乙醇汽油对汽车污染物排放影响研究进展

魏阳冰，陈宏飞，谢沛远，孙文欣，朱仁成,，王运静，张超越

1. 郑州大学生态与环境学院，河南 郑州 450001

2. 中国环境科学研究院，北京 100012

机动车排放是城市地区大气细颗粒物(PM2.5)、挥发性有机物(VOCs)和温室气体的主要来源之一，不仅能够促进灰霾和光化学烟雾的形成，还会增加人们罹患呼吸系统、心脑血管等疾病的风险[1-4]. 《中国移动源环境管理年报(2022 年)》显示：2021 年底我国汽车保有量已经达到3.02 亿辆，同比增长7.5%.2021 年我国机动车的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM) 排放量分别为7.7×106、2.0×106、5.8×106、6.8×104t[5]. 因此，加强机动车排放控制对于城市PM2.5和臭氧复合污染防控具有重要意义.《2022 年国内外油气行业发展报告》显示，交通领域燃油消耗占我国石油消费总量的55.4%.在我国机动车高保有量和持续增长的背景下，如何在确保能源安全的同时，实现减污降碳协同增效，成为当前亟待解决的重要问题.

为缓解机动车保有量不断增加引起的环境污染和能源短缺问题，车用清洁替代燃料不断发展[6-7].乙醇具有高燃烧效率、高辛烷值和良好抗震爆性[8-9]，被广泛用作汽油的部分替代品并得以推广应用. 我国从2003 年开始试点推行E10 汽油(含体积分数为10%变性燃料乙醇的车用乙醇汽油)，截止到2023 年8 月，已有15 个省(自治区、直辖市)全域或局部使用，具体如表1 所示. 目前关于乙醇汽油对汽车排放影响研究众多，但由于车辆技术水平、实验条件和测试技术等存在较大差异，不同研究之间结论并不完全一致，甚至存在相反的现象. 例如，杨正军等[10]发现乙醇汽油对汽车尾气中CO、总碳氢化合物(THC)有较好的减排效果；而Zhu 等[11]则发现了相反的规律. 汽车排放的VOCs 可分为尾气排放和蒸发排放[12-13]，随着对尾气排放控制的增强，蒸发排放在汽车总VOCs 排放中的占比逐年升高[14-15]. 另外，Yamada[16]指出蒸发排放的VOCs 可能是比尾气VOCs 更高效的臭氧诱导剂. 因此在关注乙醇汽油对尾气排放影响的同时，其对VOCs 蒸发排放的影响也不容忽视.

表1 截至2023 年8 月中国乙醇汽油推广范围Table 1 The scope of ethanol gasoline promotion in China by August 2023

为综合评估乙醇汽油对汽车污染物排放的影响，本研究在Web of Science 和中国知网上分别使用检索词“ethanol gasoline”“vehicle”以及“乙醇汽油”检索2009 年1 月1 日-2023 年7 月1 日的相关文献，经过筛选，最终得到54 篇相关文献. 通过系统梳理这54 篇相关文献内的数据，综合评价乙醇汽油的减污降碳效果，并对全国最早的试点省份之一-河南省推广E10 汽油的环境效益分析，以期为乙醇汽油的进一步推广使用和减少大气污染物、温室气体提供科学依据.

1 乙醇汽油对汽车尾气污染物排放影响

1.1 乙醇汽油对常规气态污染物的影响

图1 归纳了常温下汽车使用不同汽油时尾气中THC、CO、NOx的排放因子. Zhang 等[7]发现与国Ⅵ汽油相比，使用乙醇汽油时THC 和CO 的排放因子分别降低了7.6%～32.9% 和10.0%～40.0%，这与文献[17-23]等研究结论一致. 主要原因是乙醇氧含量较高，燃烧时会产生大量羟基从而贡献更易参与氧化还原反应的原子氧，促进汽油充分燃烧；并且可以降低发动机点火温度，提高燃烧速度和火焰传播速度[17].然而，也有研究发现乙醇汽油会增加THC 和CO 排放，如Zhu 等[11]观察到燃油喷射(GDI) 汽油车使用E10 燃料时尾气中THC 排放量比使用传统汽油时增加了25.0%，Lin 等[24]发现使用E3 和E10 燃料时尾气中CO 排放量比使用传统汽油时分别增加了22.9%和11.5%，这可能是由驾驶习惯或车辆技术差异导致.Yao 等[22]发现乙醇含量从3% 增至20% 时，THC 和CO 的减排率分别从1.6%、1.1%增至28.8%、30.8%.

