综述：生物柴油的燃料添加剂：对燃料性质、燃烧行为、发动机性能和排放的影响——系统综述

《Journal of the Energy Institute》：Fuel Additives for Biodiesel: Impacts on Fuel Properties, Combustion Behavior, Engine Performance, and Emissions – A Systematic Review

　　贝赫达德·沙迪迪 | 玛丽亚姆·达拉布普尔·德兹达拉尼
伊朗哈马丹布阿里·西纳大学农业学院生物系统工程系

摘要：生物柴油是全球能源转型中的关键低碳燃料；然而，其广泛应用受到氧化稳定性低、低温流动性差以及发动机性能和燃油经济性略有下降的限制。近年来，人们越来越多地研究化学添加剂、天然添加剂和纳米材料以克服这些挑战。本研究对2020年至2025年间发表的同行评审文献进行了系统回顾，分析了各种添加剂对生物柴油燃料性能（粘度、密度、浊点、氧化稳定性和低热值）、燃烧行为、柴油发动机性能和排放物的影响。结果表明，如TBHQ和BHT等化学抗氧化剂显著提高了氧化稳定性，而十六烷值改进剂（如2-EHN）减少了点火延迟并提高了燃烧效率。金属氧化物纳米添加剂（包括CeO2、TiO2和Al2O3）增强了燃料雾化、催化燃烧活性和热效率，从而显著降低了HC、CO和颗粒物排放。同时，来自植物废弃物的天然添加剂表现出有效的抗氧化活性，提高了储存稳定性，并由于其可再生性和生物降解性，可能有助于降低环境影响。尽管有这些优点，但仍存在一些挑战，包括纳米材料生产成本高、分散稳定性问题、长期发动机数据有限以及环境影响评估不足。总体而言，本综述强调了多功能添加剂、混合纳米-天然配方以及生命周期评估和技术经济分析整合在实现柴油-生物柴油燃料可持续工业应用中的关键作用。

引言
自19世纪初以来，工业革命标志着人类能源消费和需求的转折点。在此之前，人类主要依赖生物质能源，如木材和木炭。然而，随着工业化的到来，煤炭的使用量大幅增加，随后是石油和天然气，成为经济增长和工业发展的驱动力。历史数据显示，在过去两个世纪中，全球能源消费平均每年增长约1.7%，这一增长受到人口增长、工业活动扩张和能源效率提高的推动[1]。根据《2025年全球能源报告》，2024年的全球能源需求比上一年增长了约2.2%，其中电力消费的增长更为显著，达到了4.3%[2]。这种快速增长表明，人类对能源的需求不仅持续存在，而且还在加速。

随着能源消费的增加，环境负担也在加剧。人口增长、生活水平提高以及能源密集型技术的普及导致了更高的温室气体排放、空气污染物和自然资源的压力。尽管在能源效率和清洁能源方面取得了进展，但大多数能源供应仍然依赖于化石燃料，而这些燃料与CO2和NOx排放有关。在当今世界，环境压力、气候变化以及化石燃料储备的快速枯竭使得包括生物柴油在内的可再生能源成为全球能源组合中的重要替代品。例如，许多国家已将采用生物燃料以减少温室气体排放和增强能源安全作为战略重点[3]。因此，在全球能源格局中，通过使用生物柴油及相关添加剂提高柴油发动机的效率和环保性能将在实现可持续发展目标中发挥关键作用。

生物柴油作为一种从可再生生物质中提取的液体生物燃料，为减少对有限化石燃料的依赖和缓解交通运输领域的温室气体排放提供了可行的途径。最近的生命周期评估表明，当原料选择和加工能源得到优化时，使用非食品原料或回收油制成的生物柴油可以大幅降低CO2当量排放[4]。生物催化和全细胞酯交换过程的进步提高了生物柴油混合物的生产率和发动机性能，进一步增强了其技术可行性[5]。此外，宏观经济预测和政策分析表明，生物柴油通过多样化的原料供应链增强了本地能源安全，尽管其市场竞争力仍受政策激励和商品价格的影响[6]。总体而言，这些发现使生物柴油成为低碳交通转型的战略重要组成部分。图1展示了主要生物柴油原料（包括植物油和废弃物）价格波动与全球原油价格变动之间的关系，突显了它们对生物柴油市场竞争力的综合影响。该图显示，尽管近年来原料和化石燃料价格持续波动，但生物柴油的生产和消费在很大程度上仍得到了政策激励和财政支持机制的支撑。这一证据表明，生物柴油行业的长期稳定性更多依赖于连贯的政策框架和全球商品市场的稳定性，而不仅仅是技术进步或生产效率[6]。

