycle conditions and parameters

1.2 我國汽油添加劑評價方法

1.2.1 汽油清凈劑評價方法

我國現行的汽油添加劑標準為《車用汽油清凈劑》（GB 19592—2019）[3]，除限制汽油清凈劑的理化指標外，還限制使用燃油清凈劑后的噴嘴質量流量損失率、進氣閥沉積物質量以及總燃燒室沉積物質量增加率。其中，噴嘴質量流量損失率和模擬進氣閥沉積物質量的測量均在模擬的試驗條件下進行，其試驗條件與發動機缸內反應情況有較大差別，不能直接表征燃油添加劑的節能減排特征。此外，平均進氣閥沉積物和總燃燒室沉積物質量增加率的測試方法為GB/T 19230.5—2003規定的Ford 2.3L方法[6]和GB/T 19230.6—2003規定的 M111方法[7]，這兩種方法均以進氣道噴射發動機為主要研究對象，隨著缸內直噴汽油機市場份額的不斷變化，針對新技術條件下的發動機實際節能減排效果的考核就顯得十分重要。

1.2.2 汽油清凈增效劑評價方法

山東地標《汽油清凈增效劑技術要求》（DB37/T 3862—2020）[4]是我國首部規定了燃油添加劑節能減排效果評價方法的標準。該方法選用吉利JLE-4G18TDB型發動機作為試驗發動機，選取32個典型工況，在一定邊界條件控制下，通過檢測發動機污染物排放、經濟性和動力性等指標的變化來評價含清凈增效劑的車用汽油/乙醇汽油的污染物減排效果、節油效果和動力提升效果。為了能夠真實模擬汽車發動機的運行過程，此標準選取了搭載試驗發動機車輛實測車速為40 km/h、60 km/h、90 km/h下發動機轉速為1 750 rpm、1 900 rpm和2 250 rpm的工況，覆蓋了車輛在市區、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。

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

1.3 其他汽油添加劑評價方法研究

雅富頓化工公司對燃油添加劑產品的評價方法，開發出了缸內直噴發動機噴嘴沉積物累積方法，該方法采用加速劑實現噴嘴積碳的快速累積，通過長期燃油修正系數表征噴嘴的積碳情況，圖2是其開發的基于底盤測功機的噴嘴沉積物累積循環。除了適用于不同車輛的沉積物累積之外，該方法還適用于發動機臺架測試，以及穩態和變化工況等不同測試循環下的噴嘴沉積物累積[8]。

圖2 雅富頓缸內直噴發動機的噴嘴沉積物評價循環[8]Fig.2 Afton’s Direct Injection Engine Nozzle Deposit Evaluation Cycle[8]

Gueit等[9]基于一臺1.4 L的缸內直噴汽油機開發了汽油添加劑發動機臺架評價方法。圖3是開發的測試循環，目的是使噴嘴尖端達到高溫，從而在噴油器噴嘴上產生大量沉積物。在汽油添加劑的評價試驗中，該循環被重復運行30 h，汽油添加劑的性能通過測試噴嘴的流量損失來進行評價。

圖3 Gueit等[9]開發的汽油添加劑評價循環Fig.3 Gasoline additive evaluation cycle developed by Gueit et al.[9]

1.4 小結

表4對比了上述幾種國內外汽油添加劑的評價方法，從表中可以看到，國外的三種評價方法均以進氣閥和燃燒室沉積物作為汽油添加劑清凈性能的評價指標，且試驗發動機均為20世紀90年代的進氣道噴射發動機，發動機技術較為老舊。我國的車用汽油清凈劑國家標準引用了美國和歐洲的評價方法，同樣以進氣閥和燃燒室沉積物生成傾向來評價清凈性能。此外，山東地標《汽油清凈增效劑技術要求》（DB37/T 3862—2020）提出了汽油添加劑的節能減排和動力提升性能的評價方法，進一步為市場中汽油添加劑產品質量的篩選提供了有效方法，同時加強了汽油添加劑產品質量的管控。

表4 國內外汽油添加劑評價方法Tab.4 Evaluation Methods of Gasoline Additives at Home and Abroad

2 國內外柴油添加劑性能評價方法

2.1 國外柴油添加劑性能評價方法

2.1.1 美國Cummins L10柴油清凈劑評價方法

美國采用的Cummins L10柴油清凈性發動機臺架試驗方法是使用兩臺前后縱向串聯排列的Cummins L10六缸直列直噴柴油發動機，兩臺發動機以2 300 r/min的轉速交替運行，試驗時間共計125 h，試驗總燃油消耗量為1 700 L，試驗工況每次運行時間為15 s，發動機的具體試驗運行工況見表5。該評價方法主要是通過檢查發動機臺架試驗前后噴油器流量的變化和試驗結束后針閥上的沉積物來評價柴油清凈劑的性能。

表5 Cummins L10發動機試驗參數Tab.5 Cummins L10 engine test parameters

2.1.2 歐洲CEC F23 XUD9評價方法

歐洲采用的CEC F23 XUD9發動機臺架試驗評價方法使用的發動機為直列四缸間噴柴油機，試驗共分為4個工況，4個工況循環運行134次，總的試驗時間為10 h，具體發動機運行工況及參數見表6。該評價方法通過測量發動機臺架試驗前后噴嘴空氣質量流量來確定燃油形成沉積物的傾向。

