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第3章 制定新排放检测燃料参数

自从首次制定了以及最新修订了EPA的排放测试汽油规范以来，在用汽油变化很大，降低了含硫量和含苯量，这可能对于消费者来讲是显而易见的，全国各地含10%乙醇的汽油(体积含量，E10)取代了无氧汽油(E0)，排放认证测试燃料和在用燃料之间的关系对于全面评估公众可用的燃料很重要。

我们主要使用燃料属性资料的两种来源，来确定排放测试燃料的合适规格。一种来源是EPA得到的新配方汽油和反倾销批量报告数据（在本节称为批量数据），汽油和相关的混合原料生产企业和进口商必须向EPA提交每批生产或进口汽油的数据，这些数据包括批量产量以及物理和化学性质，这些能够用于确定燃料是否符合适用的标准和法规，这些报告视为机密商业资料，因此这里只给出累加数据。

第二个数据源是汽车制造商联盟(AAM)北美燃料调查，每年夏季和冬季，AAM收集23个州和哥伦比亚特区29个主要都市地区加油站的300多个汽油样品，目前采样区域包括：阿尔伯克基NM；亚特兰大GA；比林斯，MT；；波士顿，MA；芝加哥，IL；克利夫兰，OH；达拉斯，休斯敦，圣安东尼奥，TX；丹佛，CO；底特律，MI，；费尔班克斯，AK；密苏里州堪萨斯城和圣路易斯，MO；内华达州拉斯维加斯，NV；洛杉矶和旧金山，CA；孟菲斯，TN；佛罗里达州迈阿密，FL；明尼阿波里斯市，St；圣保罗，MN；新奥尔良，LA；纽约，NY；宾夕法尼亚州费城和匹兹堡，PA；凤凰城，AZ，；盐湖城，UT；西雅图， WA；华盛顿特区；水城，SD。尽管AAM北美燃料调查并不代表所有的美国汽油，但是其旨在全面覆盖美国市场。

请注意，此评估主要关注夏季的燃料特性（一般等级为E10汽油），因为E10与认证测试条件和燃料规范最相关。

3.1 目前汽油性质的评估

3.1.1 乙醇含量

依据能源信息管理局(EIA)的资料，乙醇目前是美国汽油中最广泛使用的混合成分，平均汽油变性乙醇含量为9.7%(体积含量)，参见图3-1。变性剂通常是一种碳氢化合物（如：天然气凝析液或者低辛烷值的汽油成分），在发送到燃料终端之前，乙醇生产企业添加变性剂大约2%(体积含量)，要求这样的添加浓度依据产品乙醇含量而不同。

图3-1：随时间变化的美国汽油变性乙醇含量¹

该图表明从2002年开始乙醇含量迅速增大，2010年以后基本上持平接近10%（体积含量，该平均数字还包括灵活燃料机动车所用的少量E85），尽管EPA批准了2001及随后车型年使用E15，但是它还没有普及使用^[1]。

图3-2给出了2010年和2011年AAM收集的404个常规等级夏季E10汽油样品中乙醇含量的分布情况，这些数据表明，E10中乙醇混合的范围比较窄，大多数样品乙醇体积含量在9.3-10.0%（不包括变性剂），由于试验方法的不确定性，数据可能具有较高和较低的数值。基于该资料，排放检测燃料目标9.8%（乙醇体积含量，不包括变性剂）是合适的。

图3-2：2010-11年AAM夏季调查中E10汽油的乙醇含量范围

3.1.2 辛烷值

美国大部分地区汽油必须符合最低辛烷值(也叫(R M)/2或抗爆指数AKI)，AKI常规等级为87，变性燃料乙醇的常规辛烷值AKI为115，使其成为高辛烷值的混合原料。然而，由于增加了乙醇掺混量，成品汽油辛烷值并不增大。鉴于这种情况与同时下一节给出的数据，很明显许多炼油厂通过降低芳烃和烯烃含量在炼油厂降低辛烷值，在精炼厂生产这些高辛烷值的成分，表示对炼油厂来说成本巨大，因此他们可以利用乙醇的辛烷值来降低成本。我们估计许多炼油厂目前生产AKI84-85混合原料，以达到87辛烷值常规等级汽油，生产AKI88-89混合原料，以达到91辛烷值优质等级汽油，这样最终E10混合燃料符合最小辛烷值要求。

依据AAM夏季燃料调查，在过去的十年中，尽管乙醇混合水平越来越高，但是成品常规等级汽油的平均辛烷值保持不变，AKI维持在87-88(参见图3-3)。依据EIA的石油营销年度数据，常规等级汽油占美国销量的85%以上，因此，我们认为更新87-88.4(R M)/2测试燃料规范代表常规等级在用汽油。

