最近几年，中国中东部经济发达区域频频出现雾霾天气，范围超过国土面积的七分之一，引起公众的密切关注。在此背景下，年初有人在对某公交车队进行调查的基础上，在上海市人民代表大会和政治协商会议上呼吁推广柴油掺水的技术以达到节能减排、保护环境的目的。这项技术就是将一定比例的水掺入柴油中，将其喷入柴油机气缸进行燃烧。又因自古道“水油不交融”，所以又加入乳化剂将水和柴油制成乳状液。此举能够在一定程度上减少排放，降低油耗。但是，与此同时可能会带来一些副作用，甚至损害发动机的正常安全运行，故应谨慎行事。本文将讨论相关问题。
乳化水柴油开发利用的历史
乳化水柴油就是指水和柴油制成的乳状液。这一名称是笔者从英文“emultified fuel”或德文“emulgierter Kraftstoff”翻译过来的。不过，同样的东西，其名称五花八门，有称作燃油-水-乳状液(英文“Fuel-Water-Emulsions”，德文“Kraftstoff-Wasser-Emulsion”)的，有称作乳状液燃油(英文“Emulsion Fuel”，德文“Emulsionskraftstoff”)的，有称作乳化柴油(英文“emulsified diesel fuel”，德文“emulgierter Dieselkraftstoff)的。德文中还有称作水柴油(“Wasserdiesel”)的等等，不一而足。为求统一起见，本文姑且统称其为“乳化水柴油”。
据报道，乳化水柴油用作柴油机燃料的实践可追溯到1900年代。在此期间形成了数百项不同的专利。与标准的柴油相比，乳化水柴油可减少排放，提高燃油经济性。
美国有人报道，乳化水柴油始于1931年，当时美国人约塞夫·范斯(Joseph Vance)创新性地采用乳化方法为供暖设施或内燃机制备液态燃油。这是可以追溯到的最早的有名有姓的关于乳化水柴油创始人的报道。
乳化水柴油出现并存在这么多年的理由大致可归纳为：
·在降低NOx和PM排放的同时，还能一定程度上节省燃油
·从传统的柴油、煤油或者重油转换到乳化水柴油，不要求对发动机进行彻底的改造。采购人员可以继续从他们现有的燃油供应商那儿获得燃油，所以不必突然中断现有的供应链或者只有有限的合同会发生更替·能满足2030年的减排和环保要求
·提高润滑性能，从而保护发动机。听起来这有点费解，其实真要做到这一点是有条件的，并不容易。
乳化水柴油减排节能的机理
一个必须回答的问题是，水对燃烧过程起到了怎样的物理和化学作用。通过观测可以确定的事实是，尾气温度下降了。
水的加入极大地减少了NOx的排放。直接与喷入的燃油相接触的水蒸汽使气缸内局部地降温。较低的温度导致较少的NOx生成。氮氧化物是在高压和高温下空气中的氮与氧化合而成的，是有毒、有气味的物质。NOx的减少也仰仗于缩小了局部的高温区，不过降温的区域有限，从全局来看，火焰温度的降低并不明显，所以加入的水对于热效率的不利影响可以忽略不计。
从原理上说，水进入气缸可有三种不同的方式：
·往进入气缸的充量空气中加水
·在压缩冲程中通过第二个喷嘴直接往气缸中喷水，其中有一部分与燃油同时喷入
·在进入喷油系统之前将燃油和水做成乳化水柴油，接着以常规方式喷入气缸供燃烧。
所有这三种方式都基于同一个思路：在燃烧过程中减少有害物质的形成，即机内净化，这与尾气后处理不同。
前面两种方式的原理都是使空气润湿，同时将水份分布到气缸的充量中去，这降低了压缩和燃烧阶段温度升高的幅度，导致生成较少的NOx，但是也使得点燃和燃烧条件恶化(提高碳烟和颗粒物的排放)。为了使NOx排放明显地减少，要求喷入相对较高的水量比例。与此相反，在乳化水柴油中，水混入到了燃油中间，因而被集中地带到了火焰前锋中。
归纳起来就是两种方法，一种是，水的进入可以以一种分层喷射的方式进行，在此过程中水在喷射之前储存在喷油嘴中的柴油之间。另一种方法是，在进入喷油泵之前就制备成燃油和水的乳状液，然后将其喷入燃烧室。两种情况下都将因为添加了水而提高喷油油束的热容量。
