不同摻混比例乙醇汽油對重型整車排放影響試驗研究

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

車用乙醇汽油將在緩解我國石油緊缺、促進農業生產良性發展以及保護環境等方面起到積極作用。乙醇作為一種替代燃料，具有可持續性、可降低CO2排放、生產程序簡單、高辛烷值、高蒸發潛熱以及低摻混比例下不需要改變原有的燃油供給系統等特點，因而得到廣泛應用。在我國全面推廣乙醇汽油，第一是有利于國家的能源戰略調整。目前，我國原油大量依靠進口，利用可再生糧食資源生產乙醇，將大大有利于解決石油這一戰略資源短缺的問題。第二是使用乙醇汽油有利于環境保護。因為乙醇是富氧燃料，在燃燒過程中能充分燃燒，使尾氣排放中的有害氣體大幅度降低。第三是有利于農業發展。用玉米做為生產乙醇的原料，可以有效轉化糧食，解決農民賣糧難的問題。

在歐洲，歐Ⅴ車用汽油標準允許汽油中乙醇的體積分數為5%[1]。按照美國能源信息署2011 年的統計，在美國，近90%的市售汽油為乙醇體積分數為10%的E10 乙醇汽油；美國環保署在2010 年和2011 年先后發布了2 個豁免法案，允許2001 年及以后生產的轎車和輕型貨車使用乙醇體積分數為15%的E15乙醇汽油，進一步擴大了乙醇汽油的使用范圍[2-3]。在我國，早在2001 年，國家質量監督檢驗檢疫總局負責組織制定的GB18350-2001 變性燃料乙醇和GB18351-2001 車用乙醇汽油等2 項國家標準已開始實施。車用乙醇汽油的其他標準要求與GB17930-1999 車用無鉛汽油標準中的相關標準一致。目前，國內推廣使用E10 乙醇汽油的地區有黑龍江、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；最近，天津等地也將開展E10 乙醇汽油的應用。

隨著乙醇汽油的推廣使用，汽車燃用乙醇汽油后的排放特性成為汽車排放研究的一個重點。國內對乙醇汽油常規污染物（CO、HC 和NOx）的排放研究較多，但主要基于發動機臺架測試[4-5]以及基于輕型車的測試研究。針對乙醇-汽油摻混燃料對重型整車排放的測試研究尚沒有開展。基于此，本文通過在底盤測功機上進行整車試驗，對重型汽油車燃用汽油、E10 和E20 乙醇汽油的常規污染物、非常規污染物、溫室氣體、PN 排放進行了對比研究，進一步分析了乙醇-汽油摻混燃料對重型汽油車常溫冷起動條件下排放的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗車輛及燃料

試驗所用車輛為排量6 L 的重型汽油客車，具體參數如表1 所示。試驗用燃油為滿足國Ⅴ標準的市售92#汽油、由92#汽油和分析純度為99.7%的無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 試驗工況

試驗在重型車轉鼓上開展，采用全流稀釋尾氣分析儀HORIBA-CVS MEXA-7200DTR 進行尾氣排放測試。試驗循環采用GB/T 27840-2011 重型商用車輛燃料消耗量測試量方法[7]中使用的C-WTVC 循環。試驗包括冷、熱起動2 個循環，各循環持續1 800 s，每個循環分別由市區工況（0～900 s，平均車速為22.895 km/h）、公路工況（900～1 368 s，平均車速為43.746km/h）和高速工況（1 368～1 800 s，平均車速為75.772 km/h）等3 部分組成。冷起動循環試驗后，間隔20 min，然后進行熱起動循環試驗。綜合排放量由冷、熱起動循環試驗結果加權計算得出，冷、熱起動循環權重分別為0.14 和0.86。試驗之前，至少10h 之間，最多36h 之間，進行一次C-WTVC 循環預處理。在試驗完第1 種燃料后，試驗第2 種燃料之前，應以第2 種燃料對車輛進行一次C-WTVC 循環預處理，以使燃油管路中的燃料更換為第2 種燃料。

表1 試驗車輛參數

表2 燃料特性

2 試驗結果及分析

2.1 氣態污染物排放對比

2.1.1 綜合排放比較

圖1 所示為在常溫冷起動條件下，重型車4 種氣態污染物的排放對比。對于汽油車而言，CO 排放較高，THC 排放次之，NOx排放較低。試驗表明，與不含乙醇的汽油試驗車相比，燃用乙醇汽油的試驗車，CO、THC、NOx等3 種污染物排放均有不同程度的降低。這是因為，與汽油相比，乙醇為含氧燃料，過量空氣系數增大，有助于燃燒，從而減少了CO、THC、NOx的排放。

