在没有催化转化器的传统点燃式发动机车辆中，可可胶生物乙醇（E5）的排放性能：一项技术案例研究 Cristian Laverde-Albarracín、 Juan Felix González-González、 Sergio Nogales-Delgado、 Sebastián Naranjo-Silva、 Beatriz Ledesma-Cano、 Silvia Román-Suero 和 Samantha Puente-Bosquez

《Applied Sciences》：Emission Performance of Cocoa Mucilage Bioethanol (E5) in a Legacy Spark-Ignition Vehicle Without Catalytic Converter: A Technical Case Study Cristian Laverde-Albarracín, Juan Felix González-González, Sergio Nogales-Delgado, Sebastián Naranjo-Silva, Beatriz Ledesma-Cano, Silvia Román-Suero and Samantha Puente-Bosquez

　　摘要 本研究通过一个技术案例研究，评估了从可可胶质中提取的低浓度乙醇-汽油混合物（E5）的排放性能和法规合规性。该混合物被应用于没有催化转化器的点燃式车辆中，以此作为代表老旧车队使用情况的典型案例。研究采用了受控的车内实验设计，比较了三种燃料：普通汽油、高级汽油和E5混合物（95%普通汽油+5%生物乙醇）。在标准操作条件下（700转/分钟和2500转/分钟），根据厄瓜多尔标准NTE INEN 2204:2017，量化了了一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、二氧化碳（CO2）、氧气（O2）和过量空气系数（λ）的排放情况。结果表明，E5混合物提高了燃烧效率，减少了CO和HC的排放，同时增加了CO2的排放，表明碳氧化效果增强。此外，还观察到燃烧条件趋于稀薄（更高的λ和O2值），这与乙醇的氧化性质以及空气-燃料混合质量的改善有关。然而，法规评估显示只有部分合规性，因为所有燃料都符合CO的排放限制，但超过了HC、λ和O2的阈值。定量数据显示，与普通汽油相比，E5混合物使CO排放量减少了约10-15%，HC排放量减少了约15-25%，具体取决于操作条件。同时，CO2排放量略有增加，表明燃烧效率有所提升，而λ和O2的值反映了燃烧条件的改善。总体而言，研究结果突显了车辆机械状况对排放性能的显著影响。

1. 引言
交通运输领域仍然是全球温室气体排放的主要来源，约占全球总排放量的四分之一。其中，道路运输是主要排放源，占运输相关排放量的约四分之三。这种主导地位主要是由于对石油基燃料的持续依赖，以及城市化和经济增长导致的私人车辆数量的不断增加。这些因素增加了能源需求，并强化了对化石燃料的结构性依赖，给实施低碳转型战略带来了重大挑战[1]。与此同时，关于交通运输相关排放的科学研究也显著增加，反映出减少排放的紧迫性和改造现有车队的复杂性[2]。尽管在许多地区电气化进程正在推进，但全球仍有大量车辆，特别是在发展中国家，将在未来多年内继续依赖传统的点燃式发动机。这种情况凸显了在现有燃料基础设施内实施短期减排策略的重要性。由于乙醇含有氧气，能够改善燃烧并影响污染物形成[3,4]，因此乙醇-汽油混合物受到了广泛研究[3,4]。实验研究表明，使用乙醇混合物可以减少一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的排放，但减排的程度取决于发动机特性和操作条件[5]。然而，乙醇对排放的影响不仅限于减少不完全燃烧产物（如CO和HC）。由于其物理化学性质（包括较高的氧含量、较高的蒸发热以及火焰传播特性的差异），乙醇会改变燃烧过程。这些因素影响气缸内的温度、混合物的形成和燃烧动力学，从而影响污染物的形成路径。因此，乙醇-汽油混合物的排放行为强烈依赖于发动机运行条件、空气-燃料比和混合物组成，这需要在实际条件下进行实验评估[6]。老旧车队的存在为减排带来了额外挑战。车辆年龄和累计行驶里程已被证明会显著影响排放性能，因为发动机部件和排放控制系统的退化会导致污染物排放逐渐增加[7]。此外，车队内的排放分布极不均匀。基于道路测量的实证研究表明，一小部分车辆的排放量可能远高于车队平均水平；例如，大约5%的车辆产生的排放量可能是车队平均水平的数倍[8]。遥感研究也证实，在城市环境中，具有异常排放特性的车辆可能主导污染物排放，尤其是NO?的排放[9]。从全球范围来看，车辆排放清单表明，车辆的技术构成和年龄分布是交通运输排放的关键决定因素。汽油和柴油车辆仍占道路运输二氧化碳排放量的大部分，这凸显了在向低碳出行方式转型期间，在现有车队中实施减排策略的重要性[10]。尽管对乙醇-汽油混合物进行了广泛研究，但现有文献大多集中在使用先进排放控制系统的现代发动机上的受控实验室实验。这些研究表明，乙醇因其氧含量和辛烷值可以影响燃烧特性[11]。此外，实验还表明，乙醇混合物可以改变排放谱（包括CO、HC、CO2和NO?），这取决于混合物比例和发动机运行条件[12,13]。然而，这种受控条件可能无法完全反映老旧车辆在现实世界条件下的运行行为。因此，很少有研究专门探讨了在没有催化转化器的老旧车辆中使用低浓度乙醇混合物的性能，特别是在代表发展中国家车队的条件下[14]。与此同时，人们越来越关注将农业残余物作为生物燃料生产的可持续原料的利用。木质纤维素生物质和农业工业废弃物被认为是丰富的可再生资源，可以支持第二代生物乙醇的生产，而不会与食品供应链竞争[15,16]。生物化学转化技术的进步表明，这些材料可以通过水解和微生物发酵过程转化为可发酵糖类，进而生产生物乙醇[17]。在这种情况下，可可发酵过程中产生的副产物——可可胶质由于其高含量的可发酵糖而受到关注。实验研究表明，使用如酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）等微生物，这种原料可以有效用于生物乙醇的生产，凸显了其在可可生产地区的潜在价值[18]。从法规角度来看，厄瓜多尔的车辆排放评估遵循厄瓜多尔技术标准NTE INEN 2204:2017[19]，该标准规定了汽油动力车辆在检测和控制过程中允许的污染物排放限值。该法规建立了在不同发动机运行条件下测量尾气的标准化程序，包括怠速和加速状态。然而，发展中国家向电动出行的转型面临结构上的挑战，如高初始成本、充电基础设施有限和经济限制等，这些因素会显著减缓电动汽车的普及[20]。因此，本研究评估了在没有催化转化器的老旧点燃式车辆（2006款雪佛兰Optra）中使用从可可胶质中提取的生物乙醇（E5混合物）的排放性能，该车辆代表了发展中国家的老旧车队。分析重点关注了一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和二氧化碳（CO2）等关键污染物，在符合NTE INEN 2204:2017标准的标准操作条件下进行评估（怠速700转/分钟和加速2500转/分钟）。通过结合实验排放测量和法规合规性分析，本研究旨在通过一个受控的技术案例研究，评估老旧车辆的排放响应，从而为讨论在技术和经济限制仍然阻碍零排放出行方式快速普及的交通运输系统中的过渡减排策略提供依据[21]。