图1 汽车分别使用乙醇汽油和传统汽油时尾气THC、CO 和NOx 排放对比Fig.1 THC, CO and NOx emissions from vehicles with ethanol gasoline and conventional gasoline, respectively

不同研究中有关乙醇汽油对尾气NOx排放影响存在较大差异. 有研究[7,23-25]显示，汽车使用E3～E40汽油时尾气NOx排放因子比传统汽油减少了2.1%～46.1%. 而其他研究[11,18-21,24-25]发现，相较于传统汽油，使用E3～E40 汽油时汽车尾气中NOx的排放增加了0.5%～103.5%，这可能与NOx复杂的生成过程有关.O2或·OH 高温裂解生成的O 自由基，在不低于1 600 ℃的高温下才能将N 或N2氧化生成NO 或NO2[17-18]，故含氧量和温度都是影响尾气NOx排放因子的关键因素. 乙醇汽油会增加燃烧室内的含氧量，导致NOx的排放因子升高，而乙醇的汽化潜热(904 kJ/kg)远高于汽油(301 kJ/kg)，故乙醇汽油汽化潜热随乙醇体积分数升高而增大，使燃烧温度下降，这又会抑制NOx的排放[26]. 在这两种因素的综合作用下，改用乙醇汽油后尾气中NOx的排放趋势并不明确.此外，乙醇汽油共混物的热值、层流火焰速度等物化性质、汽油车发动机标定值以及后处理系统也会影响NOx的生成[27-28].

为了综合评估乙醇汽油对常规气态污染物的排放影响，将文献[7,17-25,27-37]中传统汽油的排放因子对数值〔lg(EFTG)〕与乙醇汽油的排放因子对数值〔lg(EFEG)〕使用线性函数(y=a+x) 进行拟合，结果如图2 所示. 相对而言，THC 观测值分布更加集中，而CO 和NOx的离散程度更高，说明使用乙醇汽油对CO 和NOx的影响更大. 从y=a+x拟合曲线来看，R2均大于0.9，说明拟合效果较好. 截距a可以量化乙醇汽油具体的减排效果，即EFEG/EFRG=10a. 从传统汽油改用乙醇汽油后，CO、THC 分别减排10.0%和22.0%，而NOx平均排放因子无明显变化.

1.2 乙醇汽油对温室气体的影响

汽油车排放的温室气体以二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O) 为主. 使用乙醇汽油后，CO2的排放因子降低0.3%～3.7%，且乙醇含量的升高对CO2的排放因子基本没有影响[7,18,24-25]，这主要是因为CO2是燃油燃烧的主要产物，其排放主要由发动机技术决定. Lin 等[24]发现汽油车从欧Ⅲ升级到欧Ⅳ时，尾气中CO2减少了8.5%～11.8%，而使用乙醇汽油替代传统汽油时，CO2的排放因子仅减少0.8%，这说明相较于使用乙醇汽油，提高排放标准和升级发动机技术是更有效的尾气CO2减排方案.

不同研究中乙醇汽油对汽车尾气CH4排放影响规律并不一致. 例如，Yao 等[22]分别使用高里程和低里程汽油车测试E3～E20 的CH4变化情况，发现各燃料-车型的组合下CH4的排放因子降低了14.3%～71.4%.而Graham 等[38]分别对国Ⅱ、国Ⅲ、国Ⅴ车进行测试，结果显示大多数情况下使用乙醇汽油比传统汽油的CH4排放因子要高，最高增幅可达102.5%. 其主要原因可能是乙醇汽油在增加燃烧室内氧含量的同时，又增加了碳和氢的含量，导致使用乙醇汽油后CH4排放有升有降. 此外，Graham 等[38]研究证明，随着乙醇含量的增加尾气中N2O 的排放因子呈增加趋势，但通过对国Ⅵ车调查发现，其N2O 排放因子均小于5 mg/km，远小于GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》的排放限值(20 mg/km)[39]. 可以推测，汽车使用乙醇汽油并不会导致N2O 排放超出标准限值.

