我国烟度计测量技术进展

2020-05-05

中国新技术新产品 2020年4期

（河南省计量科学研究院，河南郑州 450008）

0 前言

柴油发动机采用机械压缩的方式使空气与柴油的混合气体达到自燃点，其压缩比非常高，所以柴油发动机较之于汽油发动机燃烧更充分，而且柴油发动机的扭矩比汽油发动机大。因此柴油发动机的经济性能和排放性能都比汽油机好，常用于车用柴油机重型货车、重型客车、挖掘机、沙土车等车辆[1]。

但是柴油机在使用中会排出大量含碳物质，这些含碳物质是柴油发动机燃烧不充分的产物，主要由燃料分子脱氢分解或火焰最初的多个燃料分子聚合而形成，是PM2.5的重要组成成分。碳烟在光照下具有不同的颜色，按照颜色不同可分为黑烟、白烟和蓝烟。黑烟是由于混合气过浓，燃料未完全燃烧而生成的微小颗粒，变成浮游物，悬浮于废气中，形成黑色烟雾。白烟是由于发动机刚启动时，汽缸内的温度低，燃料未能充分雾化燃烧，残余燃料呈颗粒状随废气排出，被视为白色烟雾。蓝烟是机油燃烧生成的，排出时带有少量黏性液状物，它是一种少量氧的碳氢化合物[2]。

碳烟中的有害物质能致癌、损害心、肺、造血系统，降低智力。附着在物体表面时会影响美观，腐蚀金属，在大气中会降低空气能见度。柴油车尾气中所含的有害成分进入大气循环中，会形成酸雨，随着降雨给农作物、动植物、河流带来危害。因此，世界发达地区，例如欧洲、美国和日本，自1971 年起先后颁布了许多有关废气排放的环保法规。我国自1983 年制定了GB 3843—1983 柴油机自由加速烟度排放标准（滤纸烟度计，单位Rb）、GB 3844—1983 汽车柴油机全负荷烟度排放标准（滤纸烟度计，单位Rb）等相关标准。自从制订柴油烟度排放标准以来，我国不断加强汽车排气污染的防治，相继修订、制定了一大批柴油机和柴油汽车污染物排放标准，限值日趋严格，直至2019 年实施了自有排放标准以来限值最为严格的标准GB3847—2018柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速法及加载减速法）。

日趋严格的柴油车污染物排放标准，不仅促进发动机高新技术的开发、应用，还促进了柴油机降低烟度技术的研究和应用，同时也促进了柴油机烟度排放测试仪器及测试技术的发展。

1 烟度计分类

烟度计是用来检测柴油发动机排出的废气中碳颗粒含量的仪器。废气中碳颗粒含量是判断汽车尾气排放是满足国有标准的一项重要指标。按照测量原理，烟度计按照测量原理可分为3 类，即反射式、透射式[3]、目视法。

反射式烟度计即滤纸式烟度计。是用来测量一定时间、一定体积的汽车废气，透过特定的滤纸后，其中的碳粒滞留在滤纸上量的多少的仪器。滤纸烟度计的单位表示为“Rb”即“波许单位”的意思，在国内也有用“BSU”或“FSU”来表示滤纸式烟度计的单位。受测量原理的限制，滤纸式烟度计并不能对蓝烟和白烟进行测量，因此滤纸式烟度计不能够完全真实地反应出汽车尾气排放状态。所以国家环境保护总局与国家质量检验检疫总局于2005 年5 月联合颁布实施了新的国家标准，采用更为合理的透射式烟度计作为监测汽车尾气排放仪器。

透射式烟度计也称为不透光烟度计。是通过测量光衰减量来反应汽车尾气排放的一种仪器。其原理是基于Lambert-Beer 定律。透射式烟度计不仅可以测量黑烟，也可以测量蓝烟和白烟，所以透射式光烟度计是日前应用最为广泛一种测量烟气的仪器。透射式烟度计一般由取样探头、测量部件、控制系统和显示仪表等组成。

