不同掺混比例乙醇汽油对重型整车排放影响试验研究

（中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300）

引言

车用乙醇汽油将在缓解我国石油紧缺、促进农业生产良性发展以及保护环境等方面起到积极作用。乙醇作为一种替代燃料，具有可持续性、可降低CO2排放、生产程序简单、高辛烷值、高蒸发潜热以及低掺混比例下不需要改变原有的燃油供给系统等特点，因而得到广泛应用。在我国全面推广乙醇汽油，第一是有利于国家的能源战略调整。目前，我国原油大量依靠进口，利用可再生粮食资源生产乙醇，将大大有利于解决石油这一战略资源短缺的问题。第二是使用乙醇汽油有利于环境保护。因为乙醇是富氧燃料，在燃烧过程中能充分燃烧，使尾气排放中的有害气体大幅度降低。第三是有利于农业发展。用玉米做为生产乙醇的原料，可以有效转化粮食，解决农民卖粮难的问题。

在欧洲，欧Ⅴ车用汽油标准允许汽油中乙醇的体积分数为5%[1]。按照美国能源信息署2011 年的统计，在美国，近90%的市售汽油为乙醇体积分数为10%的E10 乙醇汽油；美国环保署在2010 年和2011 年先后发布了2 个豁免法案，允许2001 年及以后生产的轿车和轻型货车使用乙醇体积分数为15%的E15乙醇汽油，进一步扩大了乙醇汽油的使用范围[2-3]。在我国，早在2001 年，国家质量监督检验检疫总局负责组织制定的GB18350-2001 变性燃料乙醇和GB18351-2001 车用乙醇汽油等2 项国家标准已开始实施。车用乙醇汽油的其他标准要求与GB17930-1999 车用无铅汽油标准中的相关标准一致。目前，国内推广使用E10 乙醇汽油的地区有黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽等5 省以及湖北、河北、山东、江苏的部分地区；最近，天津等地也将开展E10 乙醇汽油的应用。

随着乙醇汽油的推广使用，汽车燃用乙醇汽油后的排放特性成为汽车排放研究的一个重点。国内对乙醇汽油常规污染物（CO、HC 和NOx）的排放研究较多，但主要基于发动机台架测试[4-5]以及基于轻型车的测试研究。针对乙醇-汽油掺混燃料对重型整车排放的测试研究尚没有开展。基于此，本文通过在底盘测功机上进行整车试验，对重型汽油车燃用汽油、E10 和E20 乙醇汽油的常规污染物、非常规污染物、温室气体、PN 排放进行了对比研究，进一步分析了乙醇-汽油掺混燃料对重型汽油车常温冷起动条件下排放的影响。

1 试验方法

1.1 试验车辆及燃料

试验所用车辆为排量6 L 的重型汽油客车，具体参数如表1 所示。试验用燃油为满足国Ⅴ标准的市售92#汽油、由92#汽油和分析纯度为99.7%的无水乙醇按照体积比例掺混而成的E20 和E40 乙醇汽油，汽油、乙醇的燃料特性如表2 所示[6]。

1.2 试验工况

试验在重型车转鼓上开展，采用全流稀释尾气分析仪HORIBA-CVS MEXA-7200DTR 进行尾气排放测试。试验循环采用GB/T 27840-2011 重型商用车辆燃料消耗量测试量方法[7]中使用的C-WTVC 循环。试验包括冷、热起动2 个循环，各循环持续1 800 s，每个循环分别由市区工况（0～900 s，平均车速为22.895 km/h）、公路工况（900～1 368 s，平均车速为43.746km/h）和高速工况（1 368～1 800 s，平均车速为75.772 km/h）等3 部分组成。冷起动循环试验后，间隔20 min，然后进行热起动循环试验。综合排放量由冷、热起动循环试验结果加权计算得出，冷、热起动循环权重分别为0.14 和0.86。试验之前，至少10h 之间，最多36h 之间，进行一次C-WTVC 循环预处理。在试验完第1 种燃料后，试验第2 种燃料之前，应以第2 种燃料对车辆进行一次C-WTVC 循环预处理，以使燃油管路中的燃料更换为第2 种燃料。

表1 试验车辆参数

表2 燃料特性

2 试验结果及分析

2.1 气态污染物排放对比

2.1.1 综合排放比较

图1 所示为在常温冷起动条件下，重型车4 种气态污染物的排放对比。对于汽油车而言，CO 排放较高，THC 排放次之，NOx排放较低。试验表明，与不含乙醇的汽油试验车相比，燃用乙醇汽油的试验车，CO、THC、NOx等3 种污染物排放均有不同程度的降低。这是因为，与汽油相比，乙醇为含氧燃料，过量空气系数增大，有助于燃烧，从而减少了CO、THC、NOx的排放。

图1 汽油、E20、E40 常温冷起动条件下综合排放对比

随着乙醇掺混比例的增加，CO、THC、NOx等3种排放下降趋势更加明显。乙醇-汽油掺混燃料中，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，对尾气中CO 的减排效果最为明显。乙醇-汽油掺混燃料对于CH4污染物的综合排放没有明显影响。

