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同京都协议相一致，Flex车辆降低二氧化碳排放

Alfredo Castelli,Antonio Diederik,Claudia Silva,Fernando Damasceno,Gino Montanari

摘要

2005年2月16日，经过了七年工作后签署的“京都议定书”表示未来人们将有更多的工作机会。该协议规定各县导致温室效应的六种气体排放量应减少5％（1990年的水平）：CO₂（二氧化碳或碳气），CH₄（甲烷），氮氧化物（N₂O）和三种氟气（HFC，PFC和SF₆）。 一旦由乙醇燃料驱动的车辆排放的CO₂在之前通过种植过程中的光合作用从大气中吸收，那么使用乙醇作为燃料将使Flex汽车对减轻温室效应有显著贡献。在Flex发动机和巴西酒类业务中CO₂排放量的减少及其在种植园中的吸收引起了世界的广泛关注。这是一项早已具备却变得有些生硬的强大技术，并且可以通过各种经济选择与其他县共享。巴西Flex发动机燃油喷射系统的出口和乙醇燃料或甘蔗种植园信贷的输出可以确保该国获得碳信用额度，因为各国可以通过重新造林或各种项目补偿他们为支持CO₂报价而受到的污染。

如今Flex车辆可以逐步将任何乙醇或汽油的混合物作为燃料，并且通过评估混合物燃烧时使用的乙醇的量可以确定因此而减少的CO₂排放量。通过此方式减少的CO₂的量应能够永久存储在发动机控制单元—ECU的存储器中，以便相关的诊断设备进行了解。

这项工作演示了大气中CO₂减少量的计算过程，并考虑到了京都议定书确定的限值。 对燃烧方程的分析也在车辆实验室中得到了实际结果的证实。

一、概述

“温室效应”是指地球大气圈阻挡太阳辐射产生的影响。这是一个经常与“全球变暖”同义的术语，指的是全球平均温度的升高；工业、运输活动和人口增长导致的温室气体增加。文献[1]描述了对温室效应有贡献的温室气体的重量，即二氧化碳，甲烷和氮氧化物，它们与化石CO₂=1x具有不同的影响，即来自生物质的CO₂=0x；化石CH₄=23x；来自生物质的CH₄=23x；N₂O=296x。本文仅关注二氧化碳的研究，因为相比于化石CO₂ ，汽车排放的CO₂更多，而其他气体的浓度可以忽略不计。

图1.1 碳循环总结

碳在人类生活中具有更为强大的影响力。在大气层使温度保持在人类可以存活的范围内，碳循环机制以反射捕获的红外光谱太阳辐射为基础。碳从地球到空气，从空气到生物质，再从生物质回到地球，长期如此，这个循环便稳定下来，此时大气中的二氧化碳百分比约为320ppm。图1.1显示了这个循环。

基于化石燃料的工业生长基地改变了这个平衡，因为它们去除了土壤中沉积的碳并将其燃烧成了气体。碳循环通过一个有趣的例子说明了生物地球化学循环和质量平衡的概念。人类活动毫无疑问地改变了碳循环的动态，尤其是增加了大气中CO₂浓度。大气中CO₂增加的一个很可能的后果是全球变暖，这或许是最为公开的环境问题，也是全球范围内环境变化的主要例子。全球变暖对生物多样性和生态系统都构成了威胁。

图1.2 在巴西销售的替代车辆，乙醇汽油车辆和Flex

碳循环—碳循环很简单。它基于仅占地球大气0.03％的二氧化碳。碳循环涉及将无机CO₂转化为有机化合物以及随后的CO₂再矿化。这是一个生物地球化学循环，因为它涉及化学元素碳在有机物（CHO），无机物（CO₂）和碳酸盐/碳酸氢盐化合物之间的循环。所有生物地球化学循环都可以设想为一系列的储存和流通：大气和海水中光合作用过程中的CO₂；土壤、植被和动物的呼吸作用，化石和埋藏的沉积物，沉淀，化学沉积物，海床碳酸盐沉积物侵蚀以及矿中的生物量。来自于大气并溶解在海洋中的CO₂形成了重要的无机或非生物储集层。主要的生物或有机库是植被生物量和土壤有机质（如泥炭）。大气和沼气池很小并且更迭迅速。其他非生物池如沉积物、煤和油非常大，并且进入循环的过程非常缓慢。

人们普遍认为光合作用（PS）和呼吸作用（R）应保持平衡，目前碳循环系统大致处于平衡状态。在过去，特别是在宾夕法尼亚和石炭纪时期，光合作用远远强于呼吸作用，造成了严重的有机质沉积，这些沉积物缓慢压缩成为煤、石油和天然气。燃烧这些化石燃料会释放二氧化碳，并且人们普遍认为这导致了大气中CO₂浓度的增加。来自夏威夷天文台的每日读物对此提供了强有力的支持。大气中的二氧化碳在每年的循环中于4月份达到高值，在秋季、冬季和春季分解后降低，经过一个夏天的光合作用于九月达到低值。这个周期向热带地区减弱，并且在赤道以南被逆转。振荡是自然界的特征，而CO₂浓度上升的趋势是人类的影响。