林格曼法是将排气污染物颜色与林格曼浓度图对比得到烟尘浓度的一种测量方法。把林格曼浓度图放置在一定位置，通过目测被测物体与相应级别的林格曼浓度图颜色的一致性，以确定排烟浓度。标准色纸的浓度分为6 级，0级为全白，1 级相当于20%黑色，2 级相当于40%黑色，3级相当于60%黑色，4 级相当于80%黑色，5 级为全黑[4]。用该方法测量烟度，常配备有林格曼烟气浓度图、测烟望远镜等。

2 3种测量原理烟度计特点

3 种测量原理的烟度计的优缺点及应用场合，见表1。

由于滤纸式烟度计不能测量蓝烟和白烟，测量的准确性受到滤纸品质的影响，不能对瞬态工况进行连续测量等缺点，因此我国规定2001 年10 月1 日以前生产的柴油车要用滤纸式烟度计检测，2001 年10 月1 日以后生产的柴油车用分流式不透光烟度计进行检测。

林格曼烟度计具有方法简单、成本低、测量快速等优点。不透光烟度计由于测量准确，适用于瞬时或连续测量烟度。因此这2 种烟度计广泛应用于测定烟度。

其中GB 36886—2018《非道路柴油移动机械排气烟度限值及测量方法》、GB 3847—2018《柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速法及加载减速法）》标准规定了2种烟度检测方法，即不透光烟度法和林格曼烟度法。

3 烟度计发展趋势

3.1 不透光烟度计发展趋势

不透光烟度计按照取样方式分为全流式和分流式。全流式不透光烟度计的优点是响应极快，但是对不同直径的排气管必须配以不同的专用管。由于结构有限，其排气管直径就是光学测量长度，在低量程范围测量时分辨率低，废气在排气管中难以进行加热或者降温，废气的温度不能迅速测量，发动机的压力波动会引起测量误差。分流式不透光烟度计是将部分废气送入测量气室中进行测量，探头只需一种尺寸，可以对气室中的废气进行温度控制和压力补充。由于我国法规要求2001 年10 月1 日以后生产的柴油车用分流式不透光烟度计进行检测，因此现在市场上出售的不透光烟度计均为分流式。

近些年，为了解决不透光烟度计光学系统容易污染的问题，有研究者采用文丘里喷嘴形成稳定的空气流，把检测单元与尾气隔离开，既能使光学系统免遭排烟的污染，又能保证测量尾气的光程保持不变。为了防止检测室受温度波动影响，检测室外部采用包裹隔温材料，内部采用加热棒或帕尔贴进行恒温加热控制，这样就避免了测量精度受温度波动影响。为了克服长时间高温测试对取样管有影响的问题，取样探头采用不锈钢结构，有效解决了这一问题。为了节省人力和时间，开发了全自动烟度计，采用电动抽气系统，内部采用微电脑控制，自动进行走纸、测量、复位和清洗等检测过程，自动显示测量值，抽气量更准确，性能可靠。

目前，国内科研院所及高校尝试开发高灵敏的激光式烟度计[5]，打破国外的技术垄断，逐步提高不透光烟度计的自主开发能力，大幅度地降低了仪器成本。为我国“国Ⅳ”排放标准及以上柴油机的开发提供了有效的监测仪器。

3.2 林格曼烟度计发展趋势

目前林格曼烟度计在机动车污染控制领域的使用才刚刚起步，在借鉴了工业源监测上的一些原有方法的同时，结合信息和图像技术，产生了新的测量方法，即光电测烟仪法、基于视频拍摄的遥感检测法[6]。

光电测烟仪是半自动化的林格曼黑度测量仪器，该仪器利用光学系统搜集烟的图像，把烟的透光率和仪器内部的标准黑度板透光率进行比较，通过光学系统处理，把光信号变成电信号输出，从而显示烟气的黑度。光电测烟仪比较客观准确，但不能在多云、大风或雨雾天观测。

基于视频拍摄的遥感检测法，是将图像识别技术应用在环境监测上，通过安装在道路及路口的摄像头抓取图像，通过建立数学模型，把汽车尾气从图像中分离出来，再将尾气灰度与预设的林格曼标准图谱比对，从而快速检测出尾气的林格曼黑度值。利用此项技术能准确、快捷地对“黑烟车”进行识别，大大降低了检测人员的劳动强度，提高了检测效率。