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烟度排放标准及测量1. 柴油发动机的发展给我们带来了很多便利，但柴油机的排放污染物对人类健康和环境造成很大的危害,因此世界各国都制订日益严格的排放法规来限制柴油机的排放污染物水平。这些日益严格的排放法规不仅推动了发动机技术发展，同时也促进了发动机测试技术的发展。针对柴油机烟度排放，国内自从1983年来相继制定了一系列的法规和标准，以控制柴油机烟度排放污染。这不仅促进了柴油机降低烟度的技术研究和应用，而且烟度测试仪器及测试技术也得到了发展。2. 柴油机烟度排放标准的发展概况 从1983年以来我国相继制定了以下烟度排放标准及测量方法： l GB 3843-1983 柴油机自由加速烟度排放标准 l GB 3844-1983 汽车柴油机全负荷烟度排放标准及相应的测量方法 l GB 14761.6.7-1993 汽车柴油机烟度排放标准及相应的测量方法 l GB 3847-1999 压燃式发动机和装用压燃式发动机车辆排气可见污染物限值及测试方法 由于世界各国采用了不同的试验规范、不同的烟度计和不同的烟度单位，造成了测量柴油机烟度排放这一污染物的复杂性。统一试验规范和烟度测量仪器及烟度单位是人们的共同愿望。国家技术监督局99年3月发布了GB38471999压燃式发动机和装用压燃式发动机车辆可见污染物排放限值与测量方法，该标准等效采用了ECE R24。东风汽车工程研究院通过对我国原烟度排放标准与GB38471999标准对比研究，表明了该标准的先进性、科学性和实用性。3. 烟度排放测量技术与测试仪器 目前世界各国测量柴油机排气烟度普遍采用两大类测试仪器：滤纸式烟度计和不透光烟度计。 31 滤纸式烟度计 滤纸式烟度计测量原理：是将一定容量废气中的碳烟，积存在滤纸上，通过光电检测仪器测出被染黑滤纸的碳粒吸光率，以此代表排气烟度。PS为波许烟度，其单位为Rb。 早期国内滤纸式烟度计是根据1983年标准的要求而设计制造的，部分烟度计采用了德国Bosch公司的结构参数。烟度单位为波许烟度。测量方法中只对使用仪器的机械结构和光电单元进行定义，没有考虑外界环境（温度、压力）的影响，因此造成不同测量条件下所测得的烟度值有差异。正是由于滤纸式烟度计的上述问题，1990年国际标准化组织ISO制订了改进测量的标准，即：ISO10054。该标准对波许烟度进行准确规定，以FSN作为滤纸法烟度单位，对FSN烟度定义为：25、1bar下，有效烟柱长度为405mm时滤纸式烟度1FSN=1PS。为与国际标准相一致，我国于九三年对标准加以修订，标准号为GB14761.6.793，烟度排放标准采用FSN烟度单位。但国内并无符合该标准测量方法（FSN）的烟度测量仪器的生产厂，该类仪器主要靠进口，价格较高，无法广泛普及。因此绝大多数仍然沿用原来的滤纸烟度计（Bosch）。 目前，国内所用的滤纸式烟度计主要有德国BOSCH烟度计、国产佛山FBY型烟度计、奥地利AVL409、AVL415型烟度计，其中只有AVL415是以FSN为单位的滤纸烟度计。这些仪器的工作原理基本相同，但也存在较大差异。 这些差距主要表现在取样方式、滤纸有效面积等方面： 1) 取样方式差别。早期滤纸烟度计均采用活塞式抽气泵，取样容积为定值。取样活塞的运动依靠弹簧弹力或压缩空气推动。在一定的取样时间内，由于滤纸沉积碳粒，阻力增加，造成取样流量不均匀，从而影响烟度的测量。新型滤纸烟度计（FSN），以AVL415为例，它采用薄膜泵取样，通过孔板流量计、温度传感器、压力传感器控制取样流量，保证在一定取样时间内均匀抽取样气。由于AVL415烟度计可以改变抽气体积，因此可以在烟度值较小的测量工况保持很高的测量精度。另外，新型滤纸烟度计（FSN）对仪器的死区容积有精确的设定和计算，也就是说取样有效容积取样容积死区容积，从而减小不同取样管长度及取样管残余排气对测量结果的影响。 2) 滤纸有效面积差别。 滤纸有效面积主要取决于样气在滤纸上的染黑面积，不同生产厂根据标准规定滤纸有效工作直径（2632mm）来设计制造仪器，使得烟度计的结构参数各不相同，最终计算染黑度时的结果也会产生偏差。除上述两种情况外，还存在硒光电池、光电转换单元、取样管路长短等方面的差异，也会影响最终显示结果。由于上述各种种烟度计均符合早期和现行国内及国际烟度排放标准，各种老的型号规格的仪器在国内仍然沿用。因此作为法规试验、认证试验等，应采用基准烟度计，以保证试验结果的公正性和一致性。 32 不透光式烟度计 测量原理：测量光穿过被测的具有一定长度废气后到达接收器的那部分光与入射光的比例，从而确定废气的不透光特性。