《International Journal of Engine Research》：Engine-out aldehyde emissions from toluene primary reference fuels blended with ethanol
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摘要
乙醇是一种常用的可持续燃料组分，掺混入汽油中以降低其碳强度。醛类是一种大多未受监管的排放物，与汽油中乙醇（及其他醇类）含量密切相关。在模拟汽油（由数百种单独碳氢化合物组成）并进行实验室研究时，常使用替代燃料来模拟其行为。两组分（异辛烷和正庚烷，即初级参
摘要
乙醇是一种常用的可持续燃料组分，掺混入汽油中以降低其碳强度。醛类是一种大多未受监管的排放物，与汽油中乙醇（及其他醇类）含量密切相关。在模拟汽油（由数百种单独碳氢化合物组成）并进行实验室研究时，常使用替代燃料来模拟其行为。两组分（异辛烷和正庚烷，即初级参比燃料（PRF））和三组分（甲苯、异辛烷和正庚烷，即甲苯初级参比燃料（TPRF））替代燃料常被用于此目的，通常使市场汽油的辛烷值（研究法辛烷值RON和马达法辛烷值MON）与之匹配。本研究使用单缸汽油直喷发动机，在不同转速和负荷条件下，测量了乙醇掺入PRF和TPRF及其各组分后，对发动机出口甲醛和乙醛排放的影响。结果表明，对于乙醇与正庚烷的二元混合物，较高水平的乙醇可降低两种醛的发动机出口排放，这与乙醇与其他PRF组分的二元混合物形成对比。对于异辛烷、正庚烷和甲苯的三元混合物，甲醛排放量比乙醛高四倍，且增加甲苯含量使平均醛类排放降低了33%。对于PRF和PRF-E燃料，不同乙醇水平下甲醛含量相近，而在最高乙醇水平下乙醛含量更高，这表明正庚烷在抑制乙醛方面发挥作用。在TPRF和TPRF-E燃料中，甲苯含量较高的混合燃料的发动机出口醛类排放较低，显示甲苯对醛类的抑制作用，但值得注意的是其对甲醛的抑制比对乙醛更显著。在最高乙醇水平（85%v/v）下，将甲苯含量从PRF增加到TPRF使平均醛类排放降低了三分之一，突显了甲苯的抑制作用。
论文解读：乙醇调合甲苯初级参比燃料的发动机出口醛类排放特性研究
**一、研究背景与问题**
乙醇作为一种可持续燃料组分，被广泛掺混入汽油中以降低其碳强度。随着全球范围内汽油中乙醇含量的不断增加（如英国E5向E10的过渡、印度E20燃料标准的实施），乙醇燃烧产生的非常规排放物——醛类物质日益受到关注。醛类排放与汽油中乙醇（及其他醇类）含量密切相关，主要包括甲醛、乙醛等。这些物质不仅可作为氧化的挥发性有机化合物（VOCs）参与大气光化学反应，促进臭氧和二次污染物形成，其本身还因强红外吸收而具有温室效应。流行病学研究表明，甲醛被国际癌症研究机构（IARC）列为第1类致癌物，乙醛为第2A类可能致癌物，长期暴露与呼吸系统损伤等健康风险相关。
在燃料基础研究领域，为模拟复杂汽油燃料的行为，常用两组分初级参比燃料（PRF，由异辛烷和正庚烷组成）和三组分甲苯初级参比燃料（TPRF，由甲苯、异辛烷和正庚烷组成）作为替代燃料，以匹配市场汽油的辛烷值（研究法辛烷值RON和马达法辛烷值MON）。现有文献大多针对纯乙醇或真实汽油组分研究醛类排放，而关于乙醇与单个汽油组分（尤其替代燃料组分）之间相互作用对醛类排放影响的研究较少。鉴于替代燃料的广泛使用、醛类排放对人体健康的重要影响及其与乙醇水平的密切关联，本研究系统测量了乙醇掺入PRF和TPRF及其组分后对发动机出口甲醛和乙醛排放的影响。该论文发表于《International Journal of Engine Research》。