2. 材料与方法
2.1. 实验设计
本研究采用受控的车内重复测量实验设计，评估了从可可胶质中提取的汽油-生物乙醇混合物（E5）与厄瓜多尔市售传统燃料的排放性能。实验是在单台点燃式发动机上进行的，发动机在定义的稳定状态下运行。由于同一辆车在多种燃料条件下进行了测试，因此实验设计属于被试内重复测量设计，即在不同燃料处理下从同一实验单元获得排放数据。尽管实验结构与交叉设计有相似之处，但结果被解释为系统内的比较，而不是独立的实验重复。因此，分析重点在于识别在受控条件下的排放行为的一致趋势。

评估了三种燃料：
- 普通汽油
- 高级汽油
- E5混合物（95%普通汽油+5%可可胶质生物乙醇（Theobroma cacao L.，CCN51品种）

排放测量在代表车辆排放检测程序中典型条件的受控发动机运行状态下进行。每种燃料条件下的排放数据重复测量了三次，以评估在定义的操作条件下的测量一致性。由于所有测量都在同一辆车上进行，实验结果代表的是同一实验单元内的重复观测，而不是来自不同车辆的独立样本。因此，本研究应被视为一项受控的实验案例研究，旨在评估在标准操作条件下测试燃料的相对排放行为。

实验配置可以理解为车内交叉设计，即在同一辆车上依次评估不同的燃料条件。主要实验因素包括燃料类型（三个水平：普通汽油、高级汽油和E5混合物）和发动机运行状态（两个水平：怠速700转/分钟和加速2500转/分钟）。由于所有测量数据都来自同一实验单元，因此观测结果是在受控条件下的重复测量。

2.2. 生物乙醇来源与特性
本研究中使用的生物乙醇来自可可发酵过程中产生的副产物——可可胶质。需要澄清的是，生物乙醇的生产并非本次实验工作的一部分。相反，E5混合物是使用之前已经生产并表征过的生物乙醇制备的。根据先前的研究，生物乙醇是在温度、pH值和酵母浓度受控的条件下通过酒精发酵获得的，最大乙醇浓度达到25.41克/升[18]。本研究中使用的乙醇为蒸馏纯化的生物乙醇，纯度约为96%（体积百分比），水分含量低于4%，符合标准燃料级乙醇规格。因此，本研究仅关注评估其排放性能。

从物理化学角度来看，本研究中使用的可可胶质生物乙醇作为燃料添加剂时，其燃烧行为与传统乙醇基本相当，因为其纯度相似（约96%体积百分比）。因此，仅从其来源来看，预计不会有显著差异。使用可可胶质生物乙醇的相关性在于其可持续的生产途径，因为它来源于农业副产品，避免了与食物资源的竞争，并支持了废物增值策略。

2.3. 评估的燃料
本研究评估了三种燃料：市售普通汽油、高级汽油和E5乙醇-汽油混合物。
- 市售普通汽油和高级汽油是从厄瓜多尔的授权加油站获得的，符合国家质量标准。
- E5混合物由95%（体积百分比）普通汽油和5%（体积百分比）来自可可胶质的生物乙醇组成。这种配方基于先前的研究选择，符合厄瓜多尔标准NTE INEN 2102对汽油质量的要求[22]。

E5燃料混合物是在实验测试前立即通过体积混合普通汽油和来自可可胶质的生物乙醇制备的。混合物由95%的普通汽油和5%的生物乙醇组成。混合过程在清洁密封的玻璃容器中进行，温度为室温（22-25°C）。通过机械搅拌约三分钟以确保乙醇在汽油基质中的均匀分散。混合后，通过视觉检查确认没有相分离现象，然后将其注入车辆燃料箱。在相同的实验会话中使用制备好的混合物，以尽量减少由于乙醇吸湿性可能导致的成分变化。

