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引言

車用乙醇汽油將在緩解我國石油緊缺、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)良性發(fā)展以及保護環(huán)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(xù)性、可降低CO2排放、生產(chǎn)程序簡單、高辛烷值、高蒸發(fā)潛熱以及低摻混比例下不需要改變原有的燃油供給系統(tǒng)等特點，因而得到廣泛應(yīng)用。在我國全面推廣乙醇汽油，第一是有利于國家的能源戰(zhàn)略調(diào)整。目前，我國原油大量依靠進(jìn)口，利用可再生糧食資源生產(chǎn)乙醇，將大大有利于解決石油這一戰(zhàn)略資源短缺的問題。第二是使用乙醇汽油有利于環(huán)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(nóng)業(yè)發(fā)展。用玉米做為生產(chǎn)乙醇的原料，可以有效轉(zhuǎn)化糧食，解決農(nóng)民賣糧難的問題。

在歐洲，歐Ⅴ車用汽油標(biāo)準(zhǔn)允許汽油中乙醇的體積分?jǐn)?shù)為5%[1]。按照美國能源信息署2011 年的統(tǒng)計，在美國，近90%的市售汽油為乙醇體積分?jǐn)?shù)為10%的E10 乙醇汽油；美國環(huán)保署在2010 年和2011 年先后發(fā)布了2 個豁免法案，允許2001 年及以后生產(chǎn)的轎車和輕型貨車使用乙醇體積分?jǐn)?shù)為15%的E15乙醇汽油，進(jìn)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(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局負(fù)責(zé)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(biāo)準(zhǔn)已開始實施。車用乙醇汽油的其他標(biāo)準(zhǔn)要求與GB17930-1999 車用無鉛汽油標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一致。目前，國內(nèi)推廣使用E10 乙醇汽油的地區(qū)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(qū)；最近，天津等地也將開展E10 乙醇汽油的應(yīng)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(nèi)對乙醇汽油常規(guī)污染物（CO、HC 和NOx）的排放研究較多，但主要基于發(fā)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?；诖?，本文通過在底盤測功機上進(jìn)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(guī)污染物、非常規(guī)污染物、溫室氣體、PN 排放進(jìn)行了對比研究，進(jìn)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(shù)如表1 所示。試驗用燃油為滿足國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)鼓上開展，采用全流稀釋尾氣分析儀HORIBA-CVS MEXA-7200DTR 進(jìn)行尾氣排放測試。試驗循環(huán)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(huán)。試驗包括冷、熱起動2 個循環(huán)，各循環(huán)持續(xù)1 800 s，每個循環(huán)分別由市區(qū)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(huán)試驗后，間隔20 min，然后進(jìn)行熱起動循環(huán)試驗。綜合排放量由冷、熱起動循環(huán)試驗結(jié)果加權(quán)計算得出，冷、熱起動循環(huán)權(quán)重分別為0.14 和0.86。試驗之前，至少10h 之間，最多36h 之間，進(jìn)行一次C-WTVC 循環(huán)預(yù)處理。在試驗完第1 種燃料后，試驗第2 種燃料之前，應(yīng)以第2 種燃料對車輛進(jìn)行一次C-WTVC 循環(huán)預(yù)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(shù)

表2 燃料特性

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 氣態(tài)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(tài)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(shù)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(huán)市區(qū)工況的CO 和THC 減排效果顯著。在冷起動循環(huán)市區(qū)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(huán)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(huán)高速工況，CO 排放下降趨勢減弱。除冷起動循環(huán)市區(qū)工況環(huán)外，在冷起動循環(huán)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(huán)市區(qū)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(huán)市區(qū)工況，E20 和E40 的NOx排放均有50%左右的下降。在熱起動循環(huán)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(huán)市區(qū)工況，隨著乙醇的加入，缸內(nèi)溫度降低，NOx排放減少；在熱起動循環(huán)高速工況，缸內(nèi)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(huán)市區(qū)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(huán)市區(qū)工況，CO 排放下降的效果最為顯著；在冷起動循環(huán)市區(qū)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(qū)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(huán)市區(qū)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(tài)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(tài)排放分別如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 汽油的冷、熱起動循環(huán)瞬態(tài)排放

從圖3、圖4、圖5 所示的3 種燃料的瞬態(tài)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(huán)試驗的0～130 s 內(nèi)。此時，發(fā)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(zhuǎn)化器未達(dá)到工作溫度窗口范圍。在冷起動循環(huán)，汽油的CO 瞬態(tài)排放極值最高，達(dá)到1.0 g/s 左右，且CO 排放持續(xù)時間較長，接近200 s。隨著乙醇摻混比例的增加，CO 瞬態(tài)排放量減少。E40 的CO 瞬態(tài)排放極值約為0.45 g/s，且CO 排放持續(xù)時間為100s 左右。在熱起動循環(huán)高速工況，隨著乙醇摻混比例的增加，NOx瞬態(tài)排放略有增加。

圖4 E20 的冷、熱起動循環(huán)瞬態(tài)排放

圖5 E40 的冷、熱起動循環(huán)瞬態(tài)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(huán)的前150 s 左右。在冷起動循環(huán)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(huán)，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(huán)市區(qū)工況及冷、熱起動循環(huán)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(jié)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(tài)排放和各工況排放的影響，得出如下結(jié)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(huán)市區(qū)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(huán)市區(qū)工況，乙醇汽油對THC、CH4減排效果明顯。在市區(qū)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(dá)65%以上。