我國煙度計測量技術進展

（河南省計量科學研究院，河南 鄭州 450008）

0 前言

柴油發動機采用機械壓縮的方式使空氣與柴油的混合氣體達到自燃點，其壓縮比非常高，所以柴油發動機較之于汽油發動機燃燒更充分，而且柴油發動機的扭矩比汽油發動機大。因此柴油發動機的經濟性能和排放性能都比汽油機好，常用于車用柴油機重型貨車、重型客車、挖掘機、沙土車等車輛[1]。

但是柴油機在使用中會排出大量含碳物質，這些含碳物質是柴油發動機燃燒不充分的產物，主要由燃料分子脫氫分解或火焰最初的多個燃料分子聚合而形成，是PM2.5的重要組成成分。碳煙在光照下具有不同的顏色，按照顏色不同可分為黑煙、白煙和藍煙。黑煙是由于混合氣過濃，燃料未完全燃燒而生成的微小顆粒，變成浮游物，懸浮于廢氣中，形成黑色煙霧。白煙是由于發動機剛啟動時，汽缸內的溫度低，燃料未能充分霧化燃燒，殘余燃料呈顆粒狀隨廢氣排出，被視為白色煙霧。藍煙是機油燃燒生成的，排出時帶有少量黏性液狀物，它是一種少量氧的碳氫化合物[2]。

碳煙中的有害物質能致癌、損害心、肺、造血系統，降低智力。附著在物體表面時會影響美觀，腐蝕金屬，在大氣中會降低空氣能見度。柴油車尾氣中所含的有害成分進入大氣循環中，會形成酸雨，隨著降雨給農作物、動植物、河流帶來危害。因此，世界發達地區，例如歐洲、美國和日本，自1971 年起先后頒布了許多有關廢氣排放的環保法規。我國自1983 年制定了GB 3843—1983 柴油機自由加速煙度排放標準（濾紙煙度計，單位Rb）、GB 3844—1983 汽車柴油機全負荷煙度排放標準（濾紙煙度計，單位Rb）等相關標準。自從制訂柴油煙度排放標準以來，我國不斷加強汽車排氣污染的防治，相繼修訂、制定了一大批柴油機和柴油汽車污染物排放標準，限值日趨嚴格，直至2019 年實施了自有排放標準以來限值最為嚴格的標準GB3847—2018柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）。

日趨嚴格的柴油車污染物排放標準，不僅促進發動機高新技術的開發、應用，還促進了柴油機降低煙度技術的研究和應用， 同時也促進了柴油機煙度排放測試儀器及測試技術的發展。

1 煙度計分類

煙度計是用來檢測柴油發動機排出的廢氣中碳顆粒含量的儀器。廢氣中碳顆粒含量是判斷汽車尾氣排放是滿足國有標準的一項重要指標。按照測量原理，煙度計按照測量原理可分為3 類，即反射式、透射式[3]、目視法。

反射式煙度計即濾紙式煙度計。是用來測量一定時間、一定體積的汽車廢氣，透過特定的濾紙后，其中的碳粒滯留在濾紙上量的多少的儀器。濾紙煙度計的單位表示為“Rb”即“波許單位”的意思，在國內也有用“BSU”或“FSU”來表示濾紙式煙度計的單位。受測量原理的限制，濾紙式煙度計并不能對藍煙和白煙進行測量，因此濾紙式煙度計不能夠完全真實地反應出汽車尾氣排放狀態。所以國家環境保護總局與國家質量檢驗檢疫總局于2005 年5 月聯合頒布實施了新的國家標準，采用更為合理的透射式煙度計作為監測汽車尾氣排放儀器。

透射式煙度計也稱為不透光煙度計。是通過測量光衰減量來反應汽車尾氣排放的一種儀器。其原理是基于Lambert-Beer 定律。透射式煙度計不僅可以測量黑煙，也可以測量藍煙和白煙，所以透射式光煙度計是日前應用最為廣泛一種測量煙氣的儀器。透射式煙度計一般由取樣探頭、測量部件、控制系統和顯示儀表等組成。

林格曼法是將排氣污染物顏色與林格曼濃度圖對比得到煙塵濃度的一種測量方法。把林格曼濃度圖放置在一定位置，通過目測被測物體與相應級別的林格曼濃度圖顏色的一致性，以確定排煙濃度。標準色紙的濃度分為6 級，0級為全白，1 級相當于20%黑色，2 級相當于40%黑色，3級相當于60%黑色，4 級相當于80%黑色，5 級為全黑[4]。用該方法測量煙度，常配備有林格曼煙氣濃度圖、測煙望遠鏡等。