2.4. 测试车辆
实验使用的是2006款雪佛兰Optra LT（通用汽车，美国密歇根州底特律制造；在厄瓜多尔组装），这是一款配备1.8升点燃式发动机和多点电子燃油喷射系统的乘用车。这辆车被选中的原因是它代表了在许多发展中国家中常见的老旧汽油车队的一个部分，这些老旧车辆没有先进的排放控制技术，仍然在日常驾驶条件下运行。测试车辆的主要技术规格总结在表1中。表1. 用于实验测试的2006年雪佛兰Optra LT的主要技术规格。在每次实验测试之前，发动机都会运行到其正常工作温度，以确保在实验过程中燃烧条件稳定且排放测量可靠。在实验开始前，对车辆进行了检查以验证其正常运行状态。基本维护部件，包括火花塞、空气滤清器和燃油喷射系统，都经过了检查，以确保发动机性能正常。在实验测试时，该车辆的累计里程约为245,000公里，这与类似年龄的私人车辆的典型使用情况相符。通过检查排气系统确认了没有催化转化器。选择一辆高里程且没有催化转化器的车辆与发展中国家大部分车队的特征相符。因此，本研究获得的结果代表了老旧车辆群体的实际排放情况，在这些车辆中，排放控制系统往往缺失或已经退化。尽管实验评估是在一辆车上进行的，但选择一辆高里程且没有催化转化器的火花点火车辆反映了发展中国家老旧车队的普遍情况。在这些情况下，相当比例的车辆在机械和排放控制方面都处于退化状态，导致排放特性高度异质。因此，本研究的目的不是为了对整个车辆群体进行统计概括，而是为了在具有代表性的退化运行条件下了解排放行为。车辆内部的设计能够隔离燃料类型对燃烧和排放形成的影响，同时控制车辆特定的变异性。从这个意义上说，研究结果应被视为适用于类似类别的老旧车辆的普遍趋势，尤其是那些缺乏有效后处理系统的车辆，而不是对所有发动机技术都具有普遍适用性的结果。在整个实验测试过程中，车辆都保持了原厂电子控制配置，没有进行ECU重新映射或手动调整燃油控制参数。尽管车辆配备了多点电子燃油喷射系统，但本研究没有对lambda传感器进行专门的诊断验证或校准。因此，报告的λ和O2值来自外部废气分析仪（TEXA Gasbox）的测量结果，而不是ECU提供的信号。

2.5 排放测量系统
废气排放使用由TEXA S.p.A.（意大利特雷维索的Monastier）制造的Gasbox汽车废气分析仪进行测量。该设备专用于火花点火发动机的废气诊断，可以量化燃烧过程中产生的主要气体污染物。分析仪使用非分散红外（NDIR）技术和电化学传感器来确定废气成分。表2总结了本研究中使用的TEXA Gasbox废气分析仪的主要技术规格。在实验测试期间，Gasbox分析仪的采样探头直接插入车辆排气管中，以获得代表性的废气测量数据。分析仪测定了一氧化碳（CO）、未燃烃（HC）、二氧化碳（CO2）和空气-燃料当量比（λ）的浓度。CO和CO2的浓度以体积百分比表示，烃类（HC）以百万分之一（ppm，六烷当量）表示，O2以体积百分比表示。在每次实验之前，根据制造商的操作指南，排放分析仪都经过了自动归零校准程序。每次测量前，使用诊断软件界面验证了仪器的校准状态。根据制造商规格，分析仪的典型测量不确定性在分析气体的测量值的±2%范围内。这些程序确保了实验测试期间获得的排放测量的可靠性和一致性。此外，根据制造商规格，分析仪的测量范围为CO 0–10%体积，CO2 0–20%体积，烃类（HC）0–20,000 ppm，确保了在测试运行条件下能够充分检测到废气成分的变化。

2.6 实验条件
排放测量是在发动机稳态运行条件下进行的。评估了两种发动机运行状态，以代表车辆检查过程中的典型运行条件。这些运行条件是根据厄瓜多尔技术标准NTE INEN 2204:2017选定的，该标准规定了汽油动力车辆在检查过程中的怠速和高速怠速（加速）条件下的排放测试。在这种情况下，选择了700 rpm（怠速）和2500 rpm（加速状态）作为代表性的发动机转速，以确保方法论上与监管协议一致，并允许实验结果与排放合规阈值进行比较[19]。
- 怠速条件：700 rpm
- 中等加速条件：2500 rpm
发动机稳定定义为在连续60秒的监测期间，所监测的排放参数变化小于±3%的条件。只有在满足这一稳定标准后，才会记录排放数据以供分析。

如图1所示，废气排放是使用通过采样探头连接到车辆排气管的TEXA Gasbox汽车分析仪测量的。分析仪与ETS/IDC5诊断软件接口，实现了排放参数的实时获取和可视化。在每次测试中，首先将车辆发动机稳定在选定的运行状态，然后记录排放值。图1. 车辆排气排放测量的实验设置示意图。对于每种运行条件，使用连接到排放分析仪的诊断软件连续30秒记录排放数据。本研究中报告的排放值对应于采样间隔内测量值的平均值。每种燃料和发动机运行条件都进行了三次重复实验，以评估排放测量的一致性。每次重复代表一次独立的稳态测量。对于每种燃料和运行条件，首先根据定义的标准（60秒内的变化±3%）稳定发动机，然后连续30秒记录排放数据。报告的值是三次独立测量的平均值。

