不同摻混比例乙醇汽油對(duì)重型整車(chē)排放影響試驗(yàn)研究

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

車(chē)用乙醇汽油將在緩解我國(guó)石油緊缺、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)良性發(fā)展以及保護(hù)環(huán)境等方面起到積極作用。乙醇作為一種替代燃料，具有可持續(xù)性、可降低CO2排放、生產(chǎn)程序簡(jiǎn)單、高辛烷值、高蒸發(fā)潛熱以及低摻混比例下不需要改變?cè)械娜加凸┙o系統(tǒng)等特點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。在我國(guó)全面推廣乙醇汽油，第一是有利于國(guó)家的能源戰(zhàn)略調(diào)整。目前，我國(guó)原油大量依靠進(jìn)口，利用可再生糧食資源生產(chǎn)乙醇，將大大有利于解決石油這一戰(zhàn)略資源短缺的問(wèn)題。第二是使用乙醇汽油有利于環(huán)境保護(hù)。因?yàn)橐掖际歉谎跞剂?，在燃燒過(guò)程中能充分燃燒，使尾氣排放中的有害氣體大幅度降低。第三是有利于農(nóng)業(yè)發(fā)展。用玉米做為生產(chǎn)乙醇的原料，可以有效轉(zhuǎn)化糧食，解決農(nóng)民賣(mài)糧難的問(wèn)題。

在歐洲，歐Ⅴ車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)允許汽油中乙醇的體積分?jǐn)?shù)為5%[1]。按照美國(guó)能源信息署2011 年的統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)，近90%的市售汽油為乙醇體積分?jǐn)?shù)為10%的E10 乙醇汽油；美國(guó)環(huán)保署在2010 年和2011 年先后發(fā)布了2 個(gè)豁免法案，允許2001 年及以后生產(chǎn)的轎車(chē)和輕型貨車(chē)使用乙醇體積分?jǐn)?shù)為15%的E15乙醇汽油，進(jìn)一步擴(kuò)大了乙醇汽油的使用范圍[2-3]。在我國(guó)，早在2001 年，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局負(fù)責(zé)組織制定的GB18350-2001 變性燃料乙醇和GB18351-2001 車(chē)用乙醇汽油等2 項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已開(kāi)始實(shí)施。車(chē)用乙醇汽油的其他標(biāo)準(zhǔn)要求與GB17930-1999 車(chē)用無(wú)鉛汽油標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一致。目前，國(guó)內(nèi)推廣使用E10 乙醇汽油的地區(qū)有黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽等5 省以及湖北、河北、山東、江蘇的部分地區(qū)；最近，天津等地也將開(kāi)展E10 乙醇汽油的應(yīng)用。

隨著乙醇汽油的推廣使用，汽車(chē)燃用乙醇汽油后的排放特性成為汽車(chē)排放研究的一個(gè)重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)乙醇汽油常規(guī)污染物（CO、HC 和NOx）的排放研究較多，但主要基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試[4-5]以及基于輕型車(chē)的測(cè)試研究。針對(duì)乙醇-汽油摻混燃料對(duì)重型整車(chē)排放的測(cè)試研究尚沒(méi)有開(kāi)展?；诖?，本文通過(guò)在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行整車(chē)試驗(yàn)，對(duì)重型汽油車(chē)燃用汽油、E10 和E20 乙醇汽油的常規(guī)污染物、非常規(guī)污染物、溫室氣體、PN 排放進(jìn)行了對(duì)比研究，進(jìn)一步分析了乙醇-汽油摻混燃料對(duì)重型汽油車(chē)常溫冷起動(dòng)條件下排放的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)車(chē)輛及燃料

試驗(yàn)所用車(chē)輛為排量6 L 的重型汽油客車(chē)，具體參數(shù)如表1 所示。試驗(yàn)用燃油為滿(mǎn)足國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的市售92#汽油、由92#汽油和分析純度為99.7%的無(wú)水乙醇按照體積比例摻混而成的E20 和E40 乙醇汽油，汽油、乙醇的燃料特性如表2 所示[6]。

