柴油中硫含量對柴油機納米顆粒排放的影響

柴油中硫含量對柴油機納米顆粒排放

的影響

楊偉浩 沈 浩 于志強 劉 悅 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

在大氣氣溶膠的貢獻源中，交通運輸行業產生

的污染物是主要的人為源之一。其中，從車輛和

[1]

船舶配備的柴油機中排放出來的顆粒物，是大氣氣由于燃料的硫成分大部分都可以在柴油機中轉

溶膠的重要組成部分。大量的研究表明,柴油機產換為SO，所以決定納米顆粒物形成的硫酸濃度就主

生的納米顆粒會誘發肺癌等疾病,對人體健康會產要取決于SO向SO的轉化過程和轉化率。這一過

生嚴重危害。同時，酸雨和冰川融化也與柴油機排程直接與排氣系統中的后處理凈化裝置對SO進一

放的顆粒物存在較為密切的關系，因此對環境空氣步氧化的程度密切相關。本文針對柴油機后處理技

中納米顆粒污染的深入認知和有效控制日益受到人術的氧化催化器（Diel Oxidation Catalyst，以下簡

們的重視。稱DOC）和顆粒捕集器對柴油機排氣顆粒物的粒徑

[2]

柴油機顆粒物排放的物理特性主要包括顆粒的和數量濃度的影響進行討論。

粒徑、數量以及表面特性等。本文主要探討顆粒的2.1 氧化催化器

粒徑和數量這兩個物理指標。在柴油機顆粒排放物

理特性的影響因素中，除柴油機本身技術和采樣稀

釋測試條件外，燃油品質是影響顆粒物排放的重要

因素。在燃油的理化參數中，硫含量是非常關鍵的

指標之一，這是因為燃油中的硫成分在柴油機內燃

燒后，條件合適將形成顯著的納米、亞微米顆粒排放。

國外主要采用掃描遷移率粒度分析器對其進行測量

研究。

[3]

2 柴油硫含量對顆粒物的粒徑和數量的影響

2

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2

車用柴油機加裝氧化型催化器，以鉑(Pt) 、鈀(Pd)

等貴金屬作為催化劑,主要降低微粒排放中的SOF

（Soluble Organic Fractions，可溶有機成分）的含量從

而降低PM的排放。因而可以有效減少排氣中的HC、

CO。氧化催化器可以除去90%的SOF, 從而使PM

排放減少40%～50%。其對HC 和CO 的處理效率

可以分別達到88%，68%。但是在一定溫度條件下

它也會將SO直接氧化為SO，從而促進硫酸納米柴油中的硫成分對柴油機排氣的顆粒物貢獻主

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顆粒的形成。近年來的研究發現，在加裝DOC的要表現在兩個方面：在排氣中形成液態硫酸的納米

現代輕型共軌柴油機上燃用高硫燃料時（硫含量為顆粒和碳顆粒上的吸附。前者蘊含的物理化學變化

350×10），其核模態的納米顆粒顯著增加，總顆粒過程對大氣中納米顆粒物的貢獻起主要作用。無論

-6

數量成幾十倍增長，而未加裝DOC的柴油機則沒有柴油中硫的含量、硫的存在形態是何種類型的，硫

形成核模態的納米顆粒。在燃用低硫燃油（4×10）首先在柴油機內高溫高壓的環境中燃燒,大部分被轉

-6

的條件下，無論是否加裝DOC，均未出現相應的納化為SO，小部分會轉化為SO，隨后在排氣過程和

米顆粒物。而且進一步的研究證實，輕型柴油車的大氣環境中與水蒸汽結合形成硫酸，硫酸蒸汽在一

納米顆粒物主要是由硫化物組成，而燃料硫含量直定的環境條件下形成硫酸納米顆粒。此機理下形成

接影響柴油機排氣顆粒的總數量，且主要為納米顆的納米顆粒數量濃度很高，同時平均粒徑均在納米、

粒物。綜合以上的典型研究不難發現，輕型柴油亞微米尺度，對人體和環境的危害巨大。對這種納米、

[6]

（下轉第59頁）

1 顆粒的形成與測量手段

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亞微米顆粒物的測量，無法采用常規的尾氣測量儀，

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國內統一刊號

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按下式計算示值誤差 ，式中標準值指橢圓標準范圍內，再次調整標準圓柱體與旋轉軸線的同軸度，

