近几年, 中国遭受雾霾天气和酸雨天气的危害, 这些空气污染现象覆盖面积之大持续时间之久逐渐成为影响我国发展的问题, 国家对大气污染的治理和监管力度逐年加大, 其中对发动机尾气排放尤为关注, 制定的减排法律法规也愈发严格。 NO_x作为主要的排放污染物, 对人类有很大危害, NO_x对眼睛和上呼吸道粘膜有刺激, 进入肺部生成硝酸和亚硝酸具有腐蚀性, 会引起肺水肿。 此外, NO_x在大气中发生复杂的化学反应, 形成酸雨与光化学烟雾对人与自然都有严重的危害。 柴油机作为一种主要的发动机, 减少其尾气中NO_x污染物的排放势在必行。 目前, 仅仅依靠机外减排装置已不能保证发动机排放量满足排放法规的严格要求, 要从根本上解决发动机的NO_x排放问题必须从源头上减少NO_x的产生, 对发动机燃烧环节进行有效控制, 可有效避免NO_x的大量产生。 并且尾气中的NO_x浓度从侧面反应出了燃烧情况, 利用它的信息可以实时的监视柴油机的燃烧情况, 以优化燃烧环节, 减少污染物的生成, 使尾气中的污染物含量满足排放法规的要求。

鉴于柴油机排放的复杂特性^[1], 选择一种适用于柴油机排放测试的检测方法尤为重要。 传统的排放物检测方法大多采取化学采样的方式^[2]。 例如, 操作简单直接、 方法灵敏度高的化学反应检测法^[3], 又如通常用来检测尾气中NO_x组分的化学发光法^[4]和电化学法。 上述方法虽然可以在一定程度上满足测量要求, 但是这些方法容易受到尾气中水气及杂质的影响, 常需要对排放的污染物进行脱水、 除尘等操作, 以消除采样气体中杂质对测试结果的影响, 使检测过程变得复杂; 另外, 处理后的样气还需进行特殊的测试环节, 使测试时间增加。 光谱检测技术的迅速发展在一定程度上解决了这个问题, 例如傅里叶变换红外光谱技术、 不分光红外吸收法, 但是由于这两种方法属于采样测试法, 在时间响应特性上不理想^[5], 又如差分吸收光谱技术, 受测试环境的影响较大。

要实时的监控排放污染物的含量以用来监控柴油机燃烧环节, 这就要求排放物的检测系统必须要有高精度、 便携性、 实时在线测量的性质。 传统的测试技术均无法满足这些要求, 因此, 针对柴油机排放的瞬变性, 开发新型的排放污染物组分浓度在线检测技术显得十分重要。 光谱测量作为一类应用广泛、 优势明显的测试技术, 受到广泛关注。 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)属于光谱测量的一种, 以可调谐激光器作为光源, 利用Beer-Lambert吸收定律中光强吸收率与测量气体浓度之间的关系实现气体浓度的测量。 一方面, 由于TDLAS技术是用窄波段进行扫描, 扫描时间短, 提高了该项技术的动态响应特性; 另一方面由于TDLAS技术对测试条件要求不高, 在测试过程中避免了预处理环节, 另外测试原理简单, 所需的实验设备较少。 因此该测试方法动态响应特性好, 可实现实时测量, 而且测试精度高也是其优点之一。 另外, TDLAS技术具有很强的环境适应能力, 适用于复杂条件下的气体浓度检测。 综上所述, TDLAS技术的测试方法可以实现柴油机污染物排放组分浓度的高精度在线测量、 可以有效解决现有测试方法及测量仪器无法实现柴油机污染物排放在线测量的问题。

自20世纪70年代起, 国外研究人员就针对TDLAS技术开展了大量的相关研究工作。 但受限于半导体激光器件的制备, TDLAS技术直到上世纪90年代才得到快速发展, 进入21世纪高精度、 高灵敏度、 高时间分辨率成为TDLAS技术的发展趋势。 近几年Krzempek与Jahjah^{[6, 7]}等进一步的研究此项技术在痕量气体检测中的应用, 并可达到ppt量级的精度。 与此同时, TDLAS技术同样被认为在燃烧诊断技术中具有一定的应用前景, 在燃烧诊断领域得到了广泛的应用。 Lefkowitz和Sane^{[8, 9]}等将此技术用于对燃烧产物的测量监控, 进一步扩大该项技术的适用范围。

