柴油車尾氣煙團(tuán)不透光煙度儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

竇蒂+趙艷梅+樊海春+張濤+汪鋒

摘要：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一款新型遙測(cè)式不透光煙度計(jì)。詳細(xì)闡述了環(huán)境因素對(duì)遙測(cè)儀的影響，并對(duì)其未來(lái)進(jìn)行了展望，以期提供參考。

關(guān)鍵詞：不透光度；汽車尾氣；遙測(cè)；黑煙

中圖分類號(hào)：TK427

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2017）14-0007-02

1 引言

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，空氣污染物PM_2.5的來(lái)源中，汽車尾氣污染占比25.1%，位居首位[1]。要搞好汽車排放污染物的監(jiān)控與防治，首先必須做好檢測(cè)工作[2]。

早期測(cè)量機(jī)動(dòng)車尾氣“黑煙”的儀器主要有三類：濾紙式煙度測(cè)量?jī)x、視頻抓拍識(shí)別系統(tǒng)、不透光煙度計(jì)[3，4]。濾紙式煙度計(jì)只能對(duì)廢氣作抽樣試驗(yàn)，不能作連續(xù)測(cè)量，測(cè)量耗時(shí)，費(fèi)人力，同時(shí)測(cè)量精度不高。視頻抓拍設(shè)備的判斷結(jié)果與拍攝角度、車輛速度等因素有關(guān)，受外界天氣影響較大，夜晚無(wú)法正常使用。傳統(tǒng)不透光式煙度儀雖然測(cè)量結(jié)果輸出較快，但需要在特定環(huán)境下，人工操作，同樣無(wú)法在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，失去模擬現(xiàn)實(shí)測(cè)量的意義。

雖然傳統(tǒng)“不透光煙度計(jì)”存在各種不足，但它仍然是對(duì)真實(shí)工況、瞬態(tài)過(guò)程煙霧排放的最直接、最有效、最快速的測(cè)量手段[5]。對(duì)于瞬態(tài)過(guò)程如自由加速測(cè)量，不透光煙度計(jì)可以真實(shí)反映自由加速過(guò)程中的煙度變化情況。

2 遙測(cè)式不透光煙度計(jì)的設(shè)計(jì)

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，筆者設(shè)計(jì)了遙感監(jiān)測(cè)式不透光煙度計(jì)[6]，包括光路系統(tǒng)中的綠色激光發(fā)射器、準(zhǔn)直透鏡、鮑威爾棱鏡、菲涅爾透鏡、直線性菲涅爾透鏡、PDA光電二極管接收器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

此系統(tǒng)采用單一光源，降低了成本；采用外置密封箱，可有效去除光路外所產(chǎn)生的雜散光和軸外光的干擾；新型接收器靈敏度高、信噪比大、熱穩(wěn)定性好、所采集數(shù)據(jù)精度高；本系統(tǒng)光域覆蓋面寬泛，可測(cè)定的大氣中污染物懸浮顆粒直徑大于20 μm。其可廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢氣、施工揚(yáng)塵、汽車尾氣等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及在線監(jiān)測(cè)。

其工作原理是：由遙測(cè)儀的主機(jī)發(fā)出一束橫穿馬路的國(guó)標(biāo)532nm綠光，當(dāng)汽車通過(guò)時(shí)，激光穿透被測(cè)煙氣照射到光電接收管上產(chǎn)生電信號(hào)，光線通過(guò)煙氣的濃度越大衰減越大，光電接收管上產(chǎn)生電信號(hào)越小，綠光的光譜強(qiáng)度產(chǎn)生的電信號(hào)送到運(yùn)算放大器放大，然后送到AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，由數(shù)碼管或液晶屏顯示測(cè)量數(shù)值。

具體原理如圖1所示。

影響因素。設(shè)計(jì)中，補(bǔ)償影響因素是一個(gè)難點(diǎn)。檢測(cè)前需要增加氣象多參數(shù)的檢測(cè)：溫度、壓力、濕度、風(fēng)速及風(fēng)向等。

（1）溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。環(huán)境溫度變化主要影響空燃比的變化。溫度越高則大氣的密度越小，根據(jù)流體力學(xué)原理，大氣流動(dòng)速度就會(huì)加快。那么在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入氣缸的混合氣體不變的情況下，混合氣體就越稀?；旌蠚獾目杖急却笥诶碚摽杖急?，此時(shí)氣缸內(nèi)混合氣燃燒完全，因此CO的生成量減少，CO排放也隨之減少。黑碳微粒的析出就會(huì)減少，測(cè)量值也會(huì)偏低，所以通過(guò)作補(bǔ)償曲線來(lái)補(bǔ)償這部分損失。

（2）壓力對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。通入氣缸的氣體為空氣和燃油的混合氣，燃油進(jìn)入氣缸的量是固定的，當(dāng)大氣壓力變化時(shí)，氣缸內(nèi)、外壓力差比較大，此時(shí)進(jìn)入氣缸內(nèi)的大氣多少取決于外界大氣壓力。大氣壓力越低，進(jìn)入氣缸的空氣越少，此時(shí)氣缸內(nèi)的混合氣越濃，自然空燃比就越小，混合氣燃燒不充分，CO生成量增加。黑煙也會(huì)相應(yīng)增多，導(dǎo)致測(cè)量的不準(zhǔn)確。

（3）濕度的主要影響是水蒸氣產(chǎn)生的白煙也會(huì)削弱煙度的程度，使測(cè)量結(jié)果偏小，需要補(bǔ)償。

（4）風(fēng)速與風(fēng)向直接影響剛排出的尾氣擴(kuò)散的速度，風(fēng)速越大，氣體擴(kuò)散越快，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏低。

3 展望

遙測(cè)式不透光煙度計(jì)擁有獨(dú)一無(wú)二的非接觸、快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)等突出的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，完全可以替代所有在用的其他對(duì)“黑煙”尾氣測(cè)量的設(shè)備，是我國(guó)乃至世界在未來(lái)5～10年中對(duì)車輛尾氣監(jiān)測(cè)中不可替代的最優(yōu)選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]范秀英，張 微，韓圣慧. 我國(guó)汽車尾氣污染狀況及其控制對(duì)策分析[J]. 環(huán)境科學(xué)，1999（5）：105～111.

[2]張 蕊，張 健. 淺談柴油車尾氣排放控制技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 科技信息，2013（22）：330.

[3]高占斌，張?zhí)煲?，?輝，等. 柴油機(jī)煙度測(cè)量方法研究[J]. 集美大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（3）：235～238.

[4]滕 勤，劉一鳴，夏順禮，等. 取樣式不透光煙度計(jì)的設(shè)計(jì)[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2002（6）：25～29.

[5]郭 鵬，耿世彬，韓 旭，等. 兩種煙度計(jì)在柴油機(jī)排氣凈化裝置檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)，2008（1）：31～33.

[6]JJG（京） 45-2011，遙感式汽油車排放有害氣體檢測(cè)儀[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.