张孟珠,郝春晓,葛蕴珊*,王 欣

车用汽油及含氧燃料的环境效应

张孟珠1,郝春晓2,葛蕴珊1*,王 欣1

(1.北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081；2.中国环境科学研究院,北京 100012)

基于7辆国6轻型车的WLTC循环测试,计算了汽油､E10和MTBE10(汽油中添加10%体积的甲基叔丁基醚)排放的温室气体的致暖效应(GWP)、臭氧生成潜势(OFP)和非甲烷有机气体(NMOG)排放.结果表明,车队平均N2O和CH4排放的GWP分别为0.6和0.07g CO2e/km.E10和MTBE10的非CO2温室气体排放的GWP比汽油更高.从整个碳生命周期看,生物质E10可以使温室气体排放的GWP下降5%～15%.E10和MTBE10都倾向于增加苯系物(BHC)排放和OFP.试验车辆的NMOG排放在30mg/km左右,使用含氧燃料E10和MTBE10没有显示出大幅度增加NMOG的现象.

GWP；OFP；汽油；乙醇；MTBE

O3污染和温室效应是世界环境面临的主要威胁[1-2].预计到2030年,中国将成为非CO2温室气体排放量最多的国家[3].同时,在人口密集的城市,每年以O3为首要污染物的天数接近一半[4].

机动车尾气中不仅含有CO2､N2O和CH4等温室气体,而且其排放的可挥发性有机物(VOC)是O3的主要前驱物[5-6].从污染物生成的原理来看,车辆的N2O排放受到燃料类型、燃烧技术、车辆使用年限、后处理技术等因素的影响[7-9],CH4和VOC排放是燃料中对应成分和燃料完全燃烧程度的函数[10].在车用汽油中添加含氧物质会改变发动机缸内的燃烧特性,进而影响温室气体排放、O3合成和醛酮排放,特别是在含氧物质以生物质为原料的情况下.多数研究就乙醇汽油的CO2排放量比汽油低这一现象达成共识,但在乙醇汽油对CH4､N2O和VOC排放量的影响规律方面尚无统一结论[11-13].对于醛酮排放,王欣等[14]测试了25辆在用车在NEDC循环下的排放,证明了汽油中添加乙醇成分有利于降低臭氧生成潜势(OFP),但会增加醛类排放.另一种常用含氧物质甲基叔丁基醚(MTBE)作为低成本的辛烷值促进剂,自1979年开始被广泛使用.大量研究表明MTBE的引入极大减少了苯排放和OFP[15-16],但其会代谢出大量危害人体的醛类化合物[17].

目前的多数研究集中于含氧汽油的温室气体和VOC排放,鲜见关于致暖效应(GWP)和OFP效应估计的研究.虽然机动车排放的CH4和N2O比CO2排放量少7个数量级,但其对温室效应的贡献同样不容忽视,因为非CO2温室气体比CO2截热能力更强,而且在大气中停留的时间可能更长;此外,不同碳数、不同结构的VOC成分对应的O3反应率差别很大,对O3形成的贡献也不相同.因此,本文基于7辆国6a轻型车的全球统一轻型车辆测试循环(WLTC)温室气体和VOC中苯系物(BHC)排放因子,对汽油、E10和MTBE10(汽油中添加10%的MTBE)这3种燃料的GWP和OFP进行计算分析,以此评估车用汽油含氧成分和生物质乙醇对大气环境的影响程度.除此之外,为了衡量燃料含氧对含氧碳氢污染物排放的影响,计算了非甲烷有机气体(NMOG)排放,以期为燃料设计和污染物治理工作提供借鉴.

1 设备与评价方法

1.1 测试系统及循环

整车排放测试在德国IMTECHSFTP型恒温恒湿环境仓中进行,底盘测功机为德国马哈(MAHA)生产的ECDM-48L-4WD型电力测功机.试验按照我国第6阶段排放认证循环-WLTC进行[18],试验温度为23℃.采用全流定容稀释系统(CVS,日本HORIBA公司,型号7400S)取样.温室气体排放测试分析仪为日本HORIBA公司的MEXA-7400LE,检测方法为:不分光红外法(NDIR)检测CO2排放量,气相色谱和电子捕获检测器(GC+ECD)检测N2O排放量,气相色谱和氢离子火焰(GC+FID)检测CH4排放量.苯系物排放的采样分析采用美国Agilent公司的Tenax TA型金属采样管、6890型气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)和英国Markes公司生产的UNITY型热脱附装置.乙醇和醛酮排放由日本HORIBA公司的MEXA-6000FT型傅里叶红外光谱仪(FTIR)检测.温室气体排放量由CVS稀释排气容积、污染物在稀释排气中的浓度和污染物在标况下的密度计算;苯系物排放量由Tenax TA管采样总体积、仪器检出量和分流比计算.乙醇和醛酮排放量由原始排气容积(未经稀释)、污染物在排气中的浓度和污染物在标况下的密度计算.