图3 为基于文献[7,17-19,22,24-25,32-33,36,38,40]统计绘制的乙醇汽油对CO2和CH4减排效果的综合评价. CO2的观测值较为集中，减排率约为2.0%，说明乙醇汽油对CO2具有一定减排效果. 生物燃料乙醇汽油排放的部分CO2是植物通过光合作用固定在生物质原料中，再通过燃烧释放到大气，即在大气与生物质之间不断循环[41]；而传统汽油燃烧释放更多的是将地下化石碳释放到大气中[42]. 因此，仅从汽车行驶排放环节考虑，使用乙醇汽油能在一定程度上减少CO2排放. 而通过综合评价，发现使用乙醇汽油增加了4.0% 的CH4排放，但CH4的离散程度较高，说明其受乙醇汽油影响有一定不确定性.

图3 乙醇汽油对汽车尾气CO2 和CH4 减排效果的综合评价Fig.3 The comprehensive evaluation of the emission reduction effect of CO2 and CH4 from vehicles using ethanol gasoline

1.3 乙醇汽油对颗粒物和VOCs 的影响

与传统汽油相比，乙醇汽油对汽车尾气中PM 和颗粒物数量(PN)排放均有明显的减排效果[27,43-47]，且可以降低颗粒物中大部分中高分子量的多环芳烃排放[48]. Wu 等[25]研究发现汽油车分别使用低芳烃和低烯烃两类E10 汽油时，尾气PM 与PN 排放分别降低28.0%±17.0%和33.0%±20.0%，且低烯烃E10 减排效果更好. 朱仁成[43]基于全球统一轻型车辆测试(WLTC)循环分别测试了常温(30 ℃)和低温(-7 ℃)下国Ⅳ汽油车分别使用传统汽油和E10 汽油时的颗粒物排放情况，结果表明乙醇汽油分别降低了20.6%～52.0%的PM 排放和20.3%～58.1%的PN 排放，这主要归因于乙醇汽油增加了燃油的含氧量和蒸汽压；另外，通过考察整个循环下的粒径分布，发现E10 还可以有效减少汽油车尾气中的核膜态颗粒物(＜0.1 μm)；对于GDI 汽油车，排放的粒径越小，其减排效果越好. 从乙醇添加比例的角度来看，乙醇比例的升高，会增强颗粒物的减排效果. Yang 等[44]研究发现，乙醇含量增加5.0%时，PM 和PN 的排放分别减少17.5%和17.0%.

汽车VOCs 排放被认为是城市地区大气VOCs的主要人为来源[49-50]. 汽车尾气中VOCs 种类约占THC 的65.5%～82.1%[51]. 已有研究[17,19,22,47,49]表明，使用乙醇汽油能够有效控制机动车尾气VOCs 排放.Zhang 等[52]基 于 新 欧 洲 驾 驶 循 环(NEDC) 对3 辆国Ⅳ汽车进行尾气排放测试，发现E10 汽油能降低37.0%～56.0%的VOCs 排放，与Yao 等[22]研究结论一致. 而Yang 等[19,25]研究了E3～E20 汽油和传统汽油的排放，发现乙醇含量的升高对减排率的影响并不明显. 从VOCs 组分角度分析，使用E10 汽油后总羰基化合物排放因子比传统汽油高出15.0%～46.0%，其中乙醛比例增加最明显(52.0%)，这是因为乙醛是乙醇在气缸内燃烧和氧化的关键中间体[52]. 瞿国凡等[53]发现乙醇汽油的甲醛排放略低于传统汽油，是因为乙醇比汽油中碳氢化合物更容易氧化. Lin 等[24]研究了欧Ⅲ至欧Ⅴ汽车使用E3 和E10 汽油时的排放情况，发现与传统汽油相比，使用乙醇汽油后甲苯、苯和乙烷平均减排率分别为54.5%、42.4%和24.4%. 而使用乙醇汽油后臭氧生成潜势(OFP)并没有一致性的变化规律，这可能是因为OFP 是受到VOCs 组成、机动车类型及温度等因素的共同作用[19,22,52,54].