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)在重型車(chē)轉(zhuǎn)鼓上開(kāi)展，采用全流稀釋尾氣分析儀HORIBA-CVS MEXA-7200DTR 進(jìn)行尾氣排放測(cè)試。試驗(yàn)循環(huán)采用GB/T 27840-2011 重型商用車(chē)輛燃料消耗量測(cè)試量方法[7]中使用的C-WTVC 循環(huán)。試驗(yàn)包括冷、熱起動(dòng)2 個(gè)循環(huán)，各循環(huán)持續(xù)1 800 s，每個(gè)循環(huán)分別由市區(qū)工況（0～900 s，平均車(chē)速為22.895 km/h）、公路工況（900～1 368 s，平均車(chē)速為43.746km/h）和高速工況（1 368～1 800 s，平均車(chē)速為75.772 km/h）等3 部分組成。冷起動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)后，間隔20 min，然后進(jìn)行熱起動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)。綜合排放量由冷、熱起動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果加權(quán)計(jì)算得出，冷、熱起動(dòng)循環(huán)權(quán)重分別為0.14 和0.86。試驗(yàn)之前，至少10h 之間，最多36h 之間，進(jìn)行一次C-WTVC 循環(huán)預(yù)處理。在試驗(yàn)完第1 種燃料后，試驗(yàn)第2 種燃料之前，應(yīng)以第2 種燃料對(duì)車(chē)輛進(jìn)行一次C-WTVC 循環(huán)預(yù)處理，以使燃油管路中的燃料更換為第2 種燃料。

表1 試驗(yàn)車(chē)輛參數(shù)

表2 燃料特性

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氣態(tài)污染物排放對(duì)比

2.1.1 綜合排放比較

圖1 所示為在常溫冷起動(dòng)條件下，重型車(chē)4 種氣態(tài)污染物的排放對(duì)比。對(duì)于汽油車(chē)而言，CO 排放較高，THC 排放次之，NOx排放較低。試驗(yàn)表明，與不含乙醇的汽油試驗(yàn)車(chē)相比，燃用乙醇汽油的試驗(yàn)車(chē)，CO、THC、NOx等3 種污染物排放均有不同程度的降低。這是因?yàn)?，與汽油相比，乙醇為含氧燃料，過(guò)量空氣系數(shù)增大，有助于燃燒，從而減少了CO、THC、NOx的排放。

圖1 汽油、E20、E40 常溫冷起動(dòng)條件下綜合排放對(duì)比

隨著乙醇摻混比例的增加，CO、THC、NOx等3種排放下降趨勢(shì)更加明顯。乙醇-汽油摻混燃料中，每增加20%的乙醇，CO 排放降低25%左右，THC 和NOx排放均降低15%左右。表明汽油中加入含氧燃料乙醇，對(duì)尾氣中CO 的減排效果最為明顯。乙醇-汽油摻混燃料對(duì)于CH4污染物的綜合排放沒(méi)有明顯影響。

2.1.2 各工況排放比較

圖2 為在常溫冷起動(dòng)條件下，汽油、E20、E40 等3 種燃料各工況的排放對(duì)比。

圖2 汽油、E20、E40 常溫冷起動(dòng)條件下各工況排放對(duì)比

從圖2 可以看出，乙醇-汽油摻混燃料對(duì)于冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況的CO 和THC 減排效果顯著。在冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況，相比于汽油，E20 的CO 排放下降接近50%，THC 排放下降超過(guò)50%。在冷起動(dòng)循環(huán)公路工況、高速工況，隨著乙醇摻混比例的增加，CO 排放均有一定程度的下降。但在冷起動(dòng)循環(huán)高速工況，CO 排放下降趨勢(shì)減弱。除冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況環(huán)外，在冷起動(dòng)循環(huán)公路工況、高速工況，乙醇-汽油摻混燃料的THC 排放略有升高。在冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況，E20 的NOx排放增加，而E40 的NOx排放下降約50%。在熱起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況，E20 和E40 的NOx排放均有50%左右的下降。在熱起動(dòng)循環(huán)高速工況，隨著乙醇摻混比例的增加，NOx排放增加。主要原因是NOx生成的條件為高溫、富氧和作用時(shí)間，由表2 可知，乙醇汽油比汽油的氣化潛熱高。在熱起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況，隨著乙醇的加入，缸內(nèi)溫度降低，NOx排放減少；在熱起動(dòng)循環(huán)高速工況，缸內(nèi)溫度較高，燃料中乙醇摻混比例增加，氧含量增加，此時(shí)富氧為主要影響因素，所以NOx排放增加。在冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況，乙醇-汽油摻混燃料的CH4排放降低。

綜合比較可以得出，在各個(gè)工況，乙醇汽油的CO 排放均有所下降；隨著乙醇摻混比例的增加，CO排放下降趨勢(shì)更加明顯。在冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況，CO 排放下降的效果最為顯著；在冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況，乙醇汽油對(duì)THC 減排效果明顯。在其他工況，乙醇-汽油摻混燃料對(duì)THC 排放影響不大，THC 排放甚至有增加的趨勢(shì)；在市區(qū)工況，乙醇-汽油摻混燃料具有降低NOx排放的效果。在高速工況，隨著乙醇摻混比例的增加，NOx排放增加。在冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況，CH4排放略有降低；在其他工況，乙醇-汽油摻混燃料對(duì)CH4排放的影響不明顯。

