（河南省計(jì)量科學(xué)研究院，河南 鄭州 450008）

0 前言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)械壓縮的方式使空氣與柴油的混合氣體達(dá)到自燃點(diǎn)，其壓縮比非常高，所以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)較之于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更充分，而且柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)大。因此柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能和排放性能都比汽油機(jī)好，常用于車(chē)用柴油機(jī)重型貨車(chē)、重型客車(chē)、挖掘機(jī)、沙土車(chē)等車(chē)輛[1]。

但是柴油機(jī)在使用中會(huì)排出大量含碳物質(zhì)，這些含碳物質(zhì)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不充分的產(chǎn)物，主要由燃料分子脫氫分解或火焰最初的多個(gè)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(lán)煙。黑煙是由于混合氣過(guò)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(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，汽缸內(nèi)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(lán)煙是機(jī)油燃燒生成的，排出時(shí)帶有少量黏性液狀物，它是一種少量氧的碳?xì)浠衔颷2]。

碳煙中的有害物質(zhì)能致癌、損害心、肺、造血系統(tǒng)，降低智力。附著在物體表面時(shí)會(huì)影響美觀(guān)，腐蝕金屬，在大氣中會(huì)降低空氣能見(jiàn)度。柴油車(chē)尾氣中所含的有害成分進(jìn)入大氣循環(huán)中，會(huì)形成酸雨，隨著降雨給農(nóng)作物、動(dòng)植物、河流帶來(lái)危害。因此，世界發(fā)達(dá)地區(qū)，例如歐洲、美國(guó)和日本，自1971 年起先后頒布了許多有關(guān)廢氣排放的環(huán)保法規(guī)。我國(guó)自1983 年制定了GB 3843—1983 柴油機(jī)自由加速煙度排放標(biāo)準(zhǔn)（濾紙煙度計(jì)，單位Rb）、GB 3844—1983 汽車(chē)柴油機(jī)全負(fù)荷煙度排放標(biāo)準(zhǔn)（濾紙煙度計(jì)，單位Rb）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。自從制訂柴油煙度排放標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，我國(guó)不斷加強(qiáng)汽車(chē)排氣污染的防治，相繼修訂、制定了一大批柴油機(jī)和柴油汽車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，限值日趨嚴(yán)格，直至2019 年實(shí)施了自有排放標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)限值最為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)GB3847—2018柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（自由加速法及加載減速法）。

日趨嚴(yán)格的柴油車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，不僅促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)高新技術(shù)的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用，還促進(jìn)了柴油機(jī)降低煙度技術(shù)的研究和應(yīng)用， 同時(shí)也促進(jìn)了柴油機(jī)煙度排放測(cè)試儀器及測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。

1 煙度計(jì)分類(lèi)

煙度計(jì)是用來(lái)檢測(cè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)尾氣排放是滿(mǎn)足國(guó)有標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。按照測(cè)量原理，煙度計(jì)按照測(cè)量原理可分為3 類(lèi)，即反射式、透射式[3]、目視法。

反射式煙度計(jì)即濾紙式煙度計(jì)。是用來(lái)測(cè)量一定時(shí)間、一定體積的汽車(chē)廢氣，透過(guò)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(jì)的單位表示為“Rb”即“波許單位”的意思，在國(guó)內(nèi)也有用“BSU”或“FSU”來(lái)表示濾紙式煙度計(jì)的單位。受測(cè)量原理的限制，濾紙式煙度計(jì)并不能對(duì)藍(lán)煙和白煙進(jìn)行測(cè)量，因此濾紙式煙度計(jì)不能夠完全真實(shí)地反應(yīng)出汽車(chē)尾氣排放狀態(tài)。所以國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局與國(guó)家質(zhì)量檢驗(yàn)檢疫總局于2005 年5 月聯(lián)合頒布實(shí)施了新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用更為合理的透射式煙度計(jì)作為監(jiān)測(cè)汽車(chē)尾氣排放儀器。

透射式煙度計(jì)也稱(chēng)為不透光煙度計(jì)。是通過(guò)測(cè)量光衰減量來(lái)反應(yīng)汽車(chē)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(jì)不僅可以測(cè)量黑煙，也可以測(cè)量藍(lán)煙和白煙，所以透射式光煙度計(jì)是日前應(yīng)用最為廣泛一種測(cè)量煙氣的儀器。透射式煙度計(jì)一般由取樣探頭、測(cè)量部件、控制系統(tǒng)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(duì)比得到煙塵濃度的一種測(cè)量方法。把林格曼濃度圖放置在一定位置，通過(guò)目測(cè)被測(cè)物體與相應(yīng)級(jí)別的林格曼濃度圖顏色的一致性，以確定排煙濃度。標(biāo)準(zhǔn)色紙的濃度分為6 級(jí)，0級(jí)為全白，1 級(jí)相當(dāng)于20%黑色，2 級(jí)相當(dāng)于40%黑色，3級(jí)相當(dāng)于60%黑色，4 級(jí)相當(dāng)于80%黑色，5 級(jí)為全黑[4]。用該方法測(cè)量煙度，常配備有林格曼煙氣濃度圖、測(cè)煙望遠(yuǎn)鏡等。

2 3種測(cè)量原理煙度計(jì)特點(diǎn)

3 種測(cè)量原理的煙度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，見(jiàn)表1。

由于濾紙式煙度計(jì)不能測(cè)量藍(lán)煙和白煙，測(cè)量的準(zhǔn)確性受到濾紙品質(zhì)的影響，不能對(duì)瞬態(tài)工況進(jìn)行連續(xù)測(cè)量等缺點(diǎn)，因此我國(guó)規(guī)定2001 年10 月1 日以前生產(chǎn)的柴油車(chē)要用濾紙式煙度計(jì)檢測(cè)，2001 年10 月1 日以后生產(chǎn)的柴油車(chē)用分流式不透光煙度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。