中东冲突的加剧以及俄罗斯在乌克兰的战争突显了世界面临的持续能源安全风险。2023年全球能源危机的某些直接影响已经开始减弱，但进一步中断的风险仍然很高。过去几年的经验表明，依赖性可以迅速转化为脆弱性。自2020年以来，全球范围内引入了近200项影响清洁能源技术的贸易措施，其中大部分是限制性的，而前五年期间只有40项[7]。根据国际能源署的《既定政策情景》，到2030年OPEC+的原油备用产能预计将显著增加；这一现象表明潜在的石油供应与全球需求增长之间存在日益严重的不匹配。这种情况，加上化石燃料的结构性约束（如严重的市场波动、资源地理集中、地缘政治风险和日益增加的环境压力），表明长期依赖原油作为主要燃料面临着严重的不确定性[7]。从这个角度来看，备用产能的增加不仅是可持续能源安全的标志，也反映了石油市场对需求冲击和脱碳政策的脆弱性。因此，开发和逐步替代化石燃料（如生物柴油）作为减少依赖性、增强能源安全和降低温室气体排放的补充和必要策略，变得越来越具有战略重要性。

图2显示了2024年至2029年全球生物柴油市场价值的增长趋势，反映了与传统化石柴油相比，这种可再生燃料的需求和采用率的显著增加。这一增长是由环境压力上升、减少温室气体排放的监管要求、油价上涨和市场波动以及各国对能源安全的关注所推动的。2024年生物柴油市场的价值约为579.1亿美元，预计到2025年将达到约610.1亿美元。这一上升趋势表明，生物柴油正越来越多地被接受为化石柴油的替代品，其经济和环境效益是全球市场增长的关键驱动力[8]。因此，这些前景和政策突显了可再生能源成为可持续能源未来的基石的潜力。对于像生物柴油这样的生物燃料来说，它们在未来的能源格局中起着至关重要的作用，因为它们来源于生物质，主要用于交通运输领域。它们的利用可以促进碳中和（从而减少排放）、能源安全（降低能源依赖性）和农村发展（创造就业机会）等优势。事实上，世界上许多国家都关注这些实践，例如美国、欧洲、中国或巴西等国家/地区已经投资于可再生能源项目和政策，其中一些研究强调了根据不同标准制定战略能源组合和能源生产规划的重要性[4],[9],[10]。

生物柴油作为一种可再生且环保的燃料，具有许多优势；然而，其在柴油发动机中的实际应用面临若干挑战，必须在设计、储存和操作过程中加以仔细考虑。与传统的化石柴油相比，生物柴油通常具有更高的浊点和冷滤堵塞点（CFPP）。这一特性特别是在低温下会促进蜡晶的形成，增加粘度，并可能导致过滤器堵塞，从而引起燃料泵送困难和发动机启动问题[11]。生物柴油中存在不饱和脂肪酸甲酯，使其容易氧化。这一过程会导致过氧化物水平升高、挥发性酸的形成和不可溶性沉积物的产生，这些都会改变燃料性能，降低储存稳定性，并对燃烧性能产生不利影响[12],[13]。生物柴油还面临能量密度低、氧化稳定性差和相对较高的温室气体排放等挑战[14]。