不透光烟度计基本原理是根据比尔-兰勃特（Beer-Lambert）定律。通常用测定光吸收系数或不透光度表示排气烟度，单位：m-1（或%）。 (1) 采用不透光烟度计的目的 由于滤纸烟度计所测的是滤纸的染黑度，因此所测的烟度排放值没有包含白烟、兰烟的影响。对于全负荷烟度排放的测量，其排烟基本由碳烟组成，并且工况比较稳定，因此采用该烟度计测量的结果比较可靠。但对于瞬态过程如自由加速测量，滤纸烟度计所测到的烟度排放值只是整个自由加速过程的积分值，而不透光烟度计则可以真实反映自由加速过程中的烟度变化情况。因此，瞬态过程的烟度排放测量应采用不透光烟度计。 根据欧洲排放法规要求，国内不透光式烟度计主要用于GB 3847-1999 压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法测量排气中的可见污染物，如黑烟、蓝烟、白烟。 (2)不透光烟度计根据其不同的结构及取样方式又分为全流式和分流式。各种不透光烟度计在实际应用中有所区别：如应用于发动机试验台架测量的不透光烟度计主要是取样安装位置要求，整车排气尾管无法满足。也就是说如果在整车测量中能够满足仪器取样系统的安装要求同样可以适用。 而用于整车尾气测量的不透光烟度计就不太适用于发动机试验台架测量应用。这主要是因为该类仪器从经济实用的角度考虑，在取样系统设计中无取样温度及压力调节控制，样气主要是靠发动机的排气背压压入检测室，发动机的排气背压对其测量影响较大。因此该类不透光烟度计的取样点在消声器之后，利用整车排气管消声器起稳压作用，以确保测量稳定及重复性。其主要应用于整车自由加速尾气烟度排放测量。虽然不透光烟度计的测量原理基本相同，但由于不同生产厂商结构设计及电信号处理上的差别，其不同仪器在测量结果上存在差异。三种有代表性的不透光烟度计（AVL439、Celesco-107、Hartridge MK3）进行台架试验对比试验的结果表明（参照滤纸烟度计FSN）：在全负荷烟度测量中，三种不透光烟度计测量值较接近，并且与滤纸烟度计测量值对应关系基本一致。但对自由加速烟度，AVL439、MK3测量值很接近，C-107测量值与AVL439、MK3测量值相差一倍。造成这个差别的原因主要是：C-107为全流式，由于检测单元直接夹装在排气管段或排气管尾端，无取样系统，且反应灵敏，无滤波方式，所测值为柴油机自由加速烟度的瞬态峰值。但该仪器的响应特性与现行法规要求不配套，它是根据美国排放法规要求而研制，既不适合欧洲排放法规，也不满足现行GB3847-1999标准烟度排放测量。 AVL 439为分流取样式，配备了对检测气室温度、压力和流量控制单元，确保测量的稳定性和重复性。能连续测量全负荷不透光烟度，自由加速不透光烟度，满足现行GB3847-1999标准。 Hartridge MK3为分流取样，可以连续测量烟度变化情况，测量结果低速段与AVL439基本一致，高速段差异较大。试验分析Hartridge MK3仪器较简单，检测室无压力、温度、流量控制，在高速段受取样排气温度和排气背压影响较大所致，测量结果不稳定。另外Hartridge MK3在测量中由于瞬态响应受排气充满取样室所需时间（传递时间约为0.20.6s）和取样管路长度的限制，所以不推荐用于瞬态烟度测量。（下图给出的对应关系只能供参考之用） 4. 未来烟度排放与烟度测试技术的发展 从1983年1999年排放法规的不断修订过程中可以看到，排放法规及限值在日趋严格。近期国内已经开始“空气净化工程清洁汽车行动”以降低汽车排放污染、净化空气为目标，以高新技术的开发、应用、推广为依托，推动科技与产业的结合。作为柴油车的重要排放物之一的烟度排放势必进一步降低。因此一方面法规部门应继续制定新的标准，客观地、积极地引导柴油机技术发展；另一方面试验部门、烟度计生产部门也应着手研究适应未来低烟度排放标准的测量方法及测试仪器。 5. 结论 1) 在用滤纸式烟度计进行法规试验时，应采用统一的基准烟度计。但考虑到国内大部分发动机生产厂仍然沿用的各种滤纸烟度计（Bosch单位），建议探索Bosch-FSN测量值修正的方法，使得测量结果具有可比性。 2)应采用能精确检测低排放烟度的测量仪器，如AVL415滤纸烟度计，在测量时可通过定取样容积来提高偏低烟度的测量准确性。 3) 针对欧洲排放标准，特别是即将推行的欧洲III法规，必须采用不透光烟度计。 4) 对不透光烟度计，为保证烟度测量值的可比性和测量精度，在引进和生产不透光烟度计时，必须考虑到我国法规体系对与之配套的烟度计特性的要求。 5) 在不透光烟度计选型时，应考虑实际应用的场合及目的，合理选用仪器。应及早研究适应未来烟度排放标准的测试方法和仪器标准。