2.1.2 各工况排放比较

图2 为在常温冷起动条件下，汽油、E20、E40 等3 种燃料各工况的排放对比。

图2 汽油、E20、E40 常温冷起动条件下各工况排放对比

从图2 可以看出，乙醇-汽油掺混燃料对于冷起动循环市区工况的CO 和THC 减排效果显著。在冷起动循环市区工况，相比于汽油，E20 的CO 排放下降接近50%，THC 排放下降超过50%。在冷起动循环公路工况、高速工况，随着乙醇掺混比例的增加，CO 排放均有一定程度的下降。但在冷起动循环高速工况，CO 排放下降趋势减弱。除冷起动循环市区工况环外，在冷起动循环公路工况、高速工况，乙醇-汽油掺混燃料的THC 排放略有升高。在冷起动循环市区工况，E20 的NOx排放增加，而E40 的NOx排放下降约50%。在热起动循环市区工况，E20 和E40 的NOx排放均有50%左右的下降。在热起动循环高速工况，随着乙醇掺混比例的增加，NOx排放增加。主要原因是NOx生成的条件为高温、富氧和作用时间，由表2 可知，乙醇汽油比汽油的气化潜热高。在热起动循环市区工况，随着乙醇的加入，缸内温度降低，NOx排放减少；在热起动循环高速工况，缸内温度较高，燃料中乙醇掺混比例增加，氧含量增加，此时富氧为主要影响因素，所以NOx排放增加。在冷起动循环市区工况，乙醇-汽油掺混燃料的CH4排放降低。

综合比较可以得出，在各个工况，乙醇汽油的CO 排放均有所下降；随着乙醇掺混比例的增加，CO排放下降趋势更加明显。在冷起动循环市区工况，CO 排放下降的效果最为显著；在冷起动循环市区工况，乙醇汽油对THC 减排效果明显。在其他工况，乙醇-汽油掺混燃料对THC 排放影响不大，THC 排放甚至有增加的趋势；在市区工况，乙醇-汽油掺混燃料具有降低NOx排放的效果。在高速工况，随着乙醇掺混比例的增加，NOx排放增加。在冷起动循环市区工况，CH4排放略有降低；在其他工况，乙醇-汽油掺混燃料对CH4排放的影响不明显。

2.1.3 瞬态排放比较

在常温冷起动条件下，汽油、E20、E40 等3 种燃料的瞬态排放分别如图3、图4、图5 所示。

图3 汽油的冷、热起动循环瞬态排放

从图3、图4、图5 所示的3 种燃料的瞬态排放可以看出，重型汽油车的CO、THC、NOx排放主要集中在冷起动循环试验的0～130 s 内。此时，发动机刚刚起动，冷却液温度较低，排气温度低，使得三效催化转化器未达到工作温度窗口范围。在冷起动循环，汽油的CO 瞬态排放极值最高，达到1.0 g/s 左右，且CO 排放持续时间较长，接近200 s。随着乙醇掺混比例的增加，CO 瞬态排放量减少。E40 的CO 瞬态排放极值约为0.45 g/s，且CO 排放持续时间为100s 左右。在热起动循环高速工况，随着乙醇掺混比例的增加，NOx瞬态排放略有增加。

图4 E20 的冷、热起动循环瞬态排放

图5 E40 的冷、热起动循环瞬态排放

2.1.4 累积排放比较

在常温冷起动条件下，汽油、E20、E40 等3 种燃料的污染物累积排放对比如图6 所示。

图6 汽油、E20、E40 常温冷起动条件下污染物累积排放对比

从图6 所示的污染物累积排放曲线可以看出，各污染物排放主要集中在冷起动循环的前150 s 左右。在冷起动循环的150 s 后，CO 累积排放缓慢增加，而THC 和NOx累积排放基本保持不变。表明THC 和NOx排放几乎全部集中在起动阶段。随着乙醇掺混比例增加，CO 的减排效果明显。在冷起动循环，E20 的CO 排放较纯汽油下降34.5%，E40 的CO排放较纯汽油下降60%左右。

2.2 颗粒物排放对比

2.2.1 PN 综合排放比较

图7 为常温冷起动条件下，汽油、E20、E40 等3种燃料的PN 综合排放对比。

图7 汽油、E20、E40 常温冷起动条件下PN 综合排放对比

从图7 可以看出，相较于汽油，E20 的PN 排放下降31%，E40 的PN 排放下降67%。表明，随着乙醇的掺入，PN 的减排效果明显。

2.2.2 PN 各工况排放比较

图8 为常温冷起动条件下，汽油、E20、E40 等3种燃料的PN 各工况排放对比图。

图8 汽油、E20、E40 常温冷起动条件下PN 各工况排放对比

从图8 可以看出，在冷起动循环市区工况及冷、热起动循环的高速工况，PN 排放较高。与汽油相比，乙醇汽油的PN 各工况排放均降低。且随着乙醇掺混比例的增加，PN 排放下降更加明显。

2.2.3 PM 排放比较

图9 为常温冷起动条件下，汽油、E20、E40 等3种燃料的PM 排放对比。

图9 汽油、E20、E40 常温冷起动条件下PM 排放对比

从图9 可以看出，相较于汽油，E20 的PM 排放下降56%，E40 的PM 排放下降65%。表明，乙醇汽油的PM 减排效果明显。

3 结论

本文以一辆重型汽油车为研究对象，对比分析了乙醇汽油对整车综合排放、瞬态排放和各工况排放的影响，得出如下结论：

1）乙醇-汽油掺混燃料对CO、THC 和NOx综合排放均有减排效果，且对CO 的减排效果最为明显。

2）在各工况，乙醇汽油的CO 排放均有所下降。随着乙醇掺混比例的增加，CO 排放下降趋势更加明显。在冷起动循环市区工况，CO 排放下降的效果最为显著。其中，E20 的CO 排放下降50%，E40 的CO排放下降75%左右。在冷起动循环市区工况，乙醇汽油对THC、CH4减排效果明显。在市区工况，乙醇汽油具有降低NOx排放的作用；在高速工况，随着乙醇掺混比例的增加，NOx排放增加。

3）乙醇汽油对于PM 和PN 的减排效果显著。相对于汽油，E40 对PM 和PN 减排达65%以上。