图3-3：随时间变化的平均夏季常规等级辛烷值和乙醇水平

3.1.3 总芳香物含量和总烯烃含量

术语烯烃是一种碳氢化合物，其起码含有一种不饱和或者双键的碳氢化合物；芳烃是一种特殊类型的烯烃，其包含苯环，当原油依据沸点范围蒸馏成各种馏分时，进入汽油池的馏分称为直馏馏分油，主要含有饱和烃。相对于饱和烃来讲，烯烃和芳烃都有较高的AKI 值，因此，在成品汽油中增加它们的比例是一个重要的方法，炼油厂使用该方法符合要求的AKI目标。

乙醇还有很高的AKI值，随着乙醇更普遍用作混合原料，炼油厂目前依赖乙醇提高其含量，以符合辛烷值目标，图3-4给出了每年所有夏季汽油的平均芳香烃、烯烃和乙醇含量，我们能够看到，随着乙醇含量增大，芳香族和烯烃区域下降。使用2010-11年AAM的调查数据，常规等级E10汽油(172个样品)的平均芳烃含量为24.3%（体积含量），平均烯烃含量为7.3%（体积含量）。在解释这些芳香烃结果作为更新测试燃料规范的基础时，我们考虑了这样的事实，即对于相同的燃料样品，ASTM D1319(用于AAM调查)给出的数值要比ASTM D5769(测试燃料分析中规定的)要高1-2%（体积含量）^[2]。

图3-4：随时间变化的平均夏季汽油芳香烃、烯烃和乙醇水平

尽管在过去的十年里降低了总芳香烃和烯烃含量，但是总芳香烃和烯烃含量仍然随着批次和地理位置不同而变化，我们2011年夏季炼油厂批次数据表明大量汽油芳香烃水平处于大约5-50%（体积含量），平均浓度为24%（体积含量），如图3-5所示；烯烃水平范围0-25%（体积含量），平均浓度为11%，如图3-6所示。图3-5和图3-6的2011年批次数据仅反映了新配方汽油的乙醇影响，匹配混合乙醇比例以说明这个问题，并不说明汽油离开炼油厂之后乙醇可以混入汽油，因为在大多数计算中，目前汽油法规不允许炼油厂利用乙醇的性质。因此，相比批次数据所建议的芳香烃和烯烃含量，AAM和其他汽油调查可能表明更低芳香烃和烯烃含量。

图3-5：基于2011年夏季炼油厂匹次数据的汽油芳香烃分布

图3-6：基于2011年夏季炼油厂匹次数据的汽油烯烃分布

依据2010年夏季AAM的北美燃料调查，测得的在用芳香烃体积含量为3-47%(图3-7)，而烯烃体积含量为0.6-17%(图3-8)。加州芳香烃和烯烃含量越来越低，如下图所示，从洛杉矶和旧金山采集的汽油样品，其芳香烃体积含量与烯烃体积含量分别是10-30%和1-8%，尽管如此，我们更新了芳香烃和烯烃的排放检测燃料规范，仍然与加州空气资源委员会(CARB)制定的LEV III测试燃料那些规范有相重叠的部分^[3]。

图3-7：2010年夏季AAM城市调查的总芳香烃范围

图3-8：2010年夏季AAM城市调查的总烯烃范围

3.1.4 芳香烃类物质

由EPA和其他公司进行的汽油形态分析数据表明，从苯(C6，意味着包含六个碳原子)以及甲苯(C7)到更多更复杂的C10 芳香烃有着大量的芳香族分子结构。2007-2011年，EPA全国各地52个燃料样品进行了芳香化形态分析，大约60%是RFG监管样本(由炼油厂提供，作为RFG方案的一部分)，其余部分是审核样本，这些样本主要来自零售网点，作为RFG方案城市调查准备的一部分，汽油总芳香烃体积含量为6-39%，相对于碳数量分子物质的相对比例各个样品相对一致(图3-9)。

图3-9：依据碳数量和取样位置的芳香烃类物质的比例

(基于2007-2011年EPA取样)