总体而言，尽管生物柴油具有显著优势，但其广泛采用需要同时关注燃料的物理化学性质、严格的质量控制、添加剂的实施（如抗氧化剂或低温流动性改进剂），以及燃烧系统和后处理技术的调整。这些措施对于减轻高浊点、低氧化稳定性和沉积物形成带来的不利影响至关重要。纳米颗粒作为燃料添加剂、催化剂和性能增强剂在生物柴油系统中的实际应用已得到广泛研究。重点在于它们在改善燃料燃烧、减少温室气体排放和提高整体能源效率方面的作用。随着对可再生能源需求的增长，将纳米技术整合到生物柴油系统中为迈向更高能源效率的可持续未来提供了有希望的途径[15]。为了解决这些限制，提出了有针对性的添加剂使用方法。抗氧化剂如BHT、BHA和天然酚类化合物通过抑制氧化反应有效提高了生物柴油的化学稳定性[16]。另一方面，纳米颗粒添加剂（如TiO2和CuO）在生物柴油中增强了燃烧过程，降低了燃料消耗，提高了发动机热效率，并显著减少了HC、CO和PM排放。因此，它们显著提高了生物柴油燃料的整体性能和清洁度[17]。此外，基于生物的润滑添加剂有助于保护发动机的金属部件并减少磨损[18]。具体而言，最近的研究表明，将金属纳米颗粒与天然抗氧化剂结合使用可以在提高氧化稳定性和降低燃料消耗方面产生显著的协同效应[19]。总体而言，从抗氧化剂到纳米催化剂的多种添加剂的智能整合不仅克服了生物柴油的技术限制，也为开发可持续和高效的燃料铺平了道路。

具有良好控制特性的纳米颗粒的生产以及天然添加剂的提取和纯化过程本质上成本较高。与纳米添加剂结合相关的工业规模成本及其对整体燃料生产成本的影响尚未得到系统报告或标准化。因此，需要进行全面的技术经济分析（TEA）以可靠地评估这些添加剂技术的工业可行性[20]。纳米颗粒悬浮液在燃料中的长期稳定性以及天然添加剂在真实工业储存条件下的长期氧化相关参数影响仍不够清楚。虽然短期实验室研究取得了有希望的结果，但仍需要全面的长期储存研究来可靠地评估添加剂在实际条件下的性能[12],[21],[22]。大多数现有研究基于加速或短期测试；因此，展示添加剂在真实世界条件（如温度波动、湿度和与储罐材料接触）下保持保护效果的现场数据和长期储存研究仍然有限。这种缺乏长期证据的情况削弱了燃料供应商和炼油厂对这些添加剂可靠性和实际适用性的信心[23]。

添加剂在柴油-生物柴油燃料中的效果高度依赖于发动机类型、生物柴油混合比例以及运行温度和负载条件；因此，将其推广到工业应用以及在不同发动机平台上的测试协议标准化仍然具有挑战性[24]。使用纳米颗粒可能会导致CO2排放增加，因为更高的氧原子可用性和改善的燃烧条件会增强发动机气缸内的氧化反应[25]。这反过来又引发了关于长期使用纳米颗粒或基于油的提取物时过滤器、喷嘴和喷油器中沉积物形成的担忧；然而，现场操作数据仍然有限，仍需系统评估材料侵蚀和发动机部件在实际运行条件下的磨损[25]。在这方面，将成功的实验室规模配方转化为稳定、成本效益高且可工业化生产的配方需要开发工艺技术以及健全的质量控制和质量保证（QC/QA）标准[21]。因此，尽管许多研究报道了积极的效果，但由于燃料制备方法、测量单位（ppm vs. mg/L vs. % v/v）和测试协议的多样性，阻碍了可比较数据的汇总和稳健的元分析的进行；因此，需要建立一个标准化的数据库和统一的报告指南[24]、[25]。大多数研究都是实验室或试点规模的短期研究；关于在实际发动机工作循环下的性能、对组件的累积影响以及长期储存期间燃料性质变化的证据不足。需要进行实地研究和长期跟踪以进行验证[21]。纳米颗粒对环境的影响是多方面的，包括正面和负面影响，尤其是在将纳米颗粒添加到柴油、生物柴油及其混合物中时。正如本文前几节所讨论的，向燃料中添加纳米颗粒可以提高燃烧效率并减少有害的尾气排放，从而减轻空气污染。纳米颗粒通过燃料燃烧进入环境，其存在可以在车辆尾气中与其他废气一起被检测到。在燃烧之前，纳米颗粒并不会直接释放到环境中。此外，不完全燃烧可能导致纳米颗粒在废物流中持续存在[26]。然而，细小纳米颗粒在尾气中的潜在释放及其向环境（空气、水、土壤）的转移，以及对人类和生态系统的长期毒性和炎症效应，仍然知之甚少。综述文章指出，关于应用于燃料的纳米材料的环境数据和风险评估有限，进一步的研究对于进行全面的风险评估至关重要[27]、[28]。释放到环境中的纳米颗粒可能会与其他污染物相互作用，特别是在水生系统中，这可能影响海洋生物。需要更详细的研究来评估将纳米颗粒添加到燃料中的环境影响，确保其安全和负责任的使用。目前，研究人员正在探索优化纳米颗粒与柴油、生物柴油及其混合物配方的途径，以最大化其益处同时将潜在的负面影响降到最低[29]。在本文中，我们旨在系统地追求三个主要目标。首先，我们对生物柴油燃料中使用的各种添加剂进行分类，包括化学添加剂、天然添加剂和纳米添加剂，并分析每一类添加剂对关键柴油-生物柴油燃料性质（如粘度、浊点、氧化稳定性和能量含量）的影响[30]。其次，我们通过回顾实验和实验室证据，分析这些添加剂对柴油发动机性能和排放特性（包括CO、HC、NOx和颗粒物）的影响，突出不同操作条件下每种添加剂类型的模式、优势和局限性[25]、[31]。第三，我们指出了文献中的现有研究空白，如缺乏长期储存研究、新型添加剂的环境和生命周期影响、纳米颗粒与天然抗氧化剂之间的协同作用以及经济可扩展性的限制。基于这些空白，我们提出了未来研究的优先方向[30]、[32]。虽然许多研究报道了添加剂对生物柴油稳定性和燃烧性质的影响，但在长期评估和工业可扩展性方面仍存在显著差距。本文旨在提供最近研究的全面系统回顾，以评估不同添加剂对燃料性质和发动机性能的影响，并概述未来的研究路径。