1.2 试验油品

3种试验油品分别为满足国6燃油标准的不含氧汽油、E10(10%匹配混合乙醇汽油)和MTBE10 (10%甲基叔丁基醚汽油),如表1所示.3种燃料的芳香烃、烯烃和环烷烃含量接近,E10和MTBE10分别添加了10%体积分数的乙醇和MTBE代替汽油中的部分C8烷烃.

表1 燃油的主要理化参数

1.3 试验车辆

7辆车(表2)均满足国6a排放标准,后处理系统均为三元催化器.为了排除发动机和催化器老化对试验结果的影响,保证车况和催化器性能良好,试验车辆的行驶里程均小于15000km.

表2 试验车辆的主要技术参数

注:a为直喷,b为直喷加进气道喷射,c为手动,d为双离合,e为无极变速,f为后驱,g为四驱,h为前驱,i为可变压缩比.

1.4 GWP、OFP和NMOG计算

检测分析了3种温室气体(CO2、N2O和CH4)、7种苯系物(苯、甲苯、乙苯、间二甲苯、邻二甲苯、对二甲苯和苯乙烯)和5种含氧化合物(甲醛、乙醛、乙醇、甲酸和乙酸).GWP由温室气体排放因子和单位温室气体的GWP因子按式(1)计算得到,OFP由苯系物排放因子和最大增量反应活性(MIR)值按式(2)计算得到.单位CO2、N2O和CH4气体的GWP因子分别为1、298和25,苯、甲苯、乙苯、间二甲苯、邻二甲苯、对二甲苯和苯乙烯的MIR值分别为0.72、4、3.04、9.75、7.64、5.84和1.73.根据美国环保署(EPA)的定义,NMOG包含非甲烷碳氢(NMHC)和含氧碳氢化合物.本文NMOG为NMHC、甲醛、乙醛、乙醇、甲酸和乙酸的排放因子之和.由于FITR对乙醇的测量精度较差,根据Gierczak等人的建议,以乙醇测量值的75%作为乙醇排放因子的实际值[19].

式中:m和m分别表示温室气体和苯系物的排放因子,g/km;GWP表示温室气体的GWP因子;MIR表示苯系物的MIR值.

2 结果与分析

2.1 燃料的温室气体排放及GWP比较

如图1(a)所示,在相同的试验室测试条件下,不同车辆的CO2排放水平不同,这与车重、变速系统、发动机额定功率和功重比等因素有关,其中车重是最为主要的影响因素[20].Burgess等[21]的研究发现,车重降低10%,油耗减少8.7%;Ehsani等[22]研究发现,车重降低10%,机动车的CO2排放随之减少2.5%; Doll等[23]也得到了类似的趋势.正是基于此,福特和本田汽车分别在底盘和车身结构中使用了铝和碳纤维.可以看出,添加乙醇或MTBE成分对不同车辆CO2排放的影响不一致.从整个测试车队来看,燃用汽油、E10和MTBE10时的平均CO2排放因子分别为185.4,181.5和183.7g/km.CO2排放受到燃料碳氢比(C/H)和完全燃烧程度的影响,C/H越大,燃烧程度越高,生成的CO2越多[24].乙醇的C/H为0.33,MTBE的C/H为0.42,汽油中被替换的C8烷烃的C/H为0.44,从这一点来看,乙醇和MTBE都有利于减少CO2的排放.从燃烧程度来说,乙醇和MTBE引入了氧原子,降低了燃料对氧的需求和局部过浓的程度,有利于促进燃烧的完全程度和减少CO的排放.对于不同发动机,两种因素共同作用导致的燃烧特性不同,因此燃料对CO2排放的影响在不同试验车辆上存在差异.

