乙醇汽油對車輛顆粒物排放的影響

溫溢

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

乙醇汽油對車輛顆粒物排放的影響

溫溢

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

在符合國Ⅰ、國Ⅲ、國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的3輛試驗車上，分別燃用國Ⅴ汽油、低芳烴E10、低烯烴E10 3種燃料，進(jìn)行了NEDC和WLTC工況下的常溫冷起動排放試驗，重點對顆粒物(PM)排放量和粒子數(shù)量(PN)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在兩種工況下，燃用乙醇汽油相比普通汽油能大幅降低車輛的PM排放，低芳烴E10對國Ⅰ和國Ⅲ車輛PM降低效果最明顯，分別下降19%和35%，低烯烴E10對國Ⅴ車輛PM降低效果最好，下降46%；在WLTC工況下燃用乙醇汽油能大幅降低車輛PN排放，其中低芳烴E10平均降低43%，低烯烴E10平均降低32%。

乙醇汽油；顆粒；排放

“十三五”化學(xué)工業(yè)規(guī)劃編制中，原料多元化率顯著提升作為一個基本方向被提出， 下一個五年期間會推動實施原料路線多元化的戰(zhàn)略，因此，選擇發(fā)展生物燃料乙醇和生物柴油，提高非石油基化工產(chǎn)品比重成為了大勢所趨。另外，近年來我國糧食產(chǎn)量過剩，充分利用過剩的糧食發(fā)酵生產(chǎn)乙醇成為了國家戰(zhàn)略性問題，目前已有20多個省、市、自治區(qū)在推廣使用E10車用乙醇汽油。雖然乙醇汽油作為發(fā)展生物能源的代表已經(jīng)取得階段性成果，但面對迅猛發(fā)展的汽車排放控制技術(shù)以及更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，不僅需要研究車用乙醇汽油中乙醇的配比問題，乙醇汽油中烯烴、芳烴的配比也成為了有待深入研究的問題[1-2]。

關(guān)于乙醇汽油以及烯烴、芳烴與排放的關(guān)系，已經(jīng)有一些專家學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)研究。蘇會波等對比研究了E10乙醇汽油與國Ⅲ、國Ⅳ汽油對發(fā)動機排放的影響，發(fā)現(xiàn)E10乙醇汽油對降低HC，CO，NOx，PM、苯系列物質(zhì)都有顯著效果[3]。沈義濤等研究了烯烴含量對發(fā)動機排放的影響，發(fā)現(xiàn)提高烯烴含量能降低THC排放，但對CO和NOx影響不明顯[4]。仇延生等研究發(fā)現(xiàn)烯烴含量增加會加大NOx和沉淀物的排放，但能降低HC排放[5]。張孝銘等研究了芳烴對發(fā)動機排放的影響，發(fā)現(xiàn)提高汽油中芳烴含量會導(dǎo)致CO排放增加，HC和NOx排放變化不大[6]。

在上述研究中，未涉及到乙醇汽油中烯烴、芳烴含量對車輛排放的影響，也沒有針對不同環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)車輛進(jìn)行對比分析，另外有關(guān)粒子數(shù)目(PN)排放的研究也很少。為此，本研究基于市售國Ⅴ汽油調(diào)配了低烯烴和低芳烴兩種E10車用乙醇汽油，選擇了目前城市中具有一定保有量的國Ⅰ、國Ⅲ、國Ⅴ排放水平的車輛進(jìn)行NEDC和WLTC工況下的排放測試，重點探討了尾氣中的顆粒物質(zhì)量、粒子數(shù)目。

1 試驗方法及設(shè)備

試驗用燃油選擇了市售國Ⅴ汽油(S1)，另外調(diào)制了兩種乙醇體積分?jǐn)?shù)為10%的低烯烴(S2)和低芳烴(S3)車用乙醇汽油。通過SGS檢測得到的3種試驗用油配比結(jié)果見表1。為了保證試驗中燃油的潔凈，每次更換下一種燃油前必須清空油箱，加注試驗用燃油后進(jìn)行100 km磨合運轉(zhuǎn)，用于清理油路。根據(jù)目前城市中不同排放階段在用車輛的保有量，試驗用車輛分別選擇了國Ⅰ、國Ⅲ、國Ⅴ排放水平的乘用車。車輛基本參數(shù)見表2。試驗測試系統(tǒng)主要設(shè)備見表3。

表1 試驗油品相關(guān)參數(shù)

表2 試驗樣車參數(shù)

表3 試驗設(shè)備

試驗選取的工況為NEDC(New European Driving Cycle)和WLTC(World Light Test Cycle)。其中NEDC是一種穩(wěn)態(tài)工況，分為市區(qū)循環(huán)和市郊循環(huán)兩部分。WLTC為瞬態(tài)循環(huán)，是基于美國、瑞士、印度、歐盟、韓國及日本6個國家或地區(qū)實際路況開發(fā)的。WLTC工況由4個階段組成，其中低速段(第一階段)589 s，中速段(第二階段)433 s，高速段(第三階段)455 s，超高速段(第四階段)323 s[7]。兩種工況基本特征對比見表4。