图4 为基于文献[11,15,17,22,43-47,52,54] 归纳的乙醇汽油对颗粒物和VOCs 减排效果的综合评价.由图4 可知，PM、PN 和VOCs 的观测值大多居于图右下方，说明使用乙醇汽油会降低汽车尾气颗粒物和VOCs 的排放(R2＞0.8)，且使用乙醇汽油的综合减排率分别为21.3%、14.9%和17.7%.

图4 乙醇汽油对汽车尾气颗粒物和VOCs 减排效果的综合评价Fig.4 Comprehensive evaluation of the emission reduction effect of particulate matters and VOCs emissions with ethanol gasoline

总体而言，在汽油中添加乙醇可以增加内燃机燃烧时的含氧量并降低燃烧室温度，从而减少THC、CO、PM、PN 及VOCs 的排放. 而温室气体在乙醇汽油车尾气排放时的减排效果相对较弱，但使用E10汽油可以减少化石碳的释放，能在一定程度上减少汽车尾气CO2的排放.

2 乙醇汽油对蒸发排放的影响

随着排放标准日趋严格，目前汽车尾气排放已经得到有效控制，蒸发排放越来越受到人们重视. 蒸发排放包括运行损失、加油损失、热浸损失和昼夜呼吸损失等[55-56]. 运行损失是指发动行驶过程中油气的蒸发[16]；加油损失是指加油过程中被推出油箱的燃油蒸汽[56]；热浸损失是指发动机熄火后余热引起的燃料蒸发[57]；昼夜呼吸损失是由于昼夜温差导致油箱中燃料渗透和蒸汽逸出[58]. Yamada 等[59]发现在未配置车载油气回收系统(ORVR)的汽油车上，使用E10 和传统汽油的加油损失没有明显的差异. 有研究[55-56]显示，使用E10 燃料的加油排放VOCs 成分与使用传统燃料的成分几乎相同.

目前对乙醇汽油运行损失、加油损失方面的研究相对有限，故笔者主要对比了乙醇汽油、传统汽油的热浸损失和昼夜呼吸损失过程中VOCs 的排放情况(见表2). 有研究[43,52,59-61]表明，E10 汽油会增加汽油车的热浸排放，具体增幅因车辆而异，最高达到66.7%，这可能与乙醇燃料中较低的50%蒸馏温度(T50) 导致的平均蒸发性较强有关. 而Zhang 等[23,38]测试的部分乙醇汽油热损失略小于传统汽油，可能是车辆状态、试验条件等因素干扰所致. 使用乙醇汽油会使汽油车的昼夜呼吸损失升高，这是由低含量乙醇燃料的近共沸效应提高了雷德蒸气压，以及乙醇作为一种小分子燃料促进了蒸发排放的渗透机制共同导致的[59]. 从对VOCs 蒸发排放组成来看，Zhu 等[11]观察到使用E10 汽油时，醛酮化合物占比增至5.2%～30.4%，这与Zhang 等[7]的结果基本一致. Yamada 等[59-60]深入研究了蒸发排放的机制，发现使用乙醇汽油后会增加渗透排放，并且较早出现碳罐突破现象，但其后续突破较为缓慢.

表2 汽车分别使用乙醇汽油和传统汽油时蒸发VOCs 排放因子对比Table 2 Evaporative VOCs pollutant emission factors from vehicles with ethanol gasoline and conventional gasoline, respectively

Koupal 等[62]研究发现，在墨西哥推行E10 燃料后，机动车VOCs 排放量增加了13%～18%，其中甲苯增加了29.0%～34.0%，是墨西哥大气OFP 最大的前体物. 因此，制定分时分区精细化的乙醇汽油推广应用策略，并采用ORVR 系统作为控制技术，减少乙醇汽油VOCs 蒸发排放是很有必要的.

3 典型区域推广乙醇汽油的环境效益分析:以河南省为例

为评估E10汽油推广应用带来的CO2、PM和VOCs的减排效果，本研究基于最早推广乙醇汽油的省份之一-河南省，2022 年轻型汽油车的数据进行测算.