如图1(b)所示,不同于CO2排放的特征,大多数试验车辆在燃用E10时,N2O排放都有所增加.从整体来看,汽油、E10和MTBE10对应的平均N2O排放因子分别为1.9,2.1和2.0mg/km.N2O主要产生于循环初始,三元催化器温度较低时,受到驾驶循环、环境温度、后处理技术和燃料的硫含量等因素的影响.高的硫含量可能导致较多的N2O排放,因为硫推迟了催化器达到工作温度的时间.各试验燃料的硫含量顺序为:汽油(5.5mg/kg)

如图1(c)所示,对于大多数试验车辆,燃用E10或MTBE10时,CH4排放相对于汽油都减少,最大下降比例达到20%.汽油的平均CH4排放因子为2.9mg/km,E10和MTBE10的CH4排放因子分别是汽油的96%和86%.CH4的主要致因是缸内的不完全燃烧,与循环初始缸内温度低密切相关.V3的N2O和CH4排放都明显高,原因是V3的车重大,燃烧需要的燃油量多;同时V3的变速器档位少,多工况下平顺性和经济性差.

由以上分析可知,不同车辆个体的排放水平有很大差异,受燃料的影响也不尽相同.这是因为整车的尾气排放受到发动机转速、负荷和后处理器等因素的影响.排除个体差异,提取关键的车辆特性参数,通过大量试验数据,采用算法和统计模型建立车辆-燃料-排放之间的关系对于优化车辆结构、燃料升级和控制污染物排放具有重要的作用.由于本文的重点是研究燃料成分变化对车队整体排放水平的影响,因此所选用的试验车为市场占有率高的车型且尽量包含不同发动机型式、不同排量和不同变速系统,以较为全面地体现整体排放水平的变化.

图2(a)给出了7辆试验车燃用不同燃油时非CO2气体排放的GWP.值得注意的是,虽然N2O和CH4的排放因子处于相近水平,但N2O排放的GWP为0.6g CO2e/km,CH4排放的GWP仅为0.07g CO2e/km.这也证明在国6排放法规中加入N2O限值对于控制温室效应十分必要.如前所述,N2O是起动初始温度低时三元催化器的副产物,所以混合动力车的N2O排放及其温室效应需要特别关注.从车队平均水平来看,燃用汽油、E10和MTBE10时的非CO2温室气体排放的GWP分别为0.648,0.691和0.662g CO2e/km,使用含氧燃料增加了车队的非CO2温室气体排放的GWP.

图2(b)给出了燃用不同燃料时排放的温室气体的GWP,降低燃油消耗,提高发动机的热效率在长期内仍是限制温室效应的关键.可以看出,使用含氧燃料对尾气排放的GWP的影响存在个体差异.V6和V7在使用E10和MTBE10时的GWP相较于汽油均略有上升,上升比例约为1%～2%.V4仅在使用E10时GWP有所升高,而V3仅在使用MTBE10时GWP有所增加.从车队排放的平均值看,E10和MTBE10的GWP相较汽油的分别下降了2%和1%,优势并不明显.但如果E10中的乙醇来自于生物质,则从整个碳生命周期考虑,燃用E10的GWP中不需要计入乙醇燃烧产生的10～14g的CO2(如图2(b)中阴影所示),在这一前提下,使用E10相比于使用汽油时,GWP一定减少,减少比例从5%～15%不等.

2.2 燃料的BHC排放及OFP比较

如图3(a)所示,燃用汽油、E10和MTBE10时,车队平均BHC排放因子分别为20.1,21.6和23.0mg/ km.无论使用何种燃料,甲苯始终是最多的BHC,排放达到6～12mg/km,占比30%～50%.乙苯、间二甲苯、对二甲苯和苯的车队平均排放相当,都在2～3.5mg/ km.相比于燃用汽油时的排放,E10的使用增加了间二甲苯(+0.7mg/km)、对二甲苯(+0.7mg/km)和甲苯(+1.4mg/km)的排放,减少了乙苯(-0.7mg/km)和邻二甲苯(-0.4mg/km)的排放;MTBE10的使用也增加了间二甲苯(+1.0mg/km)、对二甲苯(+0.9mg/km)和甲苯(+1.1mg/km)的排放.虽然前人的研究结果表明,BHC排放主要来源于燃料中相同的成分的未燃[26-27],但3种试验燃料的BHC排放还是有所差异,这说明含氧成分会对BHC排放种类及分布产生影响.

如图3(b)所示,燃用汽油、E10和MTBE10时,车队平均OFP分别为89.2,100.0和109.3mg O3/km.乙醇和MTBE成分都倾向于增加车队的OFP.除了甲苯因排放量高对OFP贡献达30%以外,间二甲苯对OFP的贡献也不容忽视,达20%～35%.