2.7 规范评估
实验测试期间获得的排放结果与厄瓜多尔技术标准NTE INEN 2204:2017为汽油动力车辆在怠速和高速怠速（加速）条件下规定的最大允许限制进行了比较[19]。该法规为关键污染物（特别是一氧化碳（CO）和烃类（HC）定义了阈值，作为检查过程中车辆排放合规性的参考标准。比较结果可以评估所测试燃料是否符合标准化运行条件下的法规要求。

2.8 统计分析
排放数据以每种燃料类型和发动机运行条件的平均值±标准差表示。由于所有实验都在同一辆车上进行，因此数据集对应于在受控条件下从同一实验单元获得的重复技术测量结果。因此，分析的目的不是建立群体层面的统计推断，而是基于描述性统计识别燃料之间的连续趋势和相对差异。采用了以下描述性方法：
- 计算平均值和标准差，以表征每种燃料和运行条件的中心趋势和测量变异性。
- 使用百分比变化分析来量化燃料之间的相对差异，特别是将E5混合物与Extra汽油作为基准进行比较。
- 评估不同运行状态（700 rpm和2500 rpm）下的趋势一致性，以评估燃料相关排放模式的稳定性。
鉴于实验设计是在单车上进行的，重点放在了燃烧行为和排放形成的物理解释上，并通过文献中的现有发现进行了支持。测量中的变异性以标准差表示，反映了在稳定运行条件下重复技术读数的分散情况。所有数据处理和描述性计算都是使用R软件（奥地利维也纳的R Foundation for Statistical Computing，版本4.5.3）进行的。排放评估的整体实验工作流程总结在图2中。如图2所示，方法论流程包括燃料选择、在受控条件下进行排放测量、使用Gasbox分析仪获取废气数据、统计评估结果以及与厄瓜多尔技术标准NTE INEN 2204:2017规定的排放限值进行比较[19]。

所有实验都是在受控的环境条件下进行的，温度范围在22至26°C之间，相对湿度在60%至70%之间。在整个实验过程中监测了环境参数，以确保所有燃料测试下的运行条件一致且可比较。

3. 结果与讨论
3.1 一氧化碳（CO）排放
图3显示了三种评估燃料在怠速（700 rpm）和加速（2500 rpm）条件下一氧化碳（CO）的平均排放量，以及由标准差表示的变异性。由于CO是不完全燃烧的直接指标，其行为反映了碳氧化的效率以及燃烧过程中的空气-燃料混合质量。

3.2 烃烃（HC）排放
由于所有实验都在同一辆车上进行，数据集对应于在受控条件下从同一实验单元获得的重复技术测量结果。因此，分析的目的不是建立群体层面的统计推断，而是基于描述性统计识别燃料之间的连续趋势和相对差异。在700转/分钟的情况下，各种燃料的二氧化碳（CO）排放量相当接近，其中超级汽油的平均值最低（0.267 ± 0.058%体积百分比），其次是额外汽油（0.308 ± 0.009%体积百分比）和E5混合燃料（0.316 ± 0.014%体积百分比）。变异性范围的重叠表明，在怠速条件下，这些燃料之间的差异有限。这一现象与Ansari等人[23]的研究结果一致，他们指出在低 engine speed 下，燃烧受到较低缸内温度和减少的湍流强度的限制，从而降低了含氧化合物燃料的效果。在这种条件下，可用的热能不足以维持完全的氧化反应，因此乙醇的添加带来的明显益处也相应减少。

相比之下，在2500转/分钟时，燃料之间的差异变得明显。额外汽油的CO排放量最高（0.471 ± 0.240%体积百分比），而E5混合燃料将其降低到0.296 ± 0.007%体积百分比，超级汽油的排放量最低（0.229 ± 0.029%体积百分比）。E5相对于额外汽油减少了约37.2%，这凸显了乙醇作为含氧化合物添加剂的作用，它增强了局部氧气的可用性，并促进了中间碳物种的更完全氧化，这也与Ansari等人的研究结果一致[23]。此外，观察到的行为不仅受到燃料组成的影响，还受到燃烧动态的影响。Rimkus等人[24]强调，燃烧效率的提高——例如更快的火焰传播和优化的点火时机——在降低CO排放方面起着关键作用，尤其是在高 engine speed 下。这一解释与当前的研究结果一致，即E5混合燃料和超级汽油在2500转/分钟时的CO排放量都较低，这表明燃烧效率因湍流和空气-燃料混合的改善而得到提升。

图3中的趋势还显示了每种燃料对发动机转速增加的不同响应。额外汽油在从700转/分钟增加到2500转/分钟时CO排放量有所增加，这可能与在高燃料需求条件下形成的局部富燃料区域和混合时间不足有关。相比之下，超级汽油和E5混合燃料的CO排放量都随着发动机转速的增加而减少，表明氧化效率得到了改善。Mohsen等人[25]也有类似的观察结果，他们将不完全燃烧产物的减少归因于燃烧均匀性的提高和在苛刻操作条件下的更有效能量传递过程。

另一个相关方面是排放的稳定性。额外汽油在2500转/分钟时较大的标准差表明其变异性较大，可能与循环间的波动和混合物的异质性有关。相比之下，E5混合燃料的变异最小，表明其燃烧过程更加稳定和可重复。Ansari等人[23]和Mohsen等人[25]的先前研究表明，含氧化合物燃料通过提高火焰速度和减少循环变异性来改善燃烧稳定性。此外，Rimkus等人[24]也强调，优化的燃烧条件进一步提高了稳定性并减少了排放波动。