表4 WLTC與NEDC基本數(shù)據(jù)對比

2 結(jié)果與分析

2.1PM質(zhì)量排放比較

圖1示出了車輛燃用3種燃料在NEDC和WLTC工況下的顆粒物(PM)質(zhì)量排放結(jié)果。由圖可見，燃用S2，S3后車輛的PM質(zhì)量排放比燃用S1均有顯著降低。從圖1a和圖1b中可以看出，S3對國Ⅰ、國Ⅲ車輛PM排放降低效果最為明顯，相比S1，在NEDC和WLTC兩種工況下，燃用S3后國Ⅰ車輛PM質(zhì)量排放分別下降25%和12%，國Ⅲ車輛PM質(zhì)量排放分別下降29%和42%。

圖1 車輛燃用不同燃油時PM質(zhì)量排放結(jié)果

顆粒物排放是個復(fù)雜、動態(tài)的過程， 其主要由炭煙、可溶性有機物(來源于燃燒和潤滑油)、硫酸鹽(S燃燒后生成) 以及添加劑等組成。發(fā)動機中顆粒物排放主要是由于空氣燃油混合氣不均勻，導(dǎo)致燃燒不完全，在高溫缺氧條件下氧化、裂解而形成[8]。乙醇汽油含氧量大于普通汽油，能夠在發(fā)動機氣缸內(nèi)得到更充分燃燒，最終產(chǎn)生的PM會低于燃用普通汽油。本試驗中S3，S2含氧量分別為3.91%和3.88%，均大于S1的含氧量2.02%，燃用乙醇汽油(S3，S2)的PM試驗結(jié)果均小于燃用普通汽油(S1)。

美國環(huán)保局(EPA) 和加州理工學(xué)院研究發(fā)現(xiàn)，汽油中的芳香族化合物會增加尾氣中PM排放，同時也是形成二次細(xì)顆粒物PM2.5中有機物的主要成分[9]。S3中芳烴含量要低于S2，因此進(jìn)氣道噴射發(fā)動機燃用S3時PM排放要低于燃用S2。

圖1c中，國Ⅴ車輛燃用S2后PM質(zhì)量排放降幅最大，相比S1，在NEDC和WLTC工況下，燃用S2后PM排放分別下降53%和38%。原因是所選國Ⅴ車輛為缸內(nèi)直噴發(fā)動機，與傳統(tǒng)氣道噴射汽油機中油氣混合物的形成方式不同，直噴汽油機的油氣混合過程發(fā)生在缸內(nèi)，混合時間相對短且更容易在燃油噴霧的核心區(qū)等位置出現(xiàn)過濃區(qū)域[10]。在缸內(nèi)高溫的作用下，過濃區(qū)域中的燃油易發(fā)生熱裂解，生成大量的不飽和烴，該部分物質(zhì)是顆粒物中有機成分在缸內(nèi)生成的前體物[11]。烯烴中含有碳碳雙鍵，這大大提高了缸內(nèi)不飽和烴生成的可能性，進(jìn)而促進(jìn)了PAHs在缸內(nèi)的合成[12]。這是低烯烴乙醇燃油能夠最大幅度降低直噴發(fā)動機車輛PM排放的原因。

2.2顆粒物數(shù)量(PN)比較

表5示出了燃用3種燃油后車輛在NEDC和WLTC工況下的PN排放結(jié)果。在NEDC工況下車輛燃用3種燃油的PN排放量沒有明顯的規(guī)律。國Ⅰ車輛燃用S1，S3時PN排放較低，國Ⅲ、國Ⅴ車輛燃用S2時PN排放較低。發(fā)動機缸內(nèi)燃燒除了產(chǎn)生有機顆粒物外，還含有相當(dāng)部分的無機顆粒物，這些無機顆粒物主要是由燃油中S轉(zhuǎn)化而來的硫酸鹽以及由于發(fā)動機磨損和潤滑油消耗而產(chǎn)生的金屬顆粒等，這些無機顆粒物的形成幾乎與燃料以及缸內(nèi)的氧含量無關(guān)，且粒徑分布也與有機顆粒物不同。此外，PN測量相比PM質(zhì)量排放測量采用的稱重法，測量直徑范圍更小，所以PN測量結(jié)果呈現(xiàn)出的趨勢也就不同于PM質(zhì)量排放測量結(jié)果。

在WLTC工況下，相比S1，車輛燃用S2，S3后PN的排放都有顯著降低，其中國Ⅰ車輛平均下降52.8%，國Ⅲ車輛平均下降39.6%，國Ⅴ車輛平均下降19.9%。不難發(fā)現(xiàn)，隨著車輛排放控制水平的發(fā)展，普通汽油與乙醇汽油對車輛PN排放影響的差異在逐漸縮小。

表5 兩種工況下車輛PN排放結(jié)果

對排放控制技術(shù)較為先進(jìn)的國Ⅴ缸內(nèi)直噴汽油車的PN結(jié)果進(jìn)行重點分析。從表5中國Ⅴ樣車的試驗結(jié)果來看，在NEDC和WLTC兩種工況下PN排放規(guī)律較為一致，即燃用S2產(chǎn)生的PN最少，燃用S3與燃用S1的PN排放相差不大。