虽说前一种方法即水的喷射是一个值得探讨的话题，但更多的人还是聚焦于乳化技术，这是一种可持续地减少温室气体排放的方法，这种方法可以迅速地实施，无须对传统汽车的发动机进行很多改动。
从理论上说，NOx和颗粒物PM都是在高温下，分别在氧充分和氧不足的条件下生成的。所以两者形成此消彼长的关系。但是两者都是在高温条件下生成的。目前有两种方法可以同时抑制这两种倾向：EGR(废气再循环)和乳化水柴油。两者都是向气缸内引入惰性物质。惰性物质不参加燃烧，但却会增大混合气的热容量，采用乳化水柴油时还由于水的汽化潜能而吸收热量，所以能使燃烧区的温度降下来。
与此同时，掺入燃油中的水由于较高的气体温度和喷射能量而发生爆炸式的汽化(微观爆炸)。由于水蒸汽的爆破作用，使得燃油油滴更为细化，混合气生成得更好，在燃烧室内分布得更广，促进了混合气的生成，燃油释放出更多的能量，气体平均温度更高，这可以被解释成燃烧区膨胀得更大的结果。这一效应不应被忽略。这两种效应导致：
·油滴生成/混合气生成得到改善。
·火焰和温度曲线变得均匀分布。·减少了碳烟的生成。
·减少了氮氧化物的生成。
·减少了CO和甲醛的生成。
采用乳化水柴油时，喷油油束的热容量因通过乳化掺入到燃油中的水而提高了。因此，燃油的蒸发滞后了，于是，滞燃期明显地加长。
为了抑制氮氧化物的生成，除了要求较低的温度以外，还要求尽可能少因为乳化水柴油中的水爆炸式的汽化而使得燃烧区扩展。如果在降低火焰温度的同时燃烧区扩大太多，那么最终形成的氮氧化物浓度是两种相反作用机理的结果。处在混合气生成条件很糟糕的工况点时，由于采用乳化水柴油而使燃烧区扩大所造成的影响与火焰温度下降的效果相比更占优势，结果，氮氧化物的生成不但不会减少，反而还会增加。对此需加注意。
同时，碳烟的排放也减少了。碳烟由未燃碳组成，包含大量的颗粒物PM，是由于混合气生成不均匀或者火焰中氧缺乏而生成，因为只有燃油油滴的边缘区域与空气混合且气化。细小燃油油滴的内部多数是由过浓混合气或者干脆是纯粹的燃油组成的。采用乳化水柴油时，燃油的分布较为均匀，加上燃油的蒸发也变得较为温和，这就减少了碳烟的生成。
亚茨福萨等人2009年研究了通过乳化过程在燃油中加入水对采用空气辅助的燃油雾化烧嘴燃烧和排放特征的影响。结果发现，水的加入使得可燃区域往燃油当量比(fuel equivalence ratio，过量空气系数的倒数)高的一侧扩大了，换句话说，即使在更高的燃油浓度下也能避免生成PM，从而减少了PM排放。
概括起来，可以认为水的蒸发增加了柴油的分散度，形成细小的油滴，燃油和空气之间的接触表面增加了。结果，燃烧效率更高；燃烧温度的峰值降低了，从而降低了NOx和PM的生成。
根据用途的不同，水的含量可在8%~35%之间随工况而变动，通常为13%左右。
乳化水柴油减排节能的效果
往柴油或汽油中掺入一定比例的水，其主要作用是减少有害物排放，藉此可明显地改善城市地区的空气质量。初步结果表明，碳烟排放可降低85%以上，氮氧化物的排放减少可达30%。
上世纪末来自德国的一份研究报告称，乳化水柴油能够降低NOx、HC和CO排放，油耗略有增加。颗粒排放取决于配制乳状液用的是蒸馏水还是管道水。如果使用管道水，那么总的颗粒排放将保持不变，尽管滤纸烟度数值大幅下降，因为非有机可溶性颗粒物增加了。进一步的分析表明，碳组分虽然减少了，但是出现了来自管道水的钙化物和硫化物。因其颜色的缘故，这些组分不能反映在滤纸烟度数值之中。只有采用蒸馏水的时候，颗粒物排放才会降低。
乳化水柴油能使NOx排放减半，同时还能使PM排放略有下降，但是油耗增加2%弱。这份报告中提到的由于使用了乳化水柴油而使油耗增加的案例几乎是绝无仅有的。