由于分析基于来自单个实验单元的重复技术测量结果，因此结果是根据一致的趋势和相对差异进行解释的，而不是基于总体统计推断。在这种背景下，观察到的模式得到了已建立的燃烧原理的支持，并且与文献中的研究结果一致。总体而言，结果表明，即使在较低的混合比例（如E5）下，乙醇的加入也有助于降低CO排放并提高燃烧稳定性，特别是在高发动机速度条件下。这些发现与先前的研究一致，表明含氧化合物燃料是一种有效的策略，可以在不进行重大发动机改造的情况下提高火花点火发动机的燃烧效率并减少排放[23,24,25]。

图4展示了在两种发动机运行条件（700转/分钟（怠速）和2500转/分钟（加速）下，三种测试燃料（额外汽油、超级汽油和E5混合燃料）的平均未燃烃（HC）排放量，包括由标准差表示的实验变异性。总体而言，结果表明HC的形成受到燃料组成和发动机运行状态的强烈影响，这与先前将HC排放与不完全燃烧、火焰熄灭和局部富燃料区域联系起来的研究结果一致，Zaharin等人[26]和Kumbhar等人[27]也有类似讨论。在700转/分钟时，超级汽油的HC排放量最低（220 ± 20 ppm），其次是E5混合燃料（250 ± 10 ppm）和额外汽油（330 ± 15 ppm）。变异性范围的重叠表明在怠速条件下这些燃料之间的差异适中。尽管如此，观察到的趋势表明E5混合燃料比额外汽油减少了部分HC排放。这一现象与Zaharin等人[26]的研究结果一致，他们发现含乙醇的燃料混合物比纯汽油产生更低的HC排放量，因为乙醇中的氧气含量增强了中间物种的氧化并提高了燃烧效率。Deng等人[28]也报告了使用乙醇-汽油混合物时HC排放量的减少，将其归因于氧气可用性的提高和燃烧完整性的增强。然而，Dogan等人[29]指出，乙醇较高的蒸发热可能降低低负荷条件下的缸内温度，从而部分限制了怠速运行时的HC氧化。这解释了为什么尽管存在含氧化合物，但在700转/分钟时燃料之间的差异仍然适中。

在2500转/分钟时，燃料之间的差异更加明显。额外汽油的HC排放量最高（294 ± 40 ppm），而E5混合燃料将其降低到228 ± 8 ppm，超级汽油的排放量最低（200 ± 15 ppm）。相对而言，E5混合燃料比额外汽油减少了约22.4%的HC排放量，而超级汽油减少了约31.9%。这一趋势与先前的研究一致，Deng等人[28]和Kumbhar等人[27]报告说，在高发动机速度下，燃烧效率的提高增强了燃料蒸发、湍流和空气-燃料混合，从而减少了局部富燃料区域并促进了烃类的更完全氧化。结果还显示了燃料之间排放稳定性的差异。额外汽油在2500转/分钟时的变异性最高，表明其燃烧行为不太稳定，可能与混合物的异质性和循环间波动有关。相比之下，E5混合燃料的变异性最小，表明其燃烧过程更加稳定和可重复。Zaharin等人[26]报告说，含氧化合物燃料通过提高火焰传播速度和减少循环变异性来改善燃烧均匀性，这与当前观察结果一致。

由于分析基于来自单个实验单元的重复技术测量结果，因此结果是根据一致的趋势和物理意义上的差异进行解释的，而不是基于总体统计推断。在这种背景下，观察到的排放模式得到了已建立的燃烧原理的支持，并且与文献中的研究结果一致。总体而言，结果表明E5混合燃料在较高发动机速度条件下提供了比额外汽油更有利的排放特性。这些发现与先前的研究一致，表明低比例的乙醇混合物可以提高火花点火发动机的燃烧效率并减少HC排放[26,27,28,29]。然而，超级汽油的优越性能表明，基础燃料的质量和物理化学性质也在HC形成中起着关键作用。因此，如E5这样的低比例乙醇混合物是在没有催化转化器的老化车辆中缓解HC排放的一个可行策略，尽管其效果仍然取决于操作条件和燃料特性。

图5展示了在两种发动机运行条件（700转/分钟和2500转/分钟）下，三种测试燃料（额外汽油、超级汽油和E5混合燃料）的平均二氧化碳（CO2）排放量，包括由标准差表示的实验变异性。总体而言，CO2的形成与燃烧完整性直接相关，因为它是燃烧过程中碳的最终氧化产物。在700转/分钟时，各种燃料的CO2排放量相当接近，其中E5混合燃料的平均值最高（12.25 ± 0.15%体积百分比），其次是额外汽油（12.10 ± 0.20%体积百分比）和超级汽油（11.80 ± 0.25%体积百分比）。变异性范围的重叠表明在怠速条件下这些燃料之间的差异有限。然而，观察到的趋势表明E5混合燃料的燃烧效率有所提高。这一现象与先前的研究一致，这些研究表明含氧化合物燃料增强了碳的氧化，促进了更高的CO2生成，同时减少了中间物种（如CO和HC），Barua等人[30]、Oliveira等人[31]和Deshmukh与Pathan[32]也有类似讨论。从物理化学的角度来看，乙醇-汽油混合物中CO2排放量的增加可以归因于乙醇本身的含氧量，这增强了氧化动力学并支持了更完全的燃烧。Barua等人[30]报告说，使用乙醇混合物可以提高热效率和燃烧质量，而Oliveira等人[31]则证实了乙醇混合物增强了不完全燃烧产物（如CO和HC）的氧化。类似地，Deshmukh和Pathan确认，增加乙醇含量可以提高燃烧效率和发动机性能，直接影响排放特性。