鉴于越来越多的研究表明，较高沸点芳香族化合物影响汽油车的可吸入颗粒物(PM)排放，人们开始关注不同分子大小芳烃的相对比例。日本石油能源中心(JPEC)的一项研究表明，随着汽油中高碳芳烃成分增大，轻型汽油车PM质量排放增大³。本田公布的PM指数，建立了燃料组分的等效双键数(DBE)和蒸汽压力(V.P)的关联关系⁴，PM指数是所有汽油组分(i)的函数，这些汽油组分相对应的重量百分含量(Wt_i)计算公式参见公式1，DBE表示分子中存在的双键和环的数量，例如：苯(C₆H₆)的DBE为4(3个双键 1个环)，萘(C₁₀H₈)的DBE为7(5个双键 2个环)。依据该模型，预期含高DBE值低挥发性化合物较高的汽油会产生更多PM排放。

方程1：可吸入颗粒物指数计算

鉴于可能影响机动车PM排放，由于芳香烃似乎并不产生等效的影响，我们认为，更新排放测试燃料中芳香烃数量和分布代表在用燃料，应该采取很谨慎的做法。图3-10给出了EPA芳香烃形态分析数据的平均值和范围，其中蓝色表示测试燃料规范的范围。

图3-10：芳香烃形态分析数据的平均值和标准偏差（蓝色表示测试燃料规范范围）

3.1.5 蒸馏温度

如图3-11所示，AAM的调查数据表明，在过去的十年里，随着乙醇掺混比例提高，夏季汽油的挥发性曲线变化不大，以下更详细介绍T50和T90温度。

图3-11：随时间变化的夏季汽油蒸馏温度（来源：AAM调查）

3.1.5.1 T50分析

相对于基础汽油，基于E0喷射混合10%的乙醇通常使得T50降低几度，鉴于大部分炼油厂2011年常规汽油的批量数据没有采集乙醇混合引起的性质变化，我们将期望图3-12所示的曲线向下移动，使其更符合AAM调查数据的平均值（约202°F，参见图3-11），图3-13所示的AAM调查数据表明，在用燃料T50差别很大（150-220°F）。T50与RVP的曲线表明，相比常规汽油(约高于9psi)，在重制和挥发性控制区域燃料（在左边，约低于8.5psi)）中，T50值分别具有较高与较低的范围，测试燃料采用较宽规范，以包含整个范围，这样的整个范围可能对装置之间以及随时间的机动车测试结果符合性产生不良影响。因此，我们选择较大的范围（190-210°F），以代表燃料类型，并且保持与CARB规范的205-215°F具有某些重叠性。

图3-12：基于夏季2011年炼油厂批量数据的汽油T50范围

图3-13：2010-11年夏季汽油的T50范围（来源：AAM调查报告）

3.1.5.2 T90分析

为了进一步理解在2011年平均过程中生产或者进口汽油总合的变动，我们绘制了T90与累计汽油体积含量的曲线，大约90%的T90数据在曲线的中心部分呈线性分布，其余10%的T90数据由异常值组成，温度谱的下端和上端略有下降，成交量加权平均T90为325°F(参见图3-14)。在乙醇混合含量10%，T90相对不敏感，因此我们看到批量数据集和AAM数据集平均值很吻合，图3-15给出了依据RVP的AAM T90数据，其中可以看到重整和常规汽油总合之间的影响差异非常小，基于该资料，我们设定测试燃料规范范围是315-335°F。

图3-14：基于夏季2011年炼油厂批量数据的汽油T90范围

图3-15：2010-11年夏季汽油的T90范围(来源:AAM调查报告)

3.1.6 硫和苯

过去10年，依据Tier 2汽油方案，大幅降低了汽油含硫量^[4]，2004-2011年是那些标准的阶段导入期，期间所有地区性和小型炼油厂的救济条款都结束了。依据AAM夏季燃料调查，平均汽油含硫量从2000年的150ppm降至不到2012年的30ppm(Tier 2平均标准)，参见图3-16。2011年炼油厂批量报告(参见图3-17)表明，成交量加权平均汽油含硫量调整低于30ppm。此外，鉴于炼油厂认证数据不包括常规汽油所掺混的所有乙醇，预期在用汽油平均含硫量会稍微低一些，这与AAM数据相一致。

在阶段导入Tier 3含硫量限值之后，要求汽油含硫量降低到10ppm。原油本身具有硫，大多数炼油厂必须花钱安装并运用装置，降低汽油中的硫，这种精炼副产品本身没有什么市场价值，预期不会很好地符合标准。因此，更新的测试燃料含硫量规范目前设定为8-11ppm。

主要由于MSAT2方案，近年来汽油的含苯量有所下降，MSAT2方案2011年1月1日开始生效，执行所有汽油苯体积含量的年度平均标准为0.62%^[5]。依据AAM夏季燃料调查，汽油平均苯体积含量从2006年的近似1%降低到2011的不到0.7%(参见图

资料编号：[3722]