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利用可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放温度测试研究

袁志国 马修真 刘晓楠 穆彦龙 杨晓涛

袁志国, 马修真, 刘晓楠, 穆彦龙, 杨晓涛. 利用可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放温度测试研究[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 281-289. doi: 10.3788/CO.20201302.0281
引用本文: 袁志国, 马修真, 刘晓楠, 穆彦龙, 杨晓涛. 利用可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放温度测试研究[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 281-289. doi: 10.3788/CO.20201302.0281
YUAN Zhi-guo, MA Xiu-zhen, LIU Xiao-nan, MU Yan-long, YANG Xiao-tao. Testing on diesel engine emission temperature using tunable laser absorption spectroscopy technology[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 281-289. doi: 10.3788/CO.20201302.0281
Citation: YUAN Zhi-guo, MA Xiu-zhen, LIU Xiao-nan, MU Yan-long, YANG Xiao-tao. Testing on diesel engine emission temperature using tunable laser absorption spectroscopy technology[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 281-289. doi: 10.3788/CO.20201302.0281

利用可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放温度测试研究

doi: 10.3788/CO.20201302.0281
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 61405046

国家自然科学基金资助项目 51709059

黑龙江自然科学基金资助项目 51305089

船用低速发动机项目Ⅰ期 CDGC01-KT03-BG-011

详细信息
    作者简介:

    袁志国(1975-), 男, 山东禹城人, 硕士, 高级实验师, 1999年、2007年、2019年于哈尔滨工程大学分别获得学士、硕士、博士学位, 主要从事柴油机控制、测试技术、故障诊断等方向的研究。E-mail:yuanzhiguo@hrbeu.edu.cn

    杨晓涛(1985-), 男, 黑龙江哈尔滨人, 博士, 副教授、硕士生导师, 2007年、2009年于哈尔滨工业大学分别获得学士、硕士学位; 2016年于哈尔滨工程大学获得博士学位, 2017年9月至2018年9月在美国科罗拉多州立大学做访问学者, 主要研究方向包括动力装置光学测试技术, 激光点火技术, 油膜测试等方向。E-mail:yangxiaotao@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TP399;TK311

Testing on diesel engine emission temperature using tunable laser absorption spectroscopy technology

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61405046

National Natural Science Foundation of China 51709059

Natural Science Foundation of Heilongjiang 51305089

Marine Low-Speed Engine Project Phase-I CDGC01-KT03-BG-011

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-10
  • 修回日期:  2019-06-10
  • 刊出日期:  2020-04-01

利用可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放温度测试研究

doi: 10.3788/CO.20201302.0281
    基金项目:

    国家自然科学基金资助项目 61405046

    国家自然科学基金资助项目 51709059

    黑龙江自然科学基金资助项目 51305089

    船用低速发动机项目Ⅰ期 CDGC01-KT03-BG-011

    作者简介:

    袁志国(1975-), 男, 山东禹城人, 硕士, 高级实验师, 1999年、2007年、2019年于哈尔滨工程大学分别获得学士、硕士、博士学位, 主要从事柴油机控制、测试技术、故障诊断等方向的研究。E-mail:yuanzhiguo@hrbeu.edu.cn

    杨晓涛(1985-), 男, 黑龙江哈尔滨人, 博士, 副教授、硕士生导师, 2007年、2009年于哈尔滨工业大学分别获得学士、硕士学位; 2016年于哈尔滨工程大学获得博士学位, 2017年9月至2018年9月在美国科罗拉多州立大学做访问学者, 主要研究方向包括动力装置光学测试技术, 激光点火技术, 油膜测试等方向。E-mail:yangxiaotao@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TP399;TK311

摘要: 针对D4114B型柴油机排放尾气中的CO2气体开展测量研究,计算分析气体的体积分数以及温度。文中以可调谐半导体激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术原理为基础,利用MATLAB中SIMULINK库中的各个模块,模拟尾气测量的实际过程。仿真结果显示,在模拟柴油机排放环境下,待测量气体CO2的温度仿真相对误差为0.03%。利用船用D4114B型柴油机进行验证实验,在其排气管上增添可视化窗口并安装相应测试系统,利用以半导体为工作介质的可调谐激光器作为激光光源,开展尾气排放中CO2气体温度的在线测试研究,测试相对误差小于4%。由上述研究结果可知,本文中利用SIMULINK搭建的模型所测得的温度值与实际柴油机尾气排放过程中的温度相差较小,因此,其仿真结果能够对柴油机排气测温提供一定的参考。