在2500转/分钟时，燃料之间的差异更加明显。E5混合燃料的CO2排放量最高（12.35 ± 0.10%体积百分比），其次是额外汽油（12.18 ± 0.15%体积百分比），而超级汽油的排放量最低（11.95 ± 0.20%体积百分比）。随着发动机速度的增加，所有燃料的CO2排放量都有所增加，这反映了由于空气-燃料混合的改善、缸内温度的升高以及更有利的反应动力学而带来的燃烧效率的提高。Frutuoso等人[33]在真实世界的研究中也报告了类似的趋势，他们指出CO2排放量随发动机负荷和驾驶动态的增加而增加。特别是Frutuoso等人[33]发现，在混合动力车辆中，CO2是主要的排放产物，并受到发动机功率需求和运行条件的强烈影响。这支持了本研究中观察到的CO2增加主要与燃烧完整性提高相关的解释，而不是燃料消耗的增加。

从相对角度来看，E5混合燃料在2500转/分钟时CO2排放量相比额外汽油增加了约1.4%，表明碳的氧化更加完全。这一结果与本研究中同时观察到的CO和HC排放量的减少一致，进一步证实了减少不完全燃烧产物与增加的CO2生成之间的紧密关系[31,32]。此外，特别是在2500转/分钟时E5混合燃料的低变异性表明其燃烧过程更加稳定。Oliveira等人[31]报告说，含乙醇的燃料改善了火焰传播特性和燃烧稳定性，而Deshmukh和Pathan[32]观察到使用乙醇混合物时热效率和机械效率的提高，从而促进了更加一致的燃烧行为。

由于分析基于来自单个实验单元的重复技术测量结果，因此结果是根据一致的趋势和物理意义上的差异进行解释的，而不是基于总体统计推断。在这种背景下，观察到的排放模式得到了燃烧原理的支持，并且与文献中的研究结果一致。总体而言，结果表明E5混合燃料相比额外汽油提供了更有利的排放特性，特别是在较高发动机速度条件下。这些发现与先前的研究一致，表明低比例的乙醇混合物可以提高火花点火发动机的燃烧效率并减少HC排放[26,27,28,29]。然而，超级汽油的优越性能表明，基础燃料的质量和物理化学性质也在HC形成中起着关键作用。因此，如E5这样的低比例乙醇混合物是在没有催化转化器的老化车辆中缓解HC排放的一个可行策略，尽管其效果仍取决于操作条件和燃料特性。

