摘要：柴油机尾气污染已成为移动源排放污染的重要来源之一，据统计，全国柴油机械排放尾气中的可吸入颗粒物占到全国机动车排放量总量的90%，而排放的氮氧化物已接近机动车排放总量的70%。最近二十多年来，柴油发动机排放中PM对大气的污染已经引起了国内外研究部门和政府有关部门越来越多的关注。本文主要介绍柴油机械的尾气构成、尾气排放对社会的危害以及常用的测试柴油机械尾气的办法，意在提醒相关人员重视提高柴油机械排放水平的研究，更好的改善生活环境质量。
关键词：柴油机；尾气构成；测试
1柴油机尾气构成及危害
随着社会经济建设的发展，机械化程度普遍提高。在装配内燃动力装置的机械中柴油机械的应用很广泛，占据了绝对的高比例，如远洋轮船、工程机械、农业机械、军工机械、发电机组等均以柴油机为主要动力，因此柴油机械的尾气排放日益成为社会环境问题的焦点之一。
柴油机尾气具有复杂的化学构成，其主要成分是颗粒物（PM）和氮氧化物，其他还包括一氧化碳、碳氢化合物、二氧化硫、烟尘微粒（某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾）、臭气（甲醛等）等成分，并且随着发动机的工况变化，尾气的组成也会有差异。柴油机与汽油机尾气相比：HC和CO排放量较少，一般只有汽油机的1/10；NOx排放量与汽油机大致处于同一数量级；而PM的排放量约为汽油机的几十倍。因此分析柴油机尾气的危害，主要考虑是PM和氮氧化物对人体的危害。
这是因为：
1、柴油机尾气中的PM被有机溶剂萃取后，其馏分（SOF）中多环芳烃化合物（PAC）中的一部分被发现是致癌的；
2、柴油机尾气中的PM大小基本在10μm以下，而其中90%颗粒物要小于1μm，这样的微粒成分很容易被人体吸入，较容易引起慢性气管炎和肺气肿；
3、柴油机排出的NOx中，NO约占90%，该气体浓度较高时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛，而且排入大气后会逐渐被氧化为有刺激性气味、毒性很强（毒性大约是NO的5倍）的红棕色气体——NO2，可对人的呼吸道及肺造成损害，严重时能引起肺气肿，甚至导致生命危险。
最近二十多年来，柴油发动机排放中PM对大气的污染已经引起了国内外研究部门和政府有关部门越来越多的关注。2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，柴油发动机排气在一类致癌物清单中。因此，世界各国都在加紧制定更加严格的标准，大力限制柴油发动机尾气的排放量，努力减小其危害程度。
2柴油机机械的尾气的测试技术
2.1 柴油机械尾气的测试目标
柴油机尾气的测试途径主要有台架试验测试和整机装机测试两种。台架试验是针对发动机本体的，就是将发动机安装在专用的测试台架上，用气体分析仪和烟度测试仪进行排放测量。柴油机械的尾气测试，就是将柴油机安装在机械上，通过机械做不同的动作来测量在特定工况下的尾气排放值。本文主要是介绍柴油机械的尾气排放测试技术，对于发动机台架测试不作介绍。
柴油机械尾气中化学的组分需要用专用的气体分析仪器来进行。大致测试原理为：尾气从被测车辆排气管排出，由采样系统采集尾气样气传输至气体预处理系统，气体预处理系统会将尾气中颗粒物有效滤除后送入气体分析系统，分析系统通过光学分析得到一氧化碳、碳氢化合物、二氧化硫、烟尘微粒（某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾）、臭气（甲醛等）各个成分的浓度；对于柴油机来说，由于过量空气系数较汽油机高，排出的废气成份中CO含量极低，因此尾气中的CO都难以测得；一般来说对于尾气中化学成分的测试，可以根据所关注的成分采用专用的测试分析仪即可实现，不做具体介绍。
对于颗粒物（PM）的测量主要是对排气稀释过滤称重。国标中使用两张标准滤纸，启动颗粒物取样系统，在按照规定的工况运行完以后，对滤纸再称重，与之前称重的滤纸净质量之差值即颗粒物总量。它的测试手段比较单一，也不过多介绍。
碳烟（PM）的大小在10μm以下，是尾气中极易被人体吸入的颗粒，危害性极强，因此一般讲柴油机的尾气测试主要是指对尾气烟度的测试。
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2.2柴油机尾气烟度的测试