基于1.2～1.3 节综合分析结果，使用E10 汽油时CO2及PM 减排量的计算方法如式(1)～(2)所示：

式中：RCO2和RPM分别表示使用E10 汽油时CO2和PM 的减排量，t/a；Vi表示第i类排放标准的汽油车保有量，辆； EFCO2,i和 EFPM,i分别表示第i类排放标准汽油车使用传统汽油时CO2和PM 的平均排放因子，mg/km；D表示轻型汽油车行驶里程，根据《道路机动车排放清单编制技术指南(试行)》推荐的行驶里程，并结合车辆实际使用过程中行驶里程随车龄递减的趋势[63]，将D设为1.2×104km/a.

使用E10 汽油时VOCs 的减排量主要由尾气排放和蒸发排放两部分组成. 而由于加油损失和运行损失受多因素综合影响，排放因子存在较大差异[13]，因此蒸发排放部分仅考虑热浸损失和昼夜呼吸损失，如式(3)所示：

式中：RVOCs表示使用E10 汽油时VOCs 的减排量，t/a；EFtail,i表示第i类排放标准的汽油车对应的尾气VOCs 平均排放因子，mg/km； EFHSL,i表示第i类排放标准的汽油车对应的VOCs 热浸损失，mg/test；N表示车辆平均每天停车次数，假设为3 次； EFDBL,i表示第i类排放标准汽油车对应的VOCs 昼夜呼吸损失的平均值，mg/d；7.4% 和29.5% 表示分别根据文献[23,25,31,44,60-61,63]计算的热浸损失和昼夜呼吸损失的平均增长率.

根据文献[7,11,23,24-25,38,43,46,64-69]总结的车辆排放数据，结合《2022 年河南统计年鉴》统计的轻型车数量和实地调研得到的车型占比，通过式(1)～(3) 计算得到2022 年河南省全域使用E10 汽油的轻型车CO2、PM的尾气减排量以及VOCs 综合减排量分别约为9.1×105、92.4 和1 118.1 t/a.

表3 显示了CO2、PM 的尾气减排量与VOCs 综合减排量. 由表3 可以看出，国Ⅴ车CO2和PM 尾气减排量最大，占总量的46.3%～47.6%，这是由于国Ⅴ是现行车辆中保有量最多的车型. 而国Ⅴ车对VOCs综合减排量仅占2.7%，是因为E10 一定程度上增加了车辆的蒸发排放，而现行政策对其管控较为宽松.因此在推广乙醇汽油的同时，也应加强对蒸发排放的控制，以更有效地降低VOCs 排放.

表3 轻型汽油车CO2、PM 尾气减排量和VOCs 综合减排量Table 3 Reduction of CO2, PM exhaust emissions and VOCs comprehensive emissions t/a

4 结论与展望

a) 通 过 对2009 年1 月1 日-2023 年7 月1 日发表且被Web of Science 和中国知网收录的相关文献统计分析，发现乙醇汽油的使用可以一定程度上降低汽车尾气污染物的排放，其中主要包括THC、CO、PM、PN 及VOCs，其平均减排率分别为10.0%、22.0%、21.3%、14.9% 和17.7%，而NOx排放量基本不变. 乙醇汽油车尾气排放的温室气体相较于使用传统汽油基本不变甚至小幅上升，但从化石碳、生物碳的角度考虑，使用乙醇汽油在一定程度上能够降低尾气CO2的排放.

b) 使用乙醇汽油会增加热浸损失和昼夜蒸发排放，因此应加强对VOCs 蒸发排放的管控，以减少乙醇汽油VOCs 的排放.

c) 以2022 年轻型车保有量和汽油消耗数据为基准，估算了河南省全域使用E10 汽油的轻型车CO2、PM 尾气减排量以及VOCs 综合减排量，分别为9.1×105、92.4 和1 118.1 t/a.

d) 推广乙醇汽油对减污降碳具有积极作用. 本研究通过综合评估乙醇汽油车的常规气态污染物、颗粒物、温室气体和VOCs 排放因子水平，明确了乙醇汽油对各污染物的减排效果，为未来乙醇汽油的进一步推广提供了切实数据，可以为汽车领域的减污降碳协同控制提供理论支撑. 考虑到乙醇汽油可能会增加VOCs 蒸发排放，今后应加强对VOCs 蒸发控制技术及完善相关法规标准的研究，以期进一步降低机动车污染物排放.