图6a和图6b分别展示了在两种发动机运行条件（700转/分钟和2500转/分钟）下，三种评估燃料（额外汽油、超级汽油和E5混合燃料）的燃烧行为，包括过量空气比（λ）和残余氧浓度（O2）。这些参数直接揭示了燃烧过程中的空气-燃料混合物特性和氧化过程。如图6a所示，在700转/分钟时，所有燃料的λ值都高于1，表明燃烧条件较为稀薄，而不是严格按照化学计量比进行。观察到的趋势如下：额外汽油（1.13 ± 0.01）< E5混合燃料（1.14 ± 0.01）< 超级汽油（1.20 ± 0.01）。这种行为表明所有燃料都在过量空气条件下运行，其中超级汽油的偏离化学计量比最大。E5混合燃料相对于额外汽油略微较高的λ值与其含氧化合物的性质一致，因为乙醇促进了更稀薄的燃烧混合物。在火花点火发动机中也观察到了类似的效果，其中添加乙醇改变了有效的空气-燃料比例并改善了燃烧特性[4,34]。在2500转/分钟的速度下，如图6a所示，所有燃料的λ值都有所增加，同时保持类似的趋势：Extra（1.15 ± 0.02）≤ E5（1.16 ± 0.01）< Super（1.19 ± 0.01）。这表明在更高的发动机转速下，燃烧条件进一步偏向于稀薄燃烧，通常与更好的雾化、增加的湍流和更高效的空气-燃料混合有关。在这些条件下，像E5这样的含氧燃料由于火焰传播和混合物均匀性的提高而有助于增强燃烧稳定性，正如先前的研究中所报告的[35,36]。关于氧浓度，图6b显示了互补的行为。在700转/分钟时，O2值遵循以下趋势：Extra（2.70 ± 0.15%体积%）< E5（2.81 ± 0.10%体积%）< Super（3.73 ± 0.30%体积%），表明在所有情况下都存在过量的氧气，这与稀薄燃烧条件一致。在2500转/分钟时，所有燃料的O2浓度都有所下降：Extra（3.13 ± 0.15%体积%），E5（3.04 ± 0.08%体积%），Super（3.48 ± 0.10%体积%）。这种减少表明在更高的发动机转速下氧气消耗增加，这与更高效的燃烧过程有关。从比较的角度来看，λ（图6a）和O2（图6b）中观察到的一致趋势Extra < E5 < Super证实了燃料组成对燃烧动态的强烈影响。E5混合物始终表现出中间值，反映了由于燃料中含有的氧气而增强的氧化作用和受控的空气-燃料混合行为之间的平衡。保持λ接近最佳值对于燃烧效率至关重要；然而，观察到的偏差（λ > 1.1）表明发动机在持续稀薄的条件下运行，这显著影响了排放物的形成和法规遵从性[36,37]。此外，特别是在2500转/分钟时，E5混合物相对较低的变异性表明燃烧稳定性有所提高。这种行为与含氧燃料相关，因为它们增强了混合物的均匀性并减少了循环间的变异性，正如文献中所报告的[34,36]。鉴于分析基于来自单一实验单元的重复技术测量数据，结果应从一致的趋势和物理意义上的差异来解释，而不是基于总体的统计推断。在这个背景下，观察到的模式得到了燃烧理论的支持，并与文献中的发现相符。总体而言，结果表明E5混合物促进了稀薄燃烧条件，改善了混合物均匀性，并且与传统燃料相比，有助于增强燃烧稳定性。然而，较高的λ和O2值证实燃烧发生在过量空气条件下，这对没有催化转化器的老旧车辆的排放行为和法规遵从性有直接影响。3.5. 法规背景和排放性能比较从法规角度来看，表3提供了Extra汽油、Super汽油和E5混合物相对于厄瓜多尔标准INEN 2204所设定的排放性能的全面评估。分析显示，根据排放参数的不同，各种燃料的表现有所不同，从而可以识别出合规水平和系统限制。表3. 燃料之间的排放性能比较及与INEN 2204的合规性[19]。首先，表3显示所有燃料在700转/分钟和2500转/分钟时都符合CO排放限制（≤1.0%体积%）。在这一总体合规性范围内，Super汽油始终表现出最低的值（0.23–0.27%体积%），其次是E5和Extra汽油。这表明了更有效的碳氧化，这与强调燃料组成对CO形成影响的研究结果一致[35]。然而，表3显示所有燃料的HC排放都存在系统性不合规，其值超过了法规范围（100–200 ppm）。尽管如此，E5混合物显示出最低的HC值（242.75–239.30 ppm），表明相对于Extra和Super汽油，燃烧有所改善。这与乙醇的含氧性质一致，因为它增强了中间物种的氧化并减少了未燃烧的碳氢化合物[4,35]。关于CO2，表3表明E5混合物显示出最高的值（12.30–12.59%体积%），落在或接近最佳燃烧范围（12–15%体积%）内。这表明碳氧化得到了改善，并与观察到的HC排放减少一致。这种行为在含氧燃料中是广泛报告的[34,35]。从法规的角度来看，表3中最关键的发现之一是λ值的完全不合规，所有燃料的λ值在1.13到1.20之间，远高于允许的范围（0.97–1.03）。这表明燃烧条件偏稀薄，这强烈影响了排放物的形成。偏离化学计量条件显著影响燃烧稳定性和污染物的形成[36,37]。同样，表3显示所有燃料的O2浓度超过了法规限制（<2%体积%），证实了燃烧过程中存在过量氧气和消耗不完全。这进一步支持了燃烧稀薄和发动机或后处理系统可能存在效率低下的结论。这些结果表明，法规不合规不仅仅由燃料类型决定，还受到车辆状况的强烈影响。先前的研究表明，尾气排放是燃烧过程和催化转化器性能共同作用的结果[38]。在老旧车辆中，后处理系统的退化可能会占据排放结果的主导地位，限制了改进燃料的好处。尽管存在这些限制，E5混合物在燃烧效率上仍表现出一致的改进，如表3中所示的HC值降低和CO2值升高所反映的。这证实了乙醇作为一种含氧燃料的作用，即使在次优条件下也能增强燃烧[4,34]。然而，燃烧的改善并不一定能转化为在没有适当发动机和催化剂控制下的法规遵从性[39]。从政策角度来看，研究结果表明，像E5这样的低浓度乙醇混合物可以改善排放概况，但作为单独的解决方案不足以确保符合INEN 2204等标准。虽然E5有助于提高燃烧效率并部分减少排放，但它并不能完全满足所有参数的法规限制。因此，有效的排放减少需要综合策略，包括加强车辆检查和维护计划、法规执行、车队更新以及采用先进的排放控制技术[40,41]。总体而言，表3的结果表明Super汽油在CO排放方面表现最好，E5在燃烧效率（HC和CO2）上显示出最大的改进，而Extra汽油的表现最差。