国内对TDLAS技术的研究起步较晚, 安徽光机所在20世纪90年代开展了TDLAS检测相关研究工作^{[10, 11]}, 随后其开发的TDLAS检测系统在大气检测及工业领域得到了应用, 另外, 浙江大学^{[12, 13]}将TDLAS技术应用于燃烧诊断研究, 取得了较为理想的研究成果, 中科院力学研究所、 天津大学、 哈尔滨工业大学等单位也相继开展相关研究工作, 并报道了一系列有价值的研究成果。 鉴于TDLAS技术高灵敏度、 高精度、 高时间分辨率等优点, 本文中开展基于TDLAS技术的柴油机污染物NO_x排放浓度的在线测量, 旨在为研究柴油机排放性能、 优化柴油机燃烧及控制策略提供有力支撑。

TDLAS技术属于分子吸收光谱技术, 以Beer-Lambert吸收定律为基础, 原理图如图1所示。 当一束单色激光穿越气体介质时, 其强度变化可表示为

ItI0=exp[-PS(T)ϕ(ν)XL]=exp[-α(ν)](1)

图1

Fig.1

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	图1 Beer-Lambert原理简图Fig.1 The principle sketch of Beer-Lambert

式(1)中: I₀为无气体吸收时的参考激光强度, I_t为光束穿过气体介质时经气体吸收后激光强度; S(T)[cm^-2· atm^-1]为该气体特征谱线的线强度, 它表示该谱线的吸收强度, 只与温度有关; P[atm]为气体介质的总压; L[cm]为激光在气体中传播的距离; X为气体的体积浓度; Ф (ν )[cm]为线型函数, 它表征了被测吸收谱线的形状, 与温度、 压力和气体中的各成分含量有关。 这是TDLAS技术的理论依据。

在进行浓度值反演时: 气体介质的总压力P、 激光在气体中传播的距离L为定值, 线形函数在整个频域范围内积分 ∫-∞+∞ϕ(ν)dν=1, 所以只有吸收谱线线强 S(T)未知。 根据上式进行变化并积分可得到式(2)

X=∫-∞+∞-lnItI0dνPS(T)L=APS(T)L (2)

当被测分子确定后, 其确定谱线线强只与环境温度有关, 线强函数表达式如式(3)

Si(T)=Si(T0)Q(T0)Q(T)T0Texp-hcE″ik1T-1T0×1-exp(-hcν0, i/kT)1-exp(-hcν0, i/kT0)(3)

式(3)中: S(T₀)是参考温度T₀下的吸收谱线强度值; h为普朗克常量; c为光速; k为玻尔兹曼常数; ν ₀为跃迁频率; E″_i为低跃迁态能量, Q为总的分子内部配分函数。 配分函数由三部分组成, 分别是转动配分函数Q_rot(T)、 电子配分函数Q_elec(T)和振动配分函数Q_vib(T), 分子配分函数可以表示为式(4)

Q(T)=Qelec(T)Qvib(T)Qrot(T)(4)

可见分子配分函数是温度T的单参量函数, 为研究方便通常采用多项式拟合的方法得到配分函数。

Q(T)=a+bT+cT2+dT3(5)

根据式(2), 各个参数确定后即可求出被测量气体的体积浓度值。

为验证TDLAS系统在柴油机尾气检测方面的可行性, 实验小组在D4114B型柴油机上开展NO_x排放在线测试研究, D4114B柴油机参数如表1所示。 为实现柴油机排放组分浓度的瞬态在线测量, 避免采样过程中组分的变化以及测试结果在时域内的延迟, 选择在排气管道上进行激光对射方式测量。 在管道上改造两个位置对称、 通光口径为20 mm的CaF₂材料透明窗口, 使测试光穿过排气管直接照射在探测器上, 实验中测得系统光程为100 mm。 其实物图如图2所示。 柴油机排放中具有复杂的成分, 为避免其他成分对NO_x测量的影响, 谱线选择时需考虑组分间的干扰问题。 针对微粒, 由于基于TDLAS的直接量法, 在计算时用到的是光的吸收率, 微粒对光的散射作用可以被忽略。 其他气体, 如HC, N₂, CO₂和H₂O等, 由于气体的选择吸收性, 通过合理的选择谱线可以避免其影响。 考虑到柴油机工作过程中NO_x排放量的范围, 实验中选取了基频吸收带1 900.070 5和1 626.919 cm^-1处的两条谱线分别测量NO及NO₂的浓度。 利用HITRAN数据库模拟了两条谱线在特定条件下的吸光度, 如图3所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 D4114B型柴油机参数表 Table 1 Engine specifications of D4114B 参数 数值 参数 数值 缸径× 行程/mm 114× 130 气缸数 4 燃料比/(mm3· CY-1) 81 喷孔数 6 额定转速(r· min-1)/功率(kW) 1 500/90 压缩比 17.3:1 排气量/L 5.308 排放指标 Euro-Ⅱ