2.3 燃料的NMOG及THC排放比较

如图4(a)所示,汽油、E10和MTBE10对应的平均THC(NMHC+CH4)排放因子分别为19.3,18.5和17.3mg/km.各个试验车的THC排放都小于35mg/ km,远低于国6排放标准规定的50mg/km的限值[18].V4和V6的THC排放在使用含氧燃料后有比较明显的增加,使用E10时分别增加1.3和7.6mg/km,使用MTBE10时分别增加0.5和5.2mg/km.

图4(b)给出了燃用不同燃料时的NMOG (NMHC+含氧化合物)排放因子.7辆车燃用汽油、E10和MTBE10时的平均NMOG排放因子分别为30.7,29.4和30.3mg/km,其中含氧化合物的平均排放因子分别为14.5,13.9和15.5mg/km,与NMHC的排放因子基本持平.可以看出,尽管对于大多数试验车辆而言,使用含氧燃料E10和MTBE10并未大幅度增加NMOG,甚至某些车辆的NMOG还有所下降,但值得注意的是,对于试验车辆V4和V6来说,使用含氧燃料显著提高了尾气中的NMOG,V4和V6的NMOG排放在使用E10时分别增加2.6(12%)和7.2(30%) mg/km,在使用MTBE10时分别增加3.6(17%)和9.1(38%) mg/km.对比THC和NMOG排放可以得出,在汽油中添加含氧成分尤其是MTBE后,某些车辆的含氧化合物(醛类和乙醇等)的排放增加,其中甲醛排放增加5%～7%,需要特别关注.由于试验车辆的NMOG排放几乎是NMHC排放的2倍,如果法规仅限制NMHC和CH4的排放因子之和,即THC,而忽略含氧化合物排放,则近半数的污染物未被考虑在内.比如V3的THC排放因子为30mg/km,而它的NMOG和CH4的排放因子之和超过了50mg/km.

3 结论

3.1 相比于不含氧汽油,含氧燃料E10和MTBE10降低了车队CH4和CO2排放因子,增加了N2O排放因子.

3.2 车队平均N2O排放的GWP为0.6g CO2e/km, CH4排放的GWP为0.07g CO2e/km,使用含氧燃料E10和MTBE10增加了车队非CO2温室气体排放的GWP.

3.3 含氧燃料对尾气排放的GWP的影响存在个体差异,但如果E10中的乙醇来自于生物质,则从整个碳生命周期考虑,使用E10相比于使用汽油时,排放的GWP一定减少,减少比例从5%～15%不等.

3.4 燃用汽油、E10和MTBE10时,车队平均BHC排放因子分别为20.1,21.6和23.0mg/km.乙醇和MTBE成分都倾向于增加车队的OFP.

3.5 汽油、E10和MTBE10对应的平均NMOG排放因子分别为30.7,29.4和30.3mg/km.使用含氧燃料E10和MTBE10的NMOG与汽油持平.部分车辆的NMOG和CH4的排放因子之和超过了50mg/km.

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Environmental impacts of gasoline and oxygenated fuels when used on light-duty vehicles.

ZHANG Meng-zhu1, HAO Chun-xiao2, GE Yun-shan1*, WANG Xin1

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China；2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)., 2022,42(4)：1545～1551

Based on the WLTC test results of seven China-6 compliant light-duty vehicles, the global warming potential (GWP), ozone formation potential (OFP), and non-methane organic gases (NMOG) with gasoline, E10, and MTBE10 were calculated and discussed. The GWP of crew-averaged N2O and CH4emissions were respectively 0.6 and 0.07g CO2e/km. The GWP of non-CO2greenhouse gases with E10 and MTBE10 fuelling was higher than those of gasoline. Bio-E10 is capable of removing 5%～15% of life-cycle GWP from gasoline vehicles. E10 and MTBE10 both tended to increase benzene hydrocarbon (BHC) emissions and therefore OFP. The NMOG from the test vehicles was roughly 30mg/km. The employment of oxygenated fuels, such as E10 and MTBE10, didn’t result in an obvious increase in NMOG.

GWP；OFP；gasoline；ethanol；MTBE

X51

A

1000-6923(2022)04-1545-07

张孟珠(1993-),女,内蒙古自治区包头市人,博士,主要从事机动车排放测试及乙醇汽油排放特性研究.发表论文10余篇.

2021-09-13

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51806015);移动源污染排放控制技术国家工程实验室开放基金资助项目(NELMS2018A17)

*责任作者, 教授, geyunshan@bit.edu.cn