**二、研究内容与结论**
研究人员在单缸汽油直喷（GDI）火花点火（SI）发动机上，于不同转速（1100和1500 rpm）和负荷（1.95±0.15和3±0.10 bar净指示平均有效压力nIMEP）条件下，对10种不同燃料进行了测试。燃料包括：纯乙醇（E100）；乙醇与正庚烷的二元混合物（HE65、HE85）；异辛烷、正庚烷和甲苯的三元混合物（OHT_LowT、OHT_HighT）；PRF及其与乙醇的混合物（HO95、OHE20、OHE85）；TPRF及其与乙醇的混合物（THOE20、THOE85）。燃料空气当量比（?）在0.90至1.20之间扫描。使用AVL SESAM FTIR i-60傅里叶变换红外光谱（FTIR）气体分析仪测量发动机出口甲醛、乙醛和非甲烷碳氢化合物（NMHC）排放。
研究发现，对于乙醇与正庚烷的二元混合物，与纯乙醇相比，添加35%v/v正庚烷使甲醛排放降低50%、乙醛降低75%，表明正庚烷对醛类排放具有显著的抑制作用，且其对乙醛的抑制强于异辛烷和甲苯。对于不含乙醇的OHT三元混合物，甲醛排放量约为乙醛的四倍（FA:AA≈4.10），增加甲苯含量使平均醛类排放降低三分之一，说明甲苯具有抑制醛类排放的作用。在PRF及PRF-E燃料中，HO95、OHE20和OHE85的甲醛排放水平相近，而OHE85的乙醛排放显著升高，FA:AA比从HO95的4.50降至OHE85的0.95。在TPRF及TPRF-E燃料中，OHT_HighT的总醛排放低于PRF（HO95）；THOE85的甲醛排放仅比OHT_HighT高约10 ppm，但乙醛排放随乙醇含量增加而上升，FA:AA从OHT_HighT的4.30变为THOE85的约1.00。对比OHE85和THOE85发现，仅加入2%v/v甲苯即可使甲醛、乙醛和NMHC排放均降低约三分之一，进一步证实甲苯对醛类排放的强抑制作用。
**三、关键研究方法**
本研究采用以下主要技术方法：（1）单缸GDI SI发动机台架试验，发动机燃烧系统为无油设计，可在隔离条件下研究单一燃料组分的影响；（2）AVL SESAM FTIR i-60气体分析仪实时测量发动机出口甲醛、乙醛和NMHC排放，该分析仪以5 Hz采样频率、8 L/min样品流量和191°C样品温度工作，测试前以氮气调零；（3）使用Kistler Type 6041A压力传感器记录缸压，AVL X-ion高速采集系统以0.1°CA分辨率记录300个循环快采数据，Taylor DynPro2系统记录1 Hz慢速数据；（4）通过改变燃料空气当量比（?=0.90-1.20）、负荷（1.95和3 bar nIMEP）和转速（1100和1500 rpm）进行系统工况扫描；（5）燃料组合设计涵盖二元、三元及四元替代燃料混合物，并使用Bosch宽域氧传感器测量过量空气系数（λ）。
**四、研究结果**
**乙醇与正庚烷的二元混合物**
HE65和HE85在?=1时，添加正庚烷显著降低了两种醛类排放：与E100相比，HE65的甲醛降低50%、乙醛降低75%。HE85的甲醛与HE65相近，但乙醛增加，体现了乙醇对稳定乙醛形成的促进作用。在?扫描中，两种燃料的甲醛排放均约100-200 ppm，乙醛在近化学计量比时较低、稀燃和过浓条件下较高。与文献中乙醇-异辛烷和乙醇-甲苯二元混合物相比，正庚烷对醛类的抑制效果更强。NMHC排放随混合气变稀而下降，HE85在化学计量比至稀燃范围内保持稳定。