2 3種測量原理煙度計特點

3 種測量原理的煙度計的優缺點及應用場合，見表1。

由于濾紙式煙度計不能測量藍煙和白煙，測量的準確性受到濾紙品質的影響，不能對瞬態工況進行連續測量等缺點，因此我國規定2001 年10 月1 日以前生產的柴油車要用濾紙式煙度計檢測，2001 年10 月1 日以后生產的柴油車用分流式不透光煙度計進行檢測。

林格曼煙度計具有方法簡單、成本低、測量快速等優點。不透光煙度計由于測量準確，適用于瞬時或連續測量煙度。因此這2 種煙度計廣泛應用于測定煙度。

其中GB 36886—2018《非道路柴油移動機械排氣煙度限值及測量方法》、GB 3847—2018《柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）》標準規定了2種煙度檢測方法，即不透光煙度法和林格曼煙度法。

3 煙度計發展趨勢

3.1 不透光煙度計發展趨勢

不透光煙度計按照取樣方式分為全流式和分流式。全流式不透光煙度計的優點是響應極快，但是對不同直徑的排氣管必須配以不同的專用管。由于結構有限，其排氣管直徑就是光學測量長度，在低量程范圍測量時分辨率低，廢氣在排氣管中難以進行加熱或者降溫，廢氣的溫度不能迅速測量，發動機的壓力波動會引起測量誤差。分流式不透光煙度計是將部分廢氣送入測量氣室中進行測量，探頭只需一種尺寸，可以對氣室中的廢氣進行溫度控制和壓力補充。由于我國法規要求2001 年10 月1 日以后生產的柴油車用分流式不透光煙度計進行檢測，因此現在市場上出售的不透光煙度計均為分流式。

近些年，為了解決不透光煙度計光學系統容易污染的問題，有研究者采用文丘里噴嘴形成穩定的空氣流，把檢測單元與尾氣隔離開，既能使光學系統免遭排煙的污染，又能保證測量尾氣的光程保持不變。為了防止檢測室受溫度波動影響，檢測室外部采用包裹隔溫材料，內部采用加熱棒或帕爾貼進行恒溫加熱控制，這樣就避免了測量精度受溫度波動影響。為了克服長時間高溫測試對取樣管有影響的問題，取樣探頭采用不銹鋼結構，有效解決了這一問題。為了節省人力和時間，開發了全自動煙度計，采用電動抽氣系統，內部采用微電腦控制，自動進行走紙、測量、復位和清洗等檢測過程，自動顯示測量值，抽氣量更準確，性能可靠。

目前，國內科研院所及高校嘗試開發高靈敏的激光式煙度計[5]，打破國外的技術壟斷，逐步提高不透光煙度計的自主開發能力，大幅度地降低了儀器成本。為我國“國Ⅳ”排放標準及以上柴油機的開發提供了有效的監測儀器。

3.2 林格曼煙度計發展趨勢

目前林格曼煙度計在機動車污染控制領域的使用才剛剛起步，在借鑒了工業源監測上的一些原有方法的同時，結合信息和圖像技術，產生了新的測量方法，即光電測煙儀法、基于視頻拍攝的遙感檢測法[6]。

光電測煙儀是半自動化的林格曼黑度測量儀器，該儀器利用光學系統搜集煙的圖像，把煙的透光率和儀器內部的標準黑度板透光率進行比較，通過光學系統處理，把光信號變成電信號輸出，從而顯示煙氣的黑度。光電測煙儀比較客觀準確，但不能在多云、大風或雨霧天觀測。

基于視頻拍攝的遙感檢測法，是將圖像識別技術應用在環境監測上，通過安裝在道路及路口的攝像頭抓取圖像，通過建立數學模型，把汽車尾氣從圖像中分離出來，再將尾氣灰度與預設的林格曼標準圖譜比對，從而快速檢測出尾氣的林格曼黑度值。利用此項技術能準確、快捷地對“黑煙車”進行識別，大大降低了檢測人員的勞動強度，提高了檢測效率。

4 結語

日趨嚴格的柴油車污染物排放標準，不僅促進了柴油機降低煙度技術的研究和應用， 同時也促進了煙度計技術的發展。隨著新技術應用，煙度計將會提供更加準確可靠的測量數據，為降低PM2.5、保護環境提供有力的數據支撐。

表1 3 種測量原理的煙度計的優缺點及應用場