表1 D4114B型柴油机参数表 Table 1 Engine specifications of D4114B

图2

Fig.2

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	图2 D4114B柴油机排放在线测试图Fig.2 The picture of online testing for the diesel engine of D4114B

图3

Fig.3

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	图3 NO及NO2分子吸收谱线吸光度Fig.3 The absorbance of absorption spectrum for NO and NO2

选择两台德国Nanoplus公司生产的带间级联激光器(ICL)作为测试系统光源, 参数分别为: 输出中心波长为5 263 nm的激光器, 调谐范围为5 262~5 265 nm, 调谐电流为0~90 mA, 作为NO的测试光源; 输出中心波长为6 140.37 nm的激光器, 调谐范围为6 138~6 142 nm, 调谐电流为0~110 mA, 作为NO₂的测试光源。 为了简化系统, 采用双光束共通道的方法, 即在通过排气管前将两束测试光进行合束, 经过排气管后将合束的激光用镀膜的镜片分束, 用两台独立的Thorlabs公司生产的热式探测器对两束信号光进行测量, 将所得到的数据同时送入信号处理模块, 以实现对NO分子及NO₂分子浓度的同步测量, 测试方案如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 柴油机NOx排放在线测量方案示意图Fig.4 The schematic diagram of online measurement program for diesel engine NOx emission

实验小组采用TDLAS技术对所选柴油机进行实测, 鉴于D4114B型柴油机工作循环时间以及浓度反演过程所需数据点的个数, 实验选用1 kHz的锯齿波进行扫描, 数据处理过程中利用100个周期的测量结果进行拟合, 可获得100 ms的时间分辨率。 试验中, 首先在三个不同的工况点进行研究, 分别是: 转速700 r· min^-1功率10 kW; 转速1 000 r· min^-1功率10 kW; 转速1 000 r· min^-1功率为20 kW。 得到原始数据, 如图5(a), 根据不同工况下产生的NO浓度不同, 得到吸收峰处的吸收情况不同, 锯齿波的凹陷程度不同, 对得到的NO检测信号的吸收率进行拟合, 拟合结果如图5(b), 可以看出, 不同工况下NO气体的光谱吸收谱差异较为明显。 同理可得到NO₂的拟合曲线, 进而可以反演出NO气体及NO₂气体浓度信息。 为避免不同工况下排放环境参数对测试结果的影响, 试验中采用热电偶测量排气的真实温度, 用压力传感器测量真实压力, 在计算前对温度和压力参数对气体特征谱线的线强度与线型函数进行模拟, 得到它们在温度及压力变化时的规律, 结合实测的压力及温度值, 在计算中将这种变化规律引入到计算过程中作为压力及温度修正算法, 得到更加准确的气体浓度值。 得到的NO气体及NO₂气体浓度如表2所示。 另外, 根据所选谱线的特性, 以及测试系统中硬件系统的性能参数指标, 在该光程下得到测试系统对NO与NO₂的探测极限分别为100与10 ppb。

图5

Fig.5

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	图5 不同工况点下NO气体直接检测信号曲线 (a): 原始数据; (b): 拟合数据Fig.5 The direct detection signal curve of NO on different operating conditions (a): Raw data; (b): Fit data

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同工况点下NOx组分浓度测试值 Table 2 The measurement of NOx component concentrations on different operating conditions 转速 /(r· min-1) 功率 /kW NO浓度 /ppm NO2浓度 /ppm NOx浓度 /ppm 700 10 195.7 14.7 210.4 1 000 10 223.9 14.8 238.7 1 000 20 335.2 21.1 356.3

表2 不同工况点下NOx组分浓度测试值 Table 2 The measurement of NOx component concentrations on different operating conditions

从表2中看出不同工况下NO及NO₂的浓度存在一定的差异。 为验证TDLAS技术测试结果的准确性, 试验中将在稳定工况下获得的NO_x排放浓度值结果与AVL公司AMAi60排放分析仪的测试结果进行对比。 排放分析仪的参数如表3所示, 表4中列出了柴油机运行过程中利用TDLAS技术获得的NO_x浓度值与AVL排放分析仪获得的数据比对值。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 AVL AMA i60型排放分析仪参数表 Table 3 AVL AMA i60 emission analyzer specifications 测试方法 化学发光检测法 测试范围 约3~500 ppm 测试极限 ≤ 最低测量范围的0.3% 误差范围 ≤ 2% 采样气流速 约80 L· h-1 采样气露点 露点≤ 55 ℃(131 ℉) 采样气进气压力 atm± 300 hPa rel./atm± 4.35 psi rel. 采样气颗粒物 颗粒≤ 5 μ m 采样时间 ≤ 1 s 采样体积 22 mL