**异辛烷、正庚烷和甲苯的三元混合物**
在化学计量比条件下，OHT_HighT比OHT_LowT的两种醛排放均降低三分之一，FA:AA约为4.10。?扫描显示OHT_LowT在各当量比下醛排放均较高，尤其在过浓和稀燃条件下。OHT_HighT的重复性更好，可能与其较高的辛烷敏感性（OS）有关。NMHC排放随混合气变稀而持续降低，与醛类趋势相反，表明过量氧可能与燃料中间自由基反应形成醛类。负荷从2 bar增至3 bar nIMEP时，两种OHT混合物的FA:AA均因甲醛增加而上升。转速从1100增至1500 rpm使OHT_LowT醛排放降低60%，OHT_HighT仅降低25%，与甲苯的缓慢火焰传播速度有关。
**PRF与PRF-E替代燃料**
HO95、OHE20和OHE85在化学计量比条件下，从HO95到OHE85总醛排放增加2.6倍，其中甲醛增加1.6倍、乙醛增加7倍。?扫描显示三种燃料的甲醛排放相近，OHE85的乙醛显著高于其他两者，且在过浓条件下差异更大，这与乙醇的充量冷却效应降低燃烧温度有关。NMHC排放随混合气变稀而降低，OHE85具有最低的NMHC排放和最佳的重复性。负荷增加导致OHE20和OHE85的平均醛排放分别增加1.5倍和1.35倍。
**TPRF与TPRF-E替代燃料**
在化学计量比条件下，THOE85的甲醛比OHT_HighT高约10%，乙醛随乙醇含量增加而上升，但甲苯和正庚烷的联合存在显著抑制了乙醛形成。?扫描中，除过浓条件（?=1.18）外，三种燃料的甲醛排放随混合气变稀而持续增加。OHT_HighT和THOE20的乙醛排放相近，而THOE85在过浓条件下乙醛显著升高。NMHC排放随混合气变稀而降低，THOE85的NMHC最低。与PRF混合物相比，TPRF混合物在过浓条件下NMHC更低。转速增加降低了醛排放，负荷对THOE20影响不大，但使THOE85排放增加20%。
**PRF-E85与TPRF-E85的对比**
在化学计量比条件下，THOE85比OHE85在甲醛、乙醛和NMHC排放上均降低约三分之一，且FA:AA更高。在整个?范围内，THOE85的醛排放均低于OHE85，且两者排放差异随混合气变浓而增大。两种燃料在稀燃和化学计量比条件下NMHC排放相近，过浓条件下THOE85的NMHC更低。
**五、讨论与结论总结**
本研究系统揭示了乙醇与替代燃料组分之间的相互作用对发动机出口醛类排放的影响机制。正庚烷因其两阶段燃烧特性和高火焰传播速度，可通过消耗自由基和加速醛类消耗来抑制醛类形成。甲苯则通过其高燃烧温度促进中间醛类的氧化消耗，且对甲醛的抑制强于对乙醛的抑制。当乙醇含量较高时，醛类排放主要受乙醇化学路径控制，但即使少量甲苯的存在也能显著抑制总醛排放。这为含乙醇汽油的组分优化和醛类排放控制提供了理论依据。
研究结论为：（一）在乙醇与正庚烷的二元混合物中，正庚烷的添加可同时降低两种醛类和NMHC排放，效果优于异辛烷和甲苯。（二）对于OHT三元混合物，甲醛排放为乙醛的四倍，增加甲苯含量使平均醛类排放降低三分之一。（三）PRF及PRF-E燃料中，不同乙醇水平下甲醛相近，但OHE85的乙醛显著升高，FA:AA从HO95的4.50降至OHE85的0.95。（四）TPRF及TPRF-E燃料中，OHT_HighT的总醛排放低于HO95，甲苯对甲醛的抑制强于对乙醛的抑制。（五）PRF-E85与TPRF-E85对比表明，极少量甲苯的加入即可使醛类排放降低近三分之一。