烟度的测试方法常用的主要有两种：过滤法和光透过法。
1、过滤法（Filtering Method）：以一定量的排气样气通过滤纸，以滤纸上留下的碳粒重量或以滤纸表面的光反射率来比较测量。
过滤法测量的缺点是不能测量排气中的蓝烟和白烟，滤纸透气性和白度等影响，很难与柴油机自由加速开始冒烟时刻同步，只能测量出自由加速烟度排放大小的特性曲线积分值，但该方法所使用的测试仪器轻巧便于携带，取样装置结构牢靠、简单，能承受试验台上恶劣的工作环境、对技术能力要求又不高，所以在国内应用仍然非常广泛。
2、光透过法（Light Extinction Method）：利用排气流粒子吸光特性来测量，即在排气管出口一定距离的直径方向的光的透过度来测量。该方法主要靠不透光烟度计来测定，计量单位有两种：绝对光吸收系数单位（或称为不透光系数k），从0到趋于∞，单位m-1；另一种为不透光度的线性分度单位（不透光度N），从0到100%。两种计量单位的量程，均以光全通过时为0，全遮挡时为满量程。该测量方法的优点：不透光式烟度计既能测量以碳微粒为主的黑烟，又能测量冷起动所产生的白烟和蓝烟，相对于滤纸式烟度计具有准确度高、稳定性好、量值溯源准确可靠、人为影响因素少、操作简便、具有兼容性等优点。因此，过滤法正逐渐被光透过法所取代。
2.3柴油机械的烟度测试
柴油机尾气中烟度的测量，在欧1、欧Ⅱ标准中要求用自由加速烟度和全负荷烟度，在欧Ⅲ中主要是测量负荷烟度试烟（ELR）循环中的加速烟度，即在发动机四个不同的转速下，将发动机的负荷由10%突加到100%，采用某种算法取其中烟度的峰值，作为ELR循环的指标，用该指标来判定柴油机排烟度的数量级。在北京，针对非道路用柴油机械（挖掘机、装载机、叉车、挖掘装载机）明确要求按照《DB11/184-2013<在用非道路柴油机械烟度排放限制及测量方法>》中推荐的自由加速法、自由加载法和林格曼观测法进行，简单介绍下：
1、自由加载法
对在用非道路柴油机械的烟度测试采用现场加载测量法，在机械连续工作过程中（例如装载机从铲土到装载完毕的全过程，挖掘机从挖土到卸载土的全过程），用不透光烟度计测量柴油机排气光吸收系数的最大值，作为测量结果。
2自由加速法
柴油机应充分预热后，测试人员稳定快速的将油门踏板连续但不粗暴地完全踩到底，使喷油泵供给最大油量，在松开油门踏板前，发动机应达到断油点转速，这一过程中用不透光烟度计测量柴油机排气光吸收系数的最大值，作为测量结果。
3林格曼烟度法
林格曼烟气图是十九世纪末法国的科学家林格曼（Ringelmann）提出的。这种方法是把图放置在适当的位置上，使图上的黑度与烟气的黑度（或不透光度）相比较，凭视觉进行评价。由测试人员对柴油机械在连续加载过程中（如装载机从铲土到装载完毕的全过程）或模拟机械任何工况下所排放气体的黑度，来确定林格曼烟度值。
三种测量方法中自由加速和自由加载法均由不透光烟度计测试，准确度高、稳定性好、量值溯源准确可靠、人为影响因素少、操作简便、具有兼容性等优点。而林格曼烟气测试，由于是利用视觉进行判断所观测到的黑度级，受天气、光线、排气口位置和形状等影响较大，此外烟气成分对观测的影响较大，如形成水汽（在水分较高的情况或冬季往往出现）和其它白色烟气的情形，就难以判定；同时不同的人员判断结果也有所不同，在准确性方面有一定的难度。因此，作为严肃性的检测工作时，测量柴油机的烟度应使用自由加速或自由加载法。
结束语
柴油机械的尾气测试技术的发展仅仅是加强了大气治理的监管手段，并不是治理尾气的有效途径，真正有效办法是真正提升柴油机产业技术的升级。本文通过对柴油机械尾气的构成及危害分析，梳理出常用的测试柴油机械尾气的途径与办法，争取呼吁到更多的机构、社会和个人力量参与到身边柴油机械尾气排放的监视活动中来，在蓝天保卫战中更好的献计献策。
参考文献：
[1]王志新，吉学之，支怀斌.浅谈柴油机排放中的颗粒与烟度[J].柴油机，2006（6）：19-21.
[2]刘勇.非道路移动机械尾气排放控制的现状与技术[J].中小企业管理与科技旬刊，2017（4）：115-116.
论文作者:赵静静,孙昌元
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/9/11
标签：尾气论文; 柴油机论文; 测试论文; 机械论文; 柴油论文; 测量论文; 滤纸论文; 《基层建设》2018年第21期论文;