器的圓度檢定值。在此兩個截面上反復調整標準圓柱體與旋轉軸線的

Δ=×%

同軸度。

用截面法在100 mm高度內取不少于5個截面進

行圓柱度測量，重復測量5次，取其平均值作為測

得值。按下式計算示值誤差，式中標準值指標準圓

柱體的圓柱度檢定值。

Δ=×%

用同樣方法檢定其他規定檔的示值誤差。取各

檔示值誤差中絕對值最大的作為檢定結果。

3.4.3 弦高法

目前不具備超精密微動臺或橢圓標準器的情況

下，可采用弦高法（也稱定標塊法）進行檢定。此

方法適用于二、三、四級圓度儀的檢定。檢定方法對于行程較大的圓柱度測量儀還應采用截面法

和結果處理同橢圓標準器法。在300 mm高度范圍內，取不少于10個截面進行圓

3.5 圓柱度儀示值誤差柱度測量，重復測量5次，取其平均值與圓柱度標

采用圓柱度標準器直接檢定。檢定時，將標準

圓柱體安裝在圓柱度儀工作臺上。調整傳感器支架，

使測頭與標準圓柱體的下端接觸，并調整好標準圓

柱體與旋轉軸線同心。將測頭向上移動至測量行程

（上接第56頁）

準值之差作為該次測量的示值誤差。同樣，依次測量，

獲得各圓柱度標準器對應的儀器示值誤差，取其中

絕對值最大的作為檢定結果。

機在應用高硫燃料后，硫酸液態顆粒是主要的納米硫酸納米顆粒，最終成為大氣納米顆粒物的重要組

顆粒物貢獻物。因此若要控制和降低納米顆粒物數成部分。所以從控制柴油機可吸入顆粒物數量排放

量，必須嚴格控制燃料的硫含量。和提高尾氣凈化裝置效率的兩個角度來看，都必須

2.2 顆粒捕集器有效降低柴油燃料的硫含量，同時這也是新型高效

顆粒捕集器：安裝在排氣管上進行顆粒物的捕

集，然后在其內部將過濾的顆粒物燃燒掉。一般來講，

顆粒捕捉器能夠減少柴油發動機所產生的顆粒達

90% 以上。但是近些年來的研究發現，顆粒捕集器

有可能會帶來二次的顆粒排放。美國可再生能源實

驗室（NREL，National Renewable Energy Laboratory ）

的研究表明，選用的兩種顆粒捕集器在使用高硫燃

料的時候，顆粒物中的硫酸成分較多，而低硫燃料

則較少。顆粒數量的研究則發現，對于高硫燃料，

[7]

顆粒捕集器不能有效降低納米顆粒，相反會顯著增

加硫酸顆粒的形成，從而增加總顆粒數量。這主

[8]

要是由于氧化型顆粒物捕集器內部對SO的高效轉

2

化引起的。同時，SO的轉化還會引起顆粒捕集器的

2

催化器“中毒”，導致其過濾和再生效率降低。所以

對裝備氧化催化器和顆粒捕集器的柴油機，為了改

善顆粒物的排放和有效提高后處理凈化裝置的效率，

都必須控制燃料硫含量，使其至少達到50×10，

-6

甚至更低。

節能柴油機得以應用的前提條件。

參考文獻：

[1] 章澄昌，周文賢. 大氣氣溶膠教程[M]. 北京：氣象出版社，1995.

[2] 郝吉明，段雷，易紅宏，等. 燃燒源可吸入顆粒物的物理化學特

征[M]. 北京: 科學出版社，2008.

[3] 楊偉浩. 生物柴油燃燒排放顆粒數量濃度測量的研究[J]. 上海計

量測試，2011，38（1）：16-20.

[4] Maricq M M，E Cha R，Xu N，M Laing P. The Effects

ofthe Catalytic Converter and Fuel Sulfur Level on Motor

VehicleParticulate Matter Emissions: Light Duty Diel Vehicles[J].

Environ. l. 2002, 36： 283 - 289.

[5] Scheer V，Kirchner U，Casati R，Vogt R，Wehner B，Philippin

S， Wiedensohler A，Hock N，Schneider J，Weimer S，Borrmann

S. Composition of Semi-volatile Particles from Diel Exhaust[J]. SAE

Paper 2005，01：0197.

[6] Xusheng Z，Zhijun W，Liguang L. Characteristics of Soot and

Particle Size Distribution in the Exhaust of a Common Rail Light-Duty

Diel Engine Fuelled with Biodiel[J]. Energy & Fuels, 2012, 26,

5954-5961.

[7] Diel Emission Control-Sulfur Effects (DECSE) I

Interim Data Report No. 4: Diel Particulate Filters-Final Report;

National Renewable Energy Laboratory, 2000.

[8] Andersson, J. and B. Wedekind (2001). “DETR/SMMT/CONCAWE

Particulate Rearch Programme”, Ricardo Consulting Engineers,

Summary Report DP01/0515, May 2001.

3 結語

柴油機燃料中的硫會在燃燒室內轉化為SO，進

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一步在排氣后處理器的作用下形成較多的核模態的

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