尽管如此，HC、λ和O2的普遍不合规性表明排放问题是系统性的，不仅仅取决于燃料。与法规限制的比较并不是为了证明合规性，而是为了提供一个参考框架，以评估每种燃料在受控条件下的相对排放性能。应当注意，不同燃料之间的热值差异可能会影响燃烧行为和空气-燃料比例，特别是在Super汽油的情况下，这可能导致在相似操作条件下观察到的λ值发生变化。用于法规比较的额外详细排放值在补充材料（表S1–S5）中提供。3.6. 对老旧车辆车队的影响这项技术案例研究的发现提供了关于老旧车辆排放行为的指示性见解，这些车辆在发展中国家很常见，其排放控制系统通常已经退化。在这种特定车辆中观察到的HC、λ和O2排放偏差表明，机械状况，特别是催化转化器的缺失或退化，在排放行为中起着主导作用，可能超过了燃料组成的直接影响。尽管存在这些限制，E5混合物与Extra汽油相比，表现出一致的未燃烧碳氢化合物（HC）排放减少，在某些情况下甚至接近Super汽油的值。这种行为与研究表明乙醇-汽油混合物改善了燃烧过程并减少了未完全燃烧排放的结果一致[42,43]。类似地，E5混合物中观察到的CO2排放增加可以解释为更完全的碳氧化的结果。这种行为在文献中广泛报道，其中含氧燃料倾向于增加CO2的形成，作为完全燃烧的最终产物[44]。这一结果与实验观察到的CO和HC排放同时减少的现象一致。此外，λ和O2值持续升高证实，在这项案例研究中，燃烧系统的响应受到发动机状况和后处理性能的强烈影响。在这种情况下，空气-燃料比例被认为是排放形成的关键参数，对燃料特性和发动机运行条件都非常敏感[45]。总体而言，结果表明，像E5这样的乙醇-汽油混合物可能代表了一种可行的替代方案，可以部分改善老旧车辆的环境性能。然而，它们的有效性仍然依赖于车辆的机械状况，突显了需要维护和车队更新等补充策略。3.7. 研究限制在解释所得结果时，应考虑几个限制因素。首先，实验是在具有特定机械条件的单个车辆上进行的，特别是后处理系统已经退化。虽然这种情况代表了老旧车辆车队的情况，但它限制了将结果推广到在最佳条件下运行的车辆，因为在最佳条件下，由于催化剂效率的原因，排放行为可能会有显著差异[46]。其次，实验测试是在受控的稳态发动机运行条件下进行的（700转/分钟和2500转/分钟），这并不能完全捕捉到实际驾驶条件下的排放变异性。特别是冷启动操作和瞬态驾驶循环由于发动机负荷、温度和空气-燃料混合动态的变化，会产生显著更高的排放。因此，这项研究的结果应被视为受控的机械趋势，而不是现实世界排放水平的直接表示。未来的研究应纳入瞬态运行条件和冷启动场景，以提供更全面的排放性能评估[47]。此外，研究仅关注了单一的乙醇混合比例（E5），限制了不同乙醇浓度对排放影响的分析。先前的研究表明，排放行为随着乙醇含量的变化而显著变化，影响CO、HC和NOx排放[48]。由于仪器限制（所使用的TEXA Gasbox排放分析仪不具备NOx检测能力），本研究中没有测量氮氧化物（NOx）排放。考虑到NOx的形成受到燃烧温度和空气-燃料比例的强烈影响，未包括NOx的测量代表了排放性能全面评估的一个限制。未来的研究应包括NOx测量，以便在相似的运行条件下更全面地评估乙醇-汽油混合物。另一个不确定性来源是缺乏对发动机控制单元（ECU）策略和λ传感器行为的专门评估。虽然车辆在其原始电子燃油喷射配置下运行，但闭环燃油控制对观察到的排放模式的影响程度并未独立评估。在未来研究中纳入ECU诊断和传感器性能验证将有助于更清晰地区分燃料驱动效应和发动机控制响应。另一个需要考虑的方面是，排放结果没有根据测试燃料的能量含量进行调整。热值的变化可能会影响燃烧特性、燃料消耗和空气-燃料混合动态，特别是在不同的负载条件下。未来的调查应包括基于能量的标准化和受控测功机测试，以更好地隔离燃料组成的内在影响。最后，尽管冷启动操作在火花点火发动机中的排放形成中被认为是关键的，但本研究没有考虑这些瞬态条件[43]。4. 结论这项作为车内受控技术案例研究的研究提供了关于低浓度乙醇-汽油混合物（E5）对无后处理装置的火花点火发动机排放行为影响的机制性证据，这种发动机代表了发展中国家老旧车辆车队。研究结果仅限于所评估的车辆，应解释为指示性趋势，而不是对整个车辆车队的普遍结论。结果表明，添加生物乙醇系统地提高了燃烧效率，表现为CO和HC排放的一致减少以及CO2的同时增加，这证实了与乙醇含氧性质相关的氧化过程的增强。从定量角度来看，与传统汽油相比，E5混合物使CO排放减少了大约10–15%，HC排放减少了大约15–25%，具体取决于运行条件。同时，CO2排放略有增加，表明燃烧效率得到提高，而λ和O2值则证实了燃烧向稀薄燃烧方向的转变。然而，这些改进还不足以达到完全的法规合规性，这表明E5应该被视为一种过渡性的缓解策略，而不是老旧车辆车队排放控制的独立解决方案。从比较的角度来看，Super汽油能最大程度减少CO的生成，而E5混合燃料在减少未燃尽的碳氢化合物方面表现更为出色，并促进更均匀、更稳定的燃烧过程。然而，根据厄瓜多尔标准NTE INEN 2204:2017进行的法规评估显示，燃烧质量的改善与法规合规性之间存在结构性差异，因为观察到HC、λ和O2方面普遍存在不合规的情况。这表明，在没有后处理系统的情况下，持续的稀燃条件（λ > 1）和过多的残余氧气限制了燃料改进的效果。

本研究的主要贡献在于表明，老旧车辆的排放情况受到发动机和燃烧系统整体限制的支配，其中机械状况和缺乏排放控制措施的影响超过了燃料的物理化学优势。因此，虽然E5混合燃料是一种可行的增量缓解策略，但其有效性在没有配套干预措施的情况下会受到限制。总体而言，这些发现表明可可胶质生物乙醇是一种有前景的可持续燃料选择，同时强调了需要结合燃料质量、车队更新、车辆维护和法规执行等多种策略，才能在实际交通系统中实现有意义的减排。

补充材料
以下支持信息可下载自：https://www.mdpi.com/article/10.3390/app16083885/s1
- 表S1：平均排放测量数据（Excel数据表）
- 表S2：EXTRA燃料的原始排放数据（Excel数据表）
- 表S3：SUPER燃料的原始排放数据（Excel数据表）
- 表S4：E5生物乙醇混合燃料的原始排放数据（Excel数据表）
- 表S5：按燃料类型划分的总体平均排放数据（Excel数据表）