虽然冒纳罗亚天文台的数据仅仅是从1950年代开始形成，但其他证据表明1850年大气中CO₂浓度为260-275 ppm。如今该值约为360 ppm，并且每年约上升1 ppm。预计在下个世纪结束之前，工业化前价值可达到500 ppm中等水平。碳流量可能被光合作用和呼吸作用影响而偏离。

光合作用演变出一种将太阳能转化为有机化合物的能量的机制，将稀有的CO₂分子结合到活生物体的碳化合物中。呼吸作用作为代谢工作释放这种能量。如今，每年大气中700亿公吨CO₂中约有10%通过光合作用固定在植物中。

图1.3 Flex发动机燃烧图

ACIONS—参考文献[2]和[3]讨论了巴西对减少化石燃料的有效替代方案，其中有PROAacute;LCOOL计划，它非常重要，因为它避免了部分由于替代而被留存在地球矿床中的CO₂被释放到空气中。

通过乙醇替代汽油和剩余甘蔗渣替代燃料油减少的排放被Macedo IC，Leal MR，Silva JEA ^[4]很好地利用了。研究表明进入到大气中的化石燃料的减少量产生了2.6tCO₂eq/m³无水乙醇和1.7 tCO₂eq/m³含水乙醇的净产量，但这些数字不能直接应用于京都议定书中，因为乙醇车辆技术在1990年就已经投入使用了。

如文献[5]和[6]所示，巴西Flex车辆计划于2003年3月作为恢复PROALCOOL计划的新行动启动，因为现有的乙醇车辆销量不佳，甚至少于1 ％。Flex车辆符合京都议定书的目标，可以被视为巴西最重要的降低进入大气的二氧化碳的大规模行动之一，见图1.2。这个行动可以被OEM和联邦政府用于研究碳信用额度，因为他们可以系统地验证减少的CO₂排放量。

如何控制Flex车辆的乙醇使用量呢？Flex车辆可以燃烧任何乙醇或汽油的混合物。本文描述了利用Magneti Marelli ECU确定CO₂减少量的步骤和算法。

二、发动机排放

从第四部分开始，我们将讨论燃料燃烧化学平衡的理论方法，尽管为了便于理解，我们以一个更为实用的方法开始。如图2.1所示，在排放实验室中测量了几种类型的车辆，我们能够以统计的方式看到标准汽油车辆产生的CO₂的量，并与其他燃料车辆进行比较。 图1.3显示了根据AMA循环确定的已行驶了80,000公里的高容量Flex车辆的教学燃烧图和根据NBR 6601在FTP75循环中测量的相关结果。

图2.1 MM排放实验室

下列定义阐明了图2.1：

1.燃料类型：

(1).GASOHOL是一种混合型汽油—A.22％的AEAC（Alcool Etilico Anidro Combustivel - Anidrous Ethylic Alcohol Fuel）。

(2).HYDRO ETHANOL是7％的水与AEHC的混合物（AlcoolEtiacute;licoHidratado Combustivel - Hydrated Ethylic Ethanol Fuel）。

2.CO₂排放量大于12％，因为它取决于燃料类型、燃料消耗的水和N₂：

表2.1 不同燃料及其燃烧消耗

标准排放总量：HC（碳氢化合物），CO（一氧化碳），NOx（氮氧化物）和R-COH（醛）在发动机后的排放量小于1％，多于80,000公里的行驶里程和催化剂处理后排放量小于0.1％。

由参考文献[7]和[8]报道的发动机控制模块利用SFS对每种使用的燃油量进行识别。

ECU—发动机控制模块能够通过SFS将车辆排放控制在小于0,1％的水平。SFS确定AFR—空燃比，它可用于各成分的化学平衡，然后确定CO₂的量并将其累加在不可擦除的存储器中。

三、理论方法

以下过程基于“Quimica Tecnologica”^[9]，用于帮助探究CO₂方程。表3.1显示的是理论燃料混合物，还包括将在本文中作为燃料类型进行研究的甲烷。每种物质的密度显示在表3.2上。

表3.1 实验中涉及的燃料类型

表3.2 本实验中考虑的物质的密度

考虑到碳的摩尔质量为12,0107，氧的摩尔质量：15,9994，氢的摩尔质量：1,0079和氮的摩尔质量：14,0067，我们可以得到以下物质的摩尔质量：

表3.3 各物质的摩尔质量