表3 AVL AMA i60型排放分析仪参数表 Table 3 AVL AMA i60 emission analyzer specifications

从表4中可以看出, 基于TDLAS技术的柴油机NO_x排放浓度在线测量方法具有较好的测试精度, 与AVL排放分析仪的测试数据相比偏差小于5%。 偏差的主要原因在于AVL的排放分析仪采用恒温采样法, 采样周期较长, 导致尾气中NO_x的浓度发生一定程度的变化; 以及测试时光的能量波动、 计算初始光强拟合准确性、 背景噪声等因素对测试系统计算的影响。 基于TDLAS技术的柴油机NO_x排放在线测量具有较高的测试精度, 可满足柴油机尾气排放在线测试的需求。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 排放分析仪及TDLAS系统NOx排放在线测试数据 Table 4 NOx emission online test data of emission analyzer and TDLAS system AVL排放分析仪测试 浓度NOx/ppm TDLAS系统测试浓度 NO/NO2/ppm 相对误差 /% 238.7 209.2/16.2 4.8 356.3 316.2/24.8 4.2

表4 排放分析仪及TDLAS系统NOx排放在线测试数据 Table 4 NOx emission online test data of emission analyzer and TDLAS system

此外, 实验小组开展了相同转速不同负载工况下(发动机转速为700, 800和1 000 r· min^-1条件下不同功率输出)的在线测试实验研究。 图6显示了不同工况点NO_x的排放特性。

图6

Fig.6

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	图6 稳定转速下不同功率点下NOx排放浓度曲线Fig.6 Concentration curve of NOx emission on steady speed and different power

从图6中可以看出, 同一转速下输出功率由0~40 kW的上升过程中, NO_x的排放量随着输出功率的增加而增加, 当功率升至30 kW后, 燃料燃烧充分, 增加功率只是增加燃料的量, 并且增加的燃料也充分燃烧, 所以NO_x排放量趋于稳定。

随后开展了稳定功率点下不同转速时排放物中NO_x组分浓度变化情况的实验研究, 如图7所示。 从图中可以看出随着转速的升高, 柴油机NO_x排放浓度呈下降趋势。 实验表明, 上述两种测试结果与柴油机的实际工作性能一致, 符合柴油机尾气排放中NO_x的普遍变化规律, 所以利用TDLAS技术可实现柴油机排放NO_x组分浓度的在线测量, 可为研究柴油机的燃烧过程、 优化燃烧提供一定的数据支撑。

图7

Fig.7

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	图7 稳定功率输出下NOx排放随转速的变化曲线Fig.7 NOx emission curve changed with rotational speed variation on steady power

最后, 为了研究TDLAS测试方法的动态响应特性, 在实验中记录了柴油机工况改变瞬间, 利用TDLAS测试系统获得的NO_x排放浓度值, 如图8所示。

图8

Fig.8

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	图8 柴油机转速增加过程NOx瞬态排放测量值Fig.8 The measurement of NOx transient emission in the process of rotational speed increase of diesel engine

从图8中可以看出, 在功率10 kW不变的情况下转速由700 r· min^-1增加至1 000 r· min^-1的过程中, NO_x排放浓度存在明显的跳变, 由稳定状态下平均210 ppm跳变至最大值868 ppm, 整个过程持续时间为2 s, 在一定时间后达到稳定状态, 稳定后NO_x排放值由210 ppm增加至228 ppm。 所以TDLAS测试系统有高动态响应特性, 利用该测试系统可以分析变工况状态下柴油机的瞬态排放特性, 进而分析研究柴油机的工作过程, 对优化控制策略、 优化柴油机性能具有重要的意义。

(1)应用TDLAS技术的检测方法得到的测试结果与排放分析仪的结果相比较, 偏差小于5%。 TDLAS系统的测试精确程度基本满足内燃机排放气体组分浓度的测试要求。

(2)TDLAS直接检测法具有方法简单、 信号直观等优点, 同时直接检测法通过计算分子光谱吸收率来获得被测组分浓度信息, 不受初始光强损耗的影响。 另外, 直接检测法可获得被测组分浓度的绝对量值, 无需标定环节。 适用于柴油机不同工况下排放污染物的实时在线检测。

(3)TDLAS测试系统有高的动态响应特性, 可用于柴油机排放在线检测, 分析变工况状态下柴油机的瞬态工作过程, 对优化控制策略、 优化柴油机性能具有重要意义。