圖1 汽油、E20、E40 常溫冷起動條件下綜合排放對比

隨著乙醇摻混比例的增加，CO、THC、NOx等3種排放下降趨勢更加明顯。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，對尾氣中CO 的減排效果最為明顯。乙醇-汽油摻混燃料對于CH4污染物的綜合排放沒有明顯影響。

2.1.2 各工況排放比較

圖2 為在常溫冷起動條件下，汽油、E20、E40 等3 種燃料各工況的排放對比。

圖2 汽油、E20、E40 常溫冷起動條件下各工況排放對比

從圖2 可以看出，乙醇-汽油摻混燃料對于冷起動循環市區工況的CO 和THC 減排效果顯著。在冷起動循環市區工況，相比于汽油，E20 的CO 排放下降接近50%，THC 排放下降超過50%。在冷起動循環公路工況、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。但在冷起動循環高速工況，CO 排放下降趨勢減弱。除冷起動循環市區工況環外，在冷起動循環公路工況、高速工況，乙醇-汽油摻混燃料的THC 排放略有升高。在冷起動循環市區工況，E20 的NOx排放增加，而E40 的NOx排放下降約50%。在熱起動循環市區工況，E20 和E40 的NOx排放均有50%左右的下降。在熱起動循環高速工況，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、富氧和作用時間，由表2 可知，乙醇汽油比汽油的氣化潛熱高。在熱起動循環市區工況，隨著乙醇的加入，缸內溫度降低，NOx排放減少；在熱起動循環高速工況，缸內溫度較高，燃料中乙醇摻混比例增加，氧含量增加，此時富氧為主要影響因素，所以NOx排放增加。在冷起動循環市區工況，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排放下降趨勢更加明顯。在冷起動循環市區工況，CO 排放下降的效果最為顯著；在冷起動循環市區工況，乙醇汽油對THC 減排效果明顯。在其他工況，乙醇-汽油摻混燃料對THC 排放影響不大，THC 排放甚至有增加的趨勢；在市區工況，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。在冷起動循環市區工況，CH4排放略有降低；在其他工況，乙醇-汽油摻混燃料對CH4排放的影響不明顯。

2.1.3 瞬態排放比較

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

圖3 汽油的冷、熱起動循環瞬態排放

從圖3、圖4、圖5 所示的3 種燃料的瞬態排放可以看出，重型汽油車的CO、THC、NOx排放主要集中在冷起動循環試驗的0～130 s 內。此時，發動機剛剛起動，冷卻液溫度較低，排氣溫度低，使得三效催化轉化器未達到工作溫度窗口范圍。在冷起動循環，汽油的CO 瞬態排放極值最高，達到1.0 g/s 左右，且CO 排放持續時間較長，接近200 s。隨著乙醇摻混比例的增加，CO 瞬態排放量減少。E40 的CO 瞬態排放極值約為0.45 g/s，且CO 排放持續時間為100s 左右。在熱起動循環高速工況，隨著乙醇摻混比例的增加，NOx瞬態排放略有增加。

圖4 E20 的冷、熱起動循環瞬態排放

圖5 E40 的冷、熱起動循環瞬態排放

2.1.4 累積排放比較

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

圖6 汽油、E20、E40 常溫冷起動條件下污染物累積排放對比

從圖6 所示的污染物累積排放曲線可以看出，各污染物排放主要集中在冷起動循環的前150 s 左右。在冷起動循環的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階段。隨著乙醇摻混比例增加，CO 的減排效果明顯。在冷起動循環，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 顆粒物排放對比

2.2.1 PN 綜合排放比較

圖7 為常溫冷起動條件下，汽油、E20、E40 等3種燃料的PN 綜合排放對比。

圖7 汽油、E20、E40 常溫冷起動條件下PN 綜合排放對比

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 為常溫冷起動條件下，汽油、E20、E40 等3種燃料的PN 各工況排放對比圖。

圖8 汽油、E20、E40 常溫冷起動條件下PN 各工況排放對比

從圖8 可以看出，在冷起動循環市區工況及冷、熱起動循環的高速工況，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 為常溫冷起動條件下，汽油、E20、E40 等3種燃料的PM 排放對比。

圖9 汽油、E20、E40 常溫冷起動條件下PM 排放對比

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 結論

本文以一輛重型汽油車為研究對象，對比分析了乙醇汽油對整車綜合排放、瞬態排放和各工況排放的影響，得出如下結論：

1）乙醇-汽油摻混燃料對CO、THC 和NOx綜合排放均有減排效果，且對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 排放下降趨勢更加明顯。在冷起動循環市區工況，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。在冷起動循環市區工況，乙醇汽油對THC、CH4減排效果明顯。在市區工況，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）乙醇汽油對于PM 和PN 的減排效果顯著。相對于汽油，E40 對PM 和PN 減排達65%以上。