乙醇汽油对车辆颗粒物排放的影响

温溢

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

乙醇汽油对车辆颗粒物排放的影响

温溢

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

在符合国Ⅰ、国Ⅲ、国Ⅴ标准的3辆试验车上，分别燃用国Ⅴ汽油、低芳烃E10、低烯烃E10 3种燃料，进行了NEDC和WLTC工况下的常温冷起动排放试验，重点对颗粒物(PM)排放量和粒子数量(PN)进行分析。结果表明：在两种工况下，燃用乙醇汽油相比普通汽油能大幅降低车辆的PM排放，低芳烃E10对国Ⅰ和国Ⅲ车辆PM降低效果最明显，分别下降19%和35%，低烯烃E10对国Ⅴ车辆PM降低效果最好，下降46%；在WLTC工况下燃用乙醇汽油能大幅降低车辆PN排放，其中低芳烃E10平均降低43%，低烯烃E10平均降低32%。

乙醇汽油；颗粒；排放

“十三五”化学工业规划编制中，原料多元化率显著提升作为一个基本方向被提出， 下一个五年期间会推动实施原料路线多元化的战略，因此，选择发展生物燃料乙醇和生物柴油，提高非石油基化工产品比重成为了大势所趋。另外，近年来我国粮食产量过剩，充分利用过剩的粮食发酵生产乙醇成为了国家战略性问题，目前已有20多个省、市、自治区在推广使用E10车用乙醇汽油。虽然乙醇汽油作为发展生物能源的代表已经取得阶段性成果，但面对迅猛发展的汽车排放控制技术以及更加严格的排放法规，不仅需要研究车用乙醇汽油中乙醇的配比问题，乙醇汽油中烯烃、芳烃的配比也成为了有待深入研究的问题[1-2]。

关于乙醇汽油以及烯烃、芳烃与排放的关系，已经有一些专家学者进行过相关研究。苏会波等对比研究了E10乙醇汽油与国Ⅲ、国Ⅳ汽油对发动机排放的影响，发现E10乙醇汽油对降低HC，CO，NOx，PM、苯系列物质都有显著效果[3]。沈义涛等研究了烯烃含量对发动机排放的影响，发现提高烯烃含量能降低THC排放，但对CO和NOx影响不明显[4]。仇延生等研究发现烯烃含量增加会加大NOx和沉淀物的排放，但能降低HC排放[5]。张孝铭等研究了芳烃对发动机排放的影响，发现提高汽油中芳烃含量会导致CO排放增加，HC和NOx排放变化不大[6]。

在上述研究中，未涉及到乙醇汽油中烯烃、芳烃含量对车辆排放的影响，也没有针对不同环保标准车辆进行对比分析，另外有关粒子数目(PN)排放的研究也很少。为此，本研究基于市售国Ⅴ汽油调配了低烯烃和低芳烃两种E10车用乙醇汽油，选择了目前城市中具有一定保有量的国Ⅰ、国Ⅲ、国Ⅴ排放水平的车辆进行NEDC和WLTC工况下的排放测试，重点探讨了尾气中的颗粒物质量、粒子数目。

1 试验方法及设备

试验用燃油选择了市售国Ⅴ汽油(S1)，另外调制了两种乙醇体积分数为10%的低烯烃(S2)和低芳烃(S3)车用乙醇汽油。通过SGS检测得到的3种试验用油配比结果见表1。为了保证试验中燃油的洁净，每次更换下一种燃油前必须清空油箱，加注试验用燃油后进行100 km磨合运转，用于清理油路。根据目前城市中不同排放阶段在用车辆的保有量，试验用车辆分别选择了国Ⅰ、国Ⅲ、国Ⅴ排放水平的乘用车。车辆基本参数见表2。试验测试系统主要设备见表3。