2.1.3 瞬態(tài)排放比較

在常溫冷起動(dòng)條件下，汽油、E20、E40 等3 種燃料的瞬態(tài)排放分別如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 汽油的冷、熱起動(dòng)循環(huán)瞬態(tài)排放

從圖3、圖4、圖5 所示的3 種燃料的瞬態(tài)排放可以看出，重型汽油車(chē)的CO、THC、NOx排放主要集中在冷起動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)的0～130 s 內(nèi)。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛起動(dòng)，冷卻液溫度較低，排氣溫度低，使得三效催化轉(zhuǎn)化器未達(dá)到工作溫度窗口范圍。在冷起動(dòng)循環(huán)，汽油的CO 瞬態(tài)排放極值最高，達(dá)到1.0 g/s 左右，且CO 排放持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，接近200 s。隨著乙醇摻混比例的增加，CO 瞬態(tài)排放量減少。E40 的CO 瞬態(tài)排放極值約為0.45 g/s，且CO 排放持續(xù)時(shí)間為100s 左右。在熱起動(dòng)循環(huán)高速工況，隨著乙醇摻混比例的增加，NOx瞬態(tài)排放略有增加。

圖4 E20 的冷、熱起動(dòng)循環(huán)瞬態(tài)排放

圖5 E40 的冷、熱起動(dòng)循環(huán)瞬態(tài)排放

2.1.4 累積排放比較

在常溫冷起動(dòng)條件下，汽油、E20、E40 等3 種燃料的污染物累積排放對(duì)比如圖6 所示。

圖6 汽油、E20、E40 常溫冷起動(dòng)條件下污染物累積排放對(duì)比

從圖6 所示的污染物累積排放曲線(xiàn)可以看出，各污染物排放主要集中在冷起動(dòng)循環(huán)的前150 s 左右。在冷起動(dòng)循環(huán)的150 s 后，CO 累積排放緩慢增加，而THC 和NOx累積排放基本保持不變。表明THC 和NOx排放幾乎全部集中在起動(dòng)階段。隨著乙醇摻混比例增加，CO 的減排效果明顯。在冷起動(dòng)循環(huán)，E20 的CO 排放較純汽油下降34.5%，E40 的CO排放較純汽油下降60%左右。

2.2 顆粒物排放對(duì)比

2.2.1 PN 綜合排放比較

圖7 為常溫冷起動(dòng)條件下，汽油、E20、E40 等3種燃料的PN 綜合排放對(duì)比。

圖7 汽油、E20、E40 常溫冷起動(dòng)條件下PN 綜合排放對(duì)比

從圖7 可以看出，相較于汽油，E20 的PN 排放下降31%，E40 的PN 排放下降67%。表明，隨著乙醇的摻入，PN 的減排效果明顯。

2.2.2 PN 各工況排放比較

圖8 為常溫冷起動(dòng)條件下，汽油、E20、E40 等3種燃料的PN 各工況排放對(duì)比圖。

圖8 汽油、E20、E40 常溫冷起動(dòng)條件下PN 各工況排放對(duì)比

從圖8 可以看出，在冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況及冷、熱起動(dòng)循環(huán)的高速工況，PN 排放較高。與汽油相比，乙醇汽油的PN 各工況排放均降低。且隨著乙醇摻混比例的增加，PN 排放下降更加明顯。

2.2.3 PM 排放比較

圖9 為常溫冷起動(dòng)條件下，汽油、E20、E40 等3種燃料的PM 排放對(duì)比。

圖9 汽油、E20、E40 常溫冷起動(dòng)條件下PM 排放對(duì)比

從圖9 可以看出，相較于汽油，E20 的PM 排放下降56%，E40 的PM 排放下降65%。表明，乙醇汽油的PM 減排效果明顯。

3 結(jié)論

本文以一輛重型汽油車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)比分析了乙醇汽油對(duì)整車(chē)綜合排放、瞬態(tài)排放和各工況排放的影響，得出如下結(jié)論：

1）乙醇-汽油摻混燃料對(duì)CO、THC 和NOx綜合排放均有減排效果，且對(duì)CO 的減排效果最為明顯。

2）在各工況，乙醇汽油的CO 排放均有所下降。隨著乙醇摻混比例的增加，CO 排放下降趨勢(shì)更加明顯。在冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況，CO 排放下降的效果最為顯著。其中，E20 的CO 排放下降50%，E40 的CO排放下降75%左右。在冷起動(dòng)循環(huán)市區(qū)工況，乙醇汽油對(duì)THC、CH4減排效果明顯。在市區(qū)工況，乙醇汽油具有降低NOx排放的作用；在高速工況，隨著乙醇摻混比例的增加，NOx排放增加。

3）乙醇汽油對(duì)于PM 和PN 的減排效果顯著。相對(duì)于汽油，E40 對(duì)PM 和PN 減排達(dá)65%以上。