MAN公司的试验表明，柴油中每掺入1%的水，就能降低同样百分比的NOx排放。结果，在MAN柴油机上最多可降低30%。不过，乳状液中必须没有盐。试验中乳化水柴油是以电子控制的方法连续不断地提供的。此法已经成功地用于游轮和商用船舶。
另有资料认为，乳化水柴油不但比柴油具有优点，而且比“代用燃料”也有明显的优点，因为不要求对发动机进行改造，基础设施无须更动，也不要求特别的人员培训。与柴油机相比，根据发动机类型、年限和工况、使用历史、维修状况、负荷高低、驾驶员习性和乳化水柴油的含水量，减排节能的范围大致为：
·NOx-10%~30%之间
·CO-10%~60%之间
·CO2-2%~4%之间
·PM-可减少60%
·可见的碳烟-基本消除
此外，发动机磨损也减少了，乳化水柴油消除和防止了积碳的生成，不过报告中没有阐明详细的试验条件，例如是否使用蒸馏水。
发动机的大多数机内净化技术或能减少NOx，或能减少PM，但是乳化水柴油能用一种技术同时减少两者。如果用其它技术将乳化水柴油与改进的硬件诸如柴油机氧化催化转化器相结合，将能更大程度上降低排放。
乳化水柴油及其制备
乳化水柴油是一种由水和柴油组成的乳状液。因为这两种物质正常情况下很难混合，水将从疏水物质即油性的柴油中分离出来，所以为了将这两种物质持久地、均匀地混合起来，需要乳化剂，也称为表面活性剂。常用的混合比是15%的水，5%的乳化剂和80%的柴油。
乳状液是一种包含一个连续相和一个分散相的弥散体。这两相是不可混和的液体：油和水。乳化水柴油既可以是微观乳状液，也可以是原始乳状液(有时候也称之为宏观乳状液，以区分于微观乳状液)。两者之间的主要区别在于稳定性和颗粒尺寸分布。微观乳状液是热力学上稳定的系统，其稳定性由热力学因素控制；而宏观乳状液是动力学上稳定的，其稳定性由动力学因素即反应速率控制。微观乳状液的形成具有自发倾向，不会自发地改变其乳状液的状态，颗粒尺寸在10200nm；而宏观乳状液是由剪切过程形成的，尺寸在100nm~1μm。微观乳状液是各向同性的，而宏观乳状液易于沉淀(或发生乳状液分层)，假以时日则其颗粒尺寸就会发生改变。两者都使用表面活性剂(也称之为乳化剂)，既能是油包水(反乳状液)，也能是水包油(正乳状液、规则乳状液)，或者是双连续的(也称之为多重乳状液或复合乳状液)。
水连续(水包油)的乳化水柴油往往被称为高内相组分的乳状液，因为连续相(外相)水只占燃油的大约30%，它主要作为较小的组分用作分散相。所有的重油和沥青的水连续乳状液都比原始燃油易于泵送，原始燃油要求程度可观的加热和/或用分馏产品(煤油或轻质原油)进行稀释以便使它们变得容易运输。残渣燃料油、重油等的水连续乳状液具有一定的热值，可用于工业用途，减少与使用劣质燃油相关的燃烧产物排放。
油连续(油包水)的乳化油可举出柴油(或掺有生物柴油的燃油)和水的各种乳状液作为实例。这些乳化水柴油早已在欧洲(法国和意大利等国)得到认同，并建立了工厂标准。图1为某公司生产的乳白色乳化水柴油。不过并非所有的乳状水柴油都是这个样子。
乳化水柴油的效用早就为众人所熟知。但是乳状液的制备和如何顺利地引入到燃烧过程的问题迄今仍是拦路虎。
上世纪末德国有人在试验系统中通过安置在紧邻着喷油泵之前的空穴发生器制备柴油与水的乳状液，水从水箱经空穴发生器的吸入口进入空穴发生器，馈入燃油系统。一个针阀和一个流量计用于调节和测量进入的水量。利用这一系统能够产生足够稳定的乳状液，但这种乳化水柴油显然只是动力学上稳定的，在一定条件下假以时日便会有水从中析出，所以要将乳状液的制备系统放在柴油机上，保证乳化水柴油现做现用。
这样的水柴油乳化系统不影响充量交换和压缩过程。因而不会出现对燃油点燃的负面影响。水柴油乳化系统可以整合在燃油系统中，无须与发动机装在一起，只要对喷油系统作较小的改动(例如增大喷油嘴的截面积)，便能满足全负荷时对较大体积流量的要求。