表1 试验油品相关参数

表2 试验样车参数

表3 试验设备

试验选取的工况为NEDC(New European Driving Cycle)和WLTC(World Light Test Cycle)。其中NEDC是一种稳态工况，分为市区循环和市郊循环两部分。WLTC为瞬态循环，是基于美国、瑞士、印度、欧盟、韩国及日本6个国家或地区实际路况开发的。WLTC工况由4个阶段组成，其中低速段(第一阶段)589 s，中速段(第二阶段)433 s，高速段(第三阶段)455 s，超高速段(第四阶段)323 s[7]。两种工况基本特征对比见表4。

表4 WLTC与NEDC基本数据对比

2 结果与分析

2.1PM质量排放比较

图1示出了车辆燃用3种燃料在NEDC和WLTC工况下的颗粒物(PM)质量排放结果。由图可见，燃用S2，S3后车辆的PM质量排放比燃用S1均有显著降低。从图1a和图1b中可以看出，S3对国Ⅰ、国Ⅲ车辆PM排放降低效果最为明显，相比S1，在NEDC和WLTC两种工况下，燃用S3后国Ⅰ车辆PM质量排放分别下降25%和12%，国Ⅲ车辆PM质量排放分别下降29%和42%。

图1 车辆燃用不同燃油时PM质量排放结果

颗粒物排放是个复杂、动态的过程， 其主要由炭烟、可溶性有机物(来源于燃烧和润滑油)、硫酸盐(S燃烧后生成) 以及添加剂等组成。发动机中颗粒物排放主要是由于空气燃油混合气不均匀，导致燃烧不完全，在高温缺氧条件下氧化、裂解而形成[8]。乙醇汽油含氧量大于普通汽油，能够在发动机气缸内得到更充分燃烧，最终产生的PM会低于燃用普通汽油。本试验中S3，S2含氧量分别为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试验结果均小于燃用普通汽油(S1)。

美国环保局(EPA) 和加州理工学院研究发现，汽油中的芳香族化合物会增加尾气中PM排放，同时也是形成二次细颗粒物PM2.5中有机物的主要成分[9]。S3中芳烃含量要低于S2，因此进气道喷射发动机燃用S3时PM排放要低于燃用S2。

图1c中，国Ⅴ车辆燃用S2后PM质量排放降幅最大，相比S1，在NEDC和WLTC工况下，燃用S2后PM排放分别下降53%和38%。原因是所选国Ⅴ车辆为缸内直喷发动机，与传统气道喷射汽油机中油气混合物的形成方式不同，直喷汽油机的油气混合过程发生在缸内，混合时间相对短且更容易在燃油喷雾的核心区等位置出现过浓区域[10]。在缸内高温的作用下，过浓区域中的燃油易发生热裂解，生成大量的不饱和烃，该部分物质是颗粒物中有机成分在缸内生成的前体物[11]。烯烃中含有碳碳双键，这大大提高了缸内不饱和烃生成的可能性，进而促进了PAHs在缸内的合成[12]。这是低烯烃乙醇燃油能够最大幅度降低直喷发动机车辆PM排放的原因。

2.2颗粒物数量(PN)比较

表5示出了燃用3种燃油后车辆在NEDC和WLTC工况下的PN排放结果。在NEDC工况下车辆燃用3种燃油的PN排放量没有明显的规律。国Ⅰ车辆燃用S1，S3时PN排放较低，国Ⅲ、国Ⅴ车辆燃用S2时PN排放较低。发动机缸内燃烧除了产生有机颗粒物外，还含有相当部分的无机颗粒物，这些无机颗粒物主要是由燃油中S转化而来的硫酸盐以及由于发动机磨损和润滑油消耗而产生的金属颗粒等，这些无机颗粒物的形成几乎与燃料以及缸内的氧含量无关，且粒径分布也与有机颗粒物不同。此外，PN测量相比PM质量排放测量采用的称重法，测量直径范围更小，所以PN测量结果呈现出的趋势也就不同于PM质量排放测量结果。

在WLTC工况下，相比S1，车辆燃用S2，S3后PN的排放都有显著降低，其中国Ⅰ车辆平均下降52.8%，国Ⅲ车辆平均下降39.6%，国Ⅴ车辆平均下降19.9%。不难发现，随着车辆排放控制水平的发展，普通汽油与乙醇汽油对车辆PN排放影响的差异在逐渐缩小。