圖2示出了NEDC工況下國Ⅴ樣車在燃用3種不同燃油后PN排放的瞬態(tài)數(shù)據(jù)(經(jīng)過兩級稀釋，總稀釋比為500)。從圖中可知，PN主要產(chǎn)生在冷起動階段以及加速工況下，在整個NEDC工況下，國Ⅴ直噴車燃用S2產(chǎn)生的PN都小于其他兩種燃油，這說明無論是冷起動還是加速工況下，燃用S2能很好地降低國Ⅴ直噴汽油車PN的排放量。另外，在加速工況下S3的PN排放最差，容易出現(xiàn)排放量遠(yuǎn)高于另外兩種燃油排放峰值的現(xiàn)象，其中表現(xiàn)最明顯的是在EUDC工況的第一個加速階段，S3的PN排放峰值高達(dá)1 899 個/cm3，是S1峰值的3.9倍，是S2的5.1倍。這說明在大負(fù)荷工況下，S3燃燒得最不充分，最容易產(chǎn)生大量的細(xì)小粒子[13]。

圖2 NEDC工況下燃用不同燃油后PN瞬態(tài)數(shù)據(jù)

圖3示出在3種燃油下國Ⅴ車輛冷起動時PN瞬態(tài)排放數(shù)據(jù)(NEDC工況前50 s)。燃用S1后樣車在冷起動時PN的峰值最大，兩級稀釋后的數(shù)值達(dá)到了6 410 個/cm3，燃用S2的峰值最小，為4 604 個/cm3。這說明乙醇汽油在缸內(nèi)直噴發(fā)動機冷起動時燃燒更好。主要原因是乙醇汽油比普通汽油的氧含量高，著火溫度低，且最大火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，在極短的時間內(nèi)能夠更迅速更充分地燃燒，產(chǎn)生更少的PN。

圖3 NEDC工況冷起動PN排放數(shù)據(jù)

圖4示出了WLTC工況下國Ⅴ車輛燃用3種不同燃油的PN排放瞬態(tài)數(shù)據(jù)。從圖4可知，試驗車輛在WLTC工況下的PN排放除了集中在冷起動階段外，在高速和超高速等大負(fù)荷工況下也會產(chǎn)生一定量的PN。整個WLTC工況過程中，燃用S1生成的PN最多，燃用S2生成的PN最少。試驗結(jié)果與NEDC工況較為一致，原因也是由于乙醇汽油有著更大的含氧量，在各種不同的工況下都能夠快速充分燃燒，從而生成的PN更少。

圖4 WLTC工況下燃用不同燃油后PN瞬態(tài)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

a) 燃用乙醇汽油均能降低國Ⅰ、國Ⅲ、國Ⅴ車輛的PM排放，其中燃用S3時國Ⅰ、國Ⅲ進(jìn)氣道噴射車輛PM排放降低效果明顯，燃用S2時國Ⅴ缸內(nèi)直噴車輛PM排放降低效果明顯；

b) WLTC工況下，燃用乙醇汽油時國Ⅰ、國Ⅲ、國Ⅴ車輛的PN排放均能降低，其中燃用S3時PN排放平均降低43%，燃用S2時PN排放平均降低32%，在NEDC工況下燃用3種燃油的PN排放結(jié)果無規(guī)律性；

c) 對于國Ⅴ階段的缸內(nèi)直噴車輛，在NEDC和WLTC工況下燃用S2的PM質(zhì)量排放和PN排放都最低；NEDC工況下，燃用S2在冷起動時的PN排放峰值最小，燃用S3在大負(fù)荷工況下PN排放量最大；

d) 隨著車輛排放控制技術(shù)的發(fā)展，燃油對顆粒物排放結(jié)果的影響逐漸減小，在對乙醇汽油的推廣研究中，需要綜合考慮車輛環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、烯烴芳烴配比、試驗工況等。

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Keywords: ethanol gasoline；particulate；emission

EffectsofEthanolGasolineonVehiclePMEmission

WEN Yi

(China Automotive Technology and Research Center,Tianjin 300300，China)

Three vehicles fueled with China Ⅴ gasoline, low aromatic E10 and low olefins E10 that met ChinaⅠ, ChinaⅢ and ChinaⅤ emission regulation respectively were tested according to the NEDC and WLTC cycles And the particulate matter (PM) and the particle number (PN) were analyzed. The results showed that the ethanol gasoline could reduce PM emission significantly under the two cycles. Compared with China Ⅴ gasoline, the low aromatics E10 could reduce the PM emission of ChinaⅠand China Ⅲ vehicle by 19% and 35% respectively and the low olefins E10 could reduce the PM emission of China Ⅴvehicle by 46%. In addition, ethanol gasoline could reduce the PN emission of WLTC cycle. The average reduction of low aromatics E10 and low olefins E10 was 43% and 32% respectively.

2017-03-17；

2017-05-09

溫溢(1985—)，男，工程師，碩士，研究方向為輕型車排放及油耗測試；wenyi0504@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.014

TK411.52

B

1001-2222(2017)05-0073-04

[編輯： 潘麗麗]