林格曼煙度計(jì)具有方法簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量快速等優(yōu)點(diǎn)。不透光煙度計(jì)由于測(cè)量準(zhǔn)確，適用于瞬時(shí)或連續(xù)測(cè)量煙度。因此這2 種煙度計(jì)廣泛應(yīng)用于測(cè)定煙度。

其中GB 36886—2018《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械排氣煙度限值及測(cè)量方法》、GB 3847—2018《柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（自由加速法及加載減速法）》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了2種煙度檢測(cè)方法，即不透光煙度法和林格曼煙度法。

3 煙度計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 不透光煙度計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

不透光煙度計(jì)按照取樣方式分為全流式和分流式。全流式不透光煙度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)極快，但是對(duì)不同直徑的排氣管必須配以不同的專(zhuān)用管。由于結(jié)構(gòu)有限，其排氣管直徑就是光學(xué)測(cè)量長(zhǎng)度，在低量程范圍測(cè)量時(shí)分辨率低，廢氣在排氣管中難以進(jìn)行加熱或者降溫，廢氣的溫度不能迅速測(cè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力波動(dòng)會(huì)引起測(cè)量誤差。分流式不透光煙度計(jì)是將部分廢氣送入測(cè)量氣室中進(jìn)行測(cè)量，探頭只需一種尺寸，可以對(duì)氣室中的廢氣進(jìn)行溫度控制和壓力補(bǔ)充。由于我國(guó)法規(guī)要求2001 年10 月1 日以后生產(chǎn)的柴油車(chē)用分流式不透光煙度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，因此現(xiàn)在市場(chǎng)上出售的不透光煙度計(jì)均為分流式。

近些年，為了解決不透光煙度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)容易污染的問(wèn)題，有研究者采用文丘里噴嘴形成穩(wěn)定的空氣流，把檢測(cè)單元與尾氣隔離開(kāi)，既能使光學(xué)系統(tǒng)免遭排煙的污染，又能保證測(cè)量尾氣的光程保持不變。為了防止檢測(cè)室受溫度波動(dòng)影響，檢測(cè)室外部采用包裹隔溫材料，內(nèi)部采用加熱棒或帕爾貼進(jìn)行恒溫加熱控制，這樣就避免了測(cè)量精度受溫度波動(dòng)影響。為了克服長(zhǎng)時(shí)間高溫測(cè)試對(duì)取樣管有影響的問(wèn)題，取樣探頭采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，有效解決了這一問(wèn)題。為了節(jié)省人力和時(shí)間，開(kāi)發(fā)了全自動(dòng)煙度計(jì)，采用電動(dòng)抽氣系統(tǒng)，內(nèi)部采用微電腦控制，自動(dòng)進(jìn)行走紙、測(cè)量、復(fù)位和清洗等檢測(cè)過(guò)程，自動(dòng)顯示測(cè)量值，抽氣量更準(zhǔn)確，性能可靠。

目前，國(guó)內(nèi)科研院所及高校嘗試開(kāi)發(fā)高靈敏的激光式煙度計(jì)[5]，打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，逐步提高不透光煙度計(jì)的自主開(kāi)發(fā)能力，大幅度地降低了儀器成本。為我國(guó)“國(guó)Ⅳ”排放標(biāo)準(zhǔn)及以上柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)提供了有效的監(jiān)測(cè)儀器。

3.2 林格曼煙度計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

目前林格曼煙度計(jì)在機(jī)動(dòng)車(chē)污染控制領(lǐng)域的使用才剛剛起步，在借鑒了工業(yè)源監(jiān)測(cè)上的一些原有方法的同時(shí)，結(jié)合信息和圖像技術(shù)，產(chǎn)生了新的測(cè)量方法，即光電測(cè)煙儀法、基于視頻拍攝的遙感檢測(cè)法[6]。

光電測(cè)煙儀是半自動(dòng)化的林格曼黑度測(cè)量?jī)x器，該儀器利用光學(xué)系統(tǒng)搜集煙的圖像，把煙的透光率和儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)黑度板透光率進(jìn)行比較，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)處理，把光信號(hào)變成電信號(hào)輸出，從而顯示煙氣的黑度。光電測(cè)煙儀比較客觀(guān)準(zhǔn)確，但不能在多云、大風(fēng)或雨霧天觀(guān)測(cè)。

基于視頻拍攝的遙感檢測(cè)法，是將圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)上，通過(guò)安裝在道路及路口的攝像頭抓取圖像，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，把汽車(chē)尾氣從圖像中分離出來(lái)，再將尾氣灰度與預(yù)設(shè)的林格曼標(biāo)準(zhǔn)圖譜比對(duì)，從而快速檢測(cè)出尾氣的林格曼黑度值。利用此項(xiàng)技術(shù)能準(zhǔn)確、快捷地對(duì)“黑煙車(chē)”進(jìn)行識(shí)別，大大降低了檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢測(cè)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

日趨嚴(yán)格的柴油車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，不僅促進(jìn)了柴油機(jī)降低煙度技術(shù)的研究和應(yīng)用， 同時(shí)也促進(jìn)了煙度計(jì)技術(shù)的發(fā)展。隨著新技術(shù)應(yīng)用，煙度計(jì)將會(huì)提供更加準(zhǔn)確可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，為降低PM2.5、保護(hù)環(huán)境提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

表1 3 種測(cè)量原理的煙度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)