表5 两种工况下车辆PN排放结果

对排放控制技术较为先进的国Ⅴ缸内直喷汽油车的PN结果进行重点分析。从表5中国Ⅴ样车的试验结果来看，在NEDC和WLTC两种工况下PN排放规律较为一致，即燃用S2产生的PN最少，燃用S3与燃用S1的PN排放相差不大。

图2示出了NEDC工况下国Ⅴ样车在燃用3种不同燃油后PN排放的瞬态数据(经过两级稀释，总稀释比为500)。从图中可知，PN主要产生在冷起动阶段以及加速工况下，在整个NEDC工况下，国Ⅴ直喷车燃用S2产生的PN都小于其他两种燃油，这说明无论是冷起动还是加速工况下，燃用S2能很好地降低国Ⅴ直喷汽油车PN的排放量。另外，在加速工况下S3的PN排放最差，容易出现排放量远高于另外两种燃油排放峰值的现象，其中表现最明显的是在EUDC工况的第一个加速阶段，S3的PN排放峰值高达1 899 个/cm3，是S1峰值的3.9倍，是S2的5.1倍。这说明在大负荷工况下，S3燃烧得最不充分，最容易产生大量的细小粒子[13]。

图2 NEDC工况下燃用不同燃油后PN瞬态数据

图3示出在3种燃油下国Ⅴ车辆冷起动时PN瞬态排放数据(NEDC工况前50 s)。燃用S1后样车在冷起动时PN的峰值最大，两级稀释后的数值达到了6 410 个/cm3，燃用S2的峰值最小，为4 604 个/cm3。这说明乙醇汽油在缸内直喷发动机冷起动时燃烧更好。主要原因是乙醇汽油比普通汽油的氧含量高，着火温度低，且最大火焰传播速度更快，在极短的时间内能够更迅速更充分地燃烧，产生更少的PN。

图3 NEDC工况冷起动PN排放数据

图4示出了WLTC工况下国Ⅴ车辆燃用3种不同燃油的PN排放瞬态数据。从图4可知，试验车辆在WLTC工况下的PN排放除了集中在冷起动阶段外，在高速和超高速等大负荷工况下也会产生一定量的PN。整个WLTC工况过程中，燃用S1生成的PN最多，燃用S2生成的PN最少。试验结果与NEDC工况较为一致，原因也是由于乙醇汽油有着更大的含氧量，在各种不同的工况下都能够快速充分燃烧，从而生成的PN更少。

图4 WLTC工况下燃用不同燃油后PN瞬态数据

3 结论

a) 燃用乙醇汽油均能降低国Ⅰ、国Ⅲ、国Ⅴ车辆的PM排放，其中燃用S3时国Ⅰ、国Ⅲ进气道喷射车辆PM排放降低效果明显，燃用S2时国Ⅴ缸内直喷车辆PM排放降低效果明显；

b) WLTC工况下，燃用乙醇汽油时国Ⅰ、国Ⅲ、国Ⅴ车辆的PN排放均能降低，其中燃用S3时PN排放平均降低43%，燃用S2时PN排放平均降低32%，在NEDC工况下燃用3种燃油的PN排放结果无规律性；

c) 对于国Ⅴ阶段的缸内直喷车辆，在NEDC和WLTC工况下燃用S2的PM质量排放和PN排放都最低；NEDC工况下，燃用S2在冷起动时的PN排放峰值最小，燃用S3在大负荷工况下PN排放量最大；

d) 随着车辆排放控制技术的发展，燃油对颗粒物排放结果的影响逐渐减小，在对乙醇汽油的推广研究中，需要综合考虑车辆环保标准、烯烃芳烃配比、试验工况等。

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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

温溢(1985—)，男，工程师，硕士，研究方向为轻型车排放及油耗测试；wenyi0504@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.014

TK411.52

B

1001-2222(2017)05-0073-04

[编辑： 潘丽丽]