方法论
本研究针对现有证据进行了有针对性的结构化回顾，探讨了燃料添加剂在改善柴油-生物柴油混合物的燃料性质和发动机性能方面的作用。虽然纯生物柴油（B100）在原料依赖的物理化学特性和基线性质比较的背景下进行了讨论，但本回顾的主要分析重点在于含有燃料添加剂的柴油-生物柴油混合物配方，因为这些配方代表了最常见的情况。

生物柴油的物理和化学性质概述
生物柴油在全球范围内由多种原料生产，这种多样性导致最终燃料的化学成分和物理特性存在显著差异[33]。常见的原料包括食用植物油（如棕榈油[Balfas等人，2024]）、大豆油[35]、菜籽油和葵花籽油[36]、[37]、废弃食用油（WVO）[38]、微藻[39]、动物脂肪[40]、非食用本土油（如麻疯树[39]、[41]）以及各种微藻。

生物柴油添加剂类型
在整个回顾中，“纳米添加剂”一词始终用于指代作为燃料添加剂加入生物柴油-柴油混合物中的纳米级金属氧化物和碳基材料；“纳米颗粒”和“纳米材料”这两个术语在引用的文献中出现，但在本工作中具有相同的含义。

讨论
前面章节中呈现的总体发现表明，生物柴油-柴油混合物的性能受到燃烧化学、热力学约束和传输现象的相互作用的影响，这三个相互关联的领域在评估燃料添加剂的作用时必须同时考虑。从燃烧化学的角度来看，化学添加剂（如十六烷值改进剂和醚类）的有效性与其降低...的能力密切相关...

未来方向
最近的研究表明，纳米添加剂可以有效增强柴油-生物柴油燃料的物理化学性质和燃烧过程；然而，需要系统性的研究来考察不仅包括即时性能（例如，燃烧改善或燃料消耗减少），还包括分散稳定性、沉积倾向以及在实际时间框架内的性质变化。此外，天然化合物（如提取物和生物抗氧化剂）也显示出...

结论
这项全面回顾的结果表明，无论是化学添加剂、天然化合物还是纳米添加剂，都是克服生物柴油及其混合物固有局限性的最有效策略之一。它们可以通过同时改善物理化学性质、增强燃烧过程和减少排放，在开发更清洁、更高效的燃料方面发挥决定性作用。本研究收集的证据表明...

作者贡献声明
Behdad Shadidi：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
Maryam Darabpour Dezdarani：撰写——原始草稿、资源、方法论、调查

未引用的参考文献[34]、[59]、[144]。

利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。