表6 CEC F23方法試驗循環工況及參數Tab.6 CEC F23 method test cycle conditions and parameters

2.1.3 歐洲CEC F98評價方法

歐洲的CEC F98 DW10B噴嘴外部沉積試驗方法基于歐4 PSA DM10 2.0L四缸渦輪增壓發動機進行，試驗配備歐5噴油器，目標是區分不產生可測量沉淀物的燃料和產生沉淀物導致發動機制造商認為不可接受的2%功率損失的燃料。測試循環共分為12個階段，持續時間為1 h。測試運行8個循環，然后停機熱浸4小時，重復3次，再進行8次循環后測試結束。在該試驗方法中，在每個試驗循環的最后階段直接測量發動機功率，并將其用作測量噴油器結垢或堵塞的措施。因此，在每次試驗中，對功率進行32次測量。每個階段（循環）的功率變化使用測試開始功率計算，然后將其轉換為測試開始時功率的百分比。

表7 CEC DW10測試循環工況Tab.7 CEC DW10 test cycle conditions

2.1.4 歐洲CEC F110評價方法

此外，歐洲的CEC F-110-16評價方法采用PSA DW10C四缸渦輪增壓直噴柴油機進行柴油噴油器內部沉積物測試，使用共軌燃料系統發動機評價清凈劑對柴油噴油器內部由鈣和鈉的羧酸鹽引起的沉積物的有效清理性能。該試驗程序包括在發動機運行的主運行循環之前，先進行冷啟動，然后進行交替的靜置周期。每次主運行持續6 h，包括5 min轉速為1 000 rpm,扭矩為10～15 N·m和25 min轉速為3750 rpm，功率為110 kW的階段。

2.2 我國柴油添加劑評價方法

2.2.1 柴油清凈劑評價方法

我國柴油清凈劑的現行標準為《柴油清凈劑》（GB/T 32859—2016）[10]，標準中限制了柴油清凈劑的理化指標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準為《柴油機噴嘴結焦試驗方法（XUD-9 法）》（SH/T 0764—2005）[11]。隨著排放法規的升級，現有的發動機技術大多都裝配了共軌、高壓、直噴燃油系統，新技術的應用對發動機燃油噴射壓力和噴嘴直徑都有了新的要求，噴射壓力已經達到1 600 bar，噴嘴直徑小于0.1 mm，然而現行的《柴油機噴嘴結焦試驗方法（XUD-9法）》（SH/T 0764—2005）主要用于非直噴發動機柴油清凈性的評價，已經不能滿足新技術條件下柴油清凈性的評價試驗要求。

2.2.2 柴油清凈增效劑評價方法

中國汽車技術研究中心有限公司基于江淮HFC4DB2-1D型2.0 CTI柴油機開發了以污染物減排率和節油率為考察指標的柴油清凈增效劑發動機臺架評價方法。由于在車輛實際運行過程中，柴油機的HC和CO排放濃度很低且能被后處理系統有效清除，因此該評價方法對污染物減排率的評價主要考察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循環進行。發動機的油耗評價測試選取發動機常用的8個轉速下的4個負荷（100%、75%、50%和25%）共計32個工況進行。具體運行工況條件如表8所示。

表8 中國汽車技術研究中心有限公司開發的柴油清凈增效劑評價方法Tab.8 Evaluation method of diesel detergent synergist developed by China Automotive Technology Research Center Co.，Ltd.

2.3 其他柴油添加劑評價方法研究

殼牌公司參照CEC F98的柴油添加劑評價方法，采用代表歐洲市場高銷量的歐5乘用車車型，開發了基于整車底盤測功機的柴油添加劑評價方法。測試循環如表 9所示，測試運行時間為36.5 h，包括0.5 h的暖機階段和各12 h的穩定階段、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情況評價添加劑的清潔效果。

表9 殼牌公司開發的柴油添加劑評價循環Tab.9 Diesel additive evaluation cycle developed by Shell

2.4 小結

表10對比了國內外柴油添加劑的評價方法，從表中可以看出，這幾種評價方法多是以噴嘴流量損失、功率損失和噴嘴內部沉積物等來對柴油添加劑的清凈性能進行評價的，目前還沒有柴油添加劑節能減排效果的相關評價方法。

表10 國內外柴油添加劑評價方法Tab.10 Evaluation Methods of Diesel Additives at Home and Abroad

3 結語

本研究綜述了國內外燃油添加劑的性能評價方法，主要包括國內外汽油添加劑和柴油添加劑的評價方法。綜合全文得出以下幾點結論：

目前國外的燃油添加劑評價方法均以考察其積碳清除和抑制效果的清凈性為主，尚無考察其實際節能減排效果的評價方法，我國的燃油清凈劑國家標準同樣沒有體現對其實際節能減排效果的評價，這就導致市場上以實現車輛節能減排為目的開發的燃油添加劑產品無法得到有效的監管，致使我國燃油添加劑市場魚龍混雜，消費者無法甄別。

現行燃油添加劑評價法規多基于非直噴式汽油機、柴油機，發動機技術老舊，已經不能滿足新技術條件下燃油添加劑的評價試驗要求。

山東地標《汽油清凈增效劑技術要求》（DB37/T 3862—2020）規定了含清凈增效劑車用汽油/乙醇汽油的污染物減排、節油和動力提升效果的檢驗方法，填補了我國燃油添加劑節能減排效果評價方法的空白。

建議加快制定燃油清凈增效劑節能減排效果評價的國家標準，以加強燃油清凈增效劑產品的研發和管理，進一步推進燃油清凈增效劑的使用，助力我國碳達峰、碳中和目標的實現。