乳化工艺的创新
乳化水柴油问世以来虽然不断有人提起，却从未得到大规模的推广。上世纪70年代末，一方面石油供应紧张，另一方面环境污染日趋严重，美国科学家又想到了往燃油中掺入水来减少有害尾气的排放这一招数。之所以这种燃料迄今未能推广，一方面是因为这样的油水混合物往往很不稳定，难以储存，最终油和水重又分离；另一方面，乳化剂的数量和价格也是在全球范围内推广的一个障碍。
为了克服众所周知的乳化水柴油的缺点，并且使得这个主意最终取得突破，德国科隆的科学家报道，他们开发了一种具有纳米级泡沫结构的、热力学稳定的、由柴油、水和表面活性剂组成的乳化水柴油，称为微观乳状液(Mikroemulsion)，能够满足各种技术要求。与其他不稳定或者说不够稳定的水和油的乳状液相反，微观乳状液中水的比例可以随意选择。因此可以获得对减排节能最为合适的含水量。采用菜籽油以任意的比例配置水和油的乳状液也同样没有问题。这种混合工艺将会起到很大的作用，而对燃油生产商来说则提出了巨大的挑战。还有一个超预期的好处是，迄今未能解决的油箱中残留水问题也被这种能够稳定地储存的燃料排除掉了。因为采用微观乳状液之后残留水会完全被乳状液吸收掉。微观乳状液是乳化水柴油技术的一种创新，目前的开发水平尚未达到最佳。科学家们希望，其积极效果还能进一步提高。在含水量的变动和表面活性剂混合的优化方面还有潜力可挖。此外，还可以试验添加其他添加剂如发酵粉或尿素。
日本神奈川大学报道，他们利用新工艺开发了一种乳化水柴油，这种新型的三相乳化工艺与其说是依赖表面活性剂，毋宁说是利用了亲水的纳米级颗粒物之间微弱的分子引力(范·德·华尔斯力van der Waals force)。一种单一型的乳化颗粒可以用于使多种不同种类的油乳化。传统的基于表面活性剂的乳化工艺则对不同的油采用不同的表面活性剂。
新工艺仅仅依赖于(表面活性)颗粒的尺寸和形状，而不是依赖于某一种表面活性物质独特的性能。新老工艺的对比见表1。
应用实例
1.德国杜塞尔道夫莱茵铁道公司的项目
一个由德国莱茵州技术监督局TUV监管的杜塞尔道夫莱茵铁道公司的项目聚焦于为乳化水柴油的作用提供证据。一辆梅赛德斯-奔驰制造、18m长的Citaro铰接式城市公交车为使用乳化水柴油而进行了改装，以便在实际的使用条件下试验这种新型的混合燃油。按照莱茵铁道公司发言人的说法，这项概念在试验中表现非常好。在杜塞尔道夫大区内的细粉尘问题给原先的计划带来了冲击，而且欧盟针对城市公交车即将引入更为严厉的尾气标准，同时，乳化水柴油的使用比常见的安装颗粒物过滤器的方式更为经济，而且带来了令人惊诧的结果。不过，截至2008年8月初，节油8%的目标未能达到，只达到了5%。另外，不同于2006年，现在已经可以提供符合EEV(增强的环境友好型汽车)标准的油耗较低、排放较好且低于欧Ⅴ标准限值的公交车。为了研究长期效果，两辆改装成使用乳化水柴油的公交车还在运行中。
2.日本神奈川大学的试验
神奈川大学在一辆30t重型自卸卡车上用两种乳化水柴油进行了试验：柴油对水的重量比分别为65∶35和70∶30。试验结果表明，排放明显地下降了，燃油效率则增加10%~15%。
日本新的排放法规与现行法规相比，要求NOx减少25%~43%，PM减少15%~50%，HC减少33%~60%，视车辆的重量等级而定。自卸卡车采用超级乳化水柴油可满足这些要求。
3.某公司的乳化水柴油试验
某公司为不同功率范围的柴油机提供了一种高效、全新的乳化系统。利用这种设备，不用对发动机进行大规模的改动就可以使用乳化水柴油。借助于这种创新而且廉价的减排技术，可以同时使碳烟颗粒物(细粉尘)排放降低90%，氮氧化物(NOx)排放降低50%左右，一氧化碳(CO)排放降低70%左右，见图2。据该公司报道，采用乳化水柴油对于油耗的影响相对较小：油耗不会提高，相反，可能降低达6%，因发动机机型而异。
该系统可以作为独立的单元装到发动机上去，并与燃油输油管以及水箱连接。乳化水柴油在混合单元中制备，并直接通过常规的喷射系统喷入到燃烧室中去。多余的量被送回混合室，重新进行混合。制备乳状液时可以放弃使用乳化剂，因为乳化水柴油是根据需要制备的，制成后立即使用。乳状液的含水量由一个传感器测试，根据发动机的负荷与转速进行调节。
该系统可以简单地作为附件安装到现有的发动机上去，对于在用车是一种理想的设备。因为乳化水柴油始终是新配制的，所以在运转着的循环泵中水不会从乳化水柴油中析出，即使在静置的发动机中也不会。该系统的控制单元只是在含水量低于溶解度极限时才会关停循环泵。发动机可以不受限制地用乳化水柴油起动。该系统发生故障时，装置会利用阀门与燃油系统脱离。乳化水柴油循环泵发生故障时，发动机仍旧可以短时间地运转。需要时，发动机可以瞬间从乳化水柴油运行切换到纯燃油运行。
该系统可以使用所有常用的燃油。不仅是柴油和重油，而且可以使用可再生原料制成的燃油，如大马力低速船舶柴油机用的重油、菜籽油或棕榈油。这一方法可以用于发动机的整个负荷范围，不过从减排的角度来看，在高负荷区域可获最佳效果。
该系统可与多种发动机机型组合，特别适合用于老旧发动机的改造。因为不必从尾气中过滤出有害物质，而是避免其生成，所以不会形成必须加以清除的残渣。
该系统可以做成两种制式：
·标准制式：混合单元、水箱模块和控制单元，安装在一个共同的基座上。
·紧凑制式：系统分成两个部分，即混合单元和整合了控制单元的水箱模块。
最适合的制式要视发动机的位置状况而定。
另据报道，美国加利福尼亚空气资源局CARB已认可乳化水柴油是降低集中于某一个地点的柴油机车队NOx排放的最为有效的方法。现场配置一台混合设备就能为所有的柴油机服务。洛杉矶长滩港的港口设备就采用了乳化水柴油。
乳化水柴油对发动机磨损的影响
前面提到，制备乳化水柴油最好要用蒸馏水。原因是，管道水中的微量杂质作为一种磨粒会造成发动机额外的磨损。现代柴油机普遍采用高压共轨喷油系统，喷油压力可高达2000bar以上甚至更高，这种情况下磨损更为加剧。对此，某机构做过专门的研究。试验用的喷射系统由一台电-液运行的高压泵、一个高压蓄势器和两个喷射器组成。设计运行压力为1200bar，喷射量为2L/min。试验在一个水箱中进行，喷出的水循环使用。磨损的评判通过利用一台立体光学显微镜和一台光栅电子学显微镜对喷嘴的光学评估来进行。结果表明，光用水作试验时喷嘴的喷射孔和阀针座出现最大磨损。水中加入少许防腐蚀油之后，出现最小的磨损，而且恰如所预期的那样，随着油的浓度增加或者压力的降低，磨损减小。用硬质合金材料制造的喷嘴体比用不锈钢制造的耐磨性更佳。
乳化水柴油可能给发动机运行带来的其他影响
在重量相同的条件下每次油箱注满后的续驶里程有所下降。柴油机的额定功率也会下降。这是因为水占据了一部分原先属于燃油的体积，喷油泵的容量也是一个障碍。
结语
乳化水柴油在柴油机减排节能方面的效果毋容置疑，但以排放控制为主，尤其是对PM和NOx排放控制的效果更是异口同声。虽然各方研究报告发表的数据不尽一致，但对其效果均无异议。考虑到各自试验的机型、工况、乳化工艺、乳化水柴油的含水量和试验条件的差异，那么数据的差别也就不足为奇了。
乳化水柴油的节能效果不如减排方面明显。
乳化水柴油也有一些负面影响，推广应用时必须谨慎对待。
乳化水柴油在国外和国内部分地区已经证明至少可用于柴油机集中应用且总功率较大的设备、部门和单位，诸如大型船舶、港口机械、大型矿山和公交车队等。还没有证据表明乳化水柴油不能推广到更广泛的应用领域中去。建议在国家层面上就这一课题立项，深入调查研究乳化水柴油在我国推广应用的可能性，特别要注意环境友好性、经济性、安全性、可靠性及其负面影响等方面的问题，制定长远的发展战略，推动新产业链的形成。