English Abstract

袁志国, 马修真, 刘晓楠, 穆彦龙, 杨晓涛. 利用可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放温度测试研究[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 281-289. doi: 10.3788/CO.20201302.0281
引用本文: 袁志国, 马修真, 刘晓楠, 穆彦龙, 杨晓涛. 利用可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放温度测试研究[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 281-289. doi: 10.3788/CO.20201302.0281
YUAN Zhi-guo, MA Xiu-zhen, LIU Xiao-nan, MU Yan-long, YANG Xiao-tao. Testing on diesel engine emission temperature using tunable laser absorption spectroscopy technology[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 281-289. doi: 10.3788/CO.20201302.0281
Citation: YUAN Zhi-guo, MA Xiu-zhen, LIU Xiao-nan, MU Yan-long, YANG Xiao-tao. Testing on diesel engine emission temperature using tunable laser absorption spectroscopy technology[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 281-289. doi: 10.3788/CO.20201302.0281
    • 在船舶柴油机中,着火方式通常为压燃式,即通过压缩产生高温使可燃混合气自燃。因此,需要对柴油机的燃烧过程有一定的认知,以在设计过程中优化和提升柴油机性能[1]。根据柴油机排放尾气中的温度、压力和颗粒物含量等参数值可以提取出影响柴油机性能参量的信息,这为研究柴油机提供了重要参考。通过对柴油机燃烧后排放组分的研究,能够为柴油机的闭环控制系统提供排放测量数据,有助于分析柴油机的工作过程,能为优化柴油机性能提供有力支撑。

      本文基于可调谐半导体激光器吸收光谱技术(TDLAS)的直接测量方法中的温度测试技术,结合光谱吸收定律中吸收光强与气体温度之间的关系实现温度测量[2-4]。TDLAS技术是一种典型的非接触式光谱测量方法,该方法不仅测量过程十分简单,而且具有优良的动态响应特性。在实验过程中基本不会对原有流场产生破坏并且能够在恶劣的燃烧环境中工作。相比于现有光学测温系统,TDLAS测温技术具有极高的灵敏度,能实现对柴油机运行过程中排放气体温度的实时测量[5]。直接测量法实验装置简单,不需要进行标定,可以很方便地计算出被测气体的温度。本文基于TDLAS检测技术研究在线监测柴油机排放的温度特性,选取排放物中体积浓度较大的CO2进行研究分析,先利用直接测量法在SIMULINK中建立柴油机尾气CO2的排放在线监测系统理论模型并进行仿真分析,然后在自行设计的柴油机排气光路上搭建测试系统进行实验,得到真实的实验结果[6-7]

    • 基于TDLAS的直接测量具有形象直观的特性,利用这种方法可以测得光谱吸收率信号,该信号表明了激光通过气体介质后被吸收光强的大小[8-9]。直接测量法可以直接获取相关的温度信息,且测量结果不需要进行相关的校正,十分方便。利用实验得到的测量信号,可以直接分析出各种干扰和噪音对谱线的干扰。朱晓睿[10]等利用纯N2线拟合算法和直接测量原理测量出模拟烟气中的CO2浓度;曾怡帅[11]等人利用二次谐波法实现了有尘环境中多组分气体成分的模拟检测;何莹[12]等采用开放式长光程技术并结合TDLAS原理实现了大气中CO2浓度的检测。然而,在直接探测过程中当浓度较低、吸收光强能力较弱的时候,准确求取基准信号便十分重要,这对浓度的反演计算起到了至关重要的作用[13]

    • 根据比尔-兰伯特定律[14],一束波数为v的激光通过包含待检测气体的区域后,其激光强度会发生变化,这种变化关系可以表示为:

      (1)

      式中:I0表示激光没有被气体吸收时的初始光强,It表示激光经气体吸收后的透射光强,α(v)表示测量过程中得到的光谱吸收率,且

      (2)

      式中:P表示待检测区域内的总压[Pa];S(T)表示待检测气体吸收谱线的谱线强度[cm-2·Pa-1];L表示激光在气体介质中穿过的有效距离[cm];X表示待检测气体的体积浓度;φ(v)表示线型函数,是一个与温度、压力有关的变量,用来描述吸收谱线的形状及半高宽度。

    • 谱线的线强表示气体分子对入射光强的吸收程度,其值与对应跃迁能级的分子数目以及跃迁概率有关。对于某种特定物质的吸收谱线,线强只取决于温度,可以根据条件直接在分子光谱数据库HITRAN中计算或查询得到。在实际计算过程中,首先为数据库提供参考温度值T0,然后通过HITRAN数据库就可以获取该温度下的线强S(T0),当温度变化至T时,对应的谱线强度S(T)与S(T0)之间的关系如式(3)所示[15]

      (3)

      式中:Q表示配分函数,Ei表示低态跃迁能[cm-1],表示普朗克常数[J·s],k表示波尔兹曼常数[J/K],c表示光速[cm/s],v0表示跃迁频率[cm-1]。其中,配分函数是一个只与温度有关的变量,可通过多项式拟合获取不同温度下的近似值,拟合表达式如下[16]

      (4)

      系数abcd的取值与气体的种类和温度大小有关。在求取Q时,可以通过HITRAN数据库进行查询,然而,需要注意的是:从HITRAN数据库查询到的线强值需要进行单位换算,之后才能带入Beer-Lambert定律中进行计算。

    • 吸收谱线形状是一种分布状态,通常是由热力作用引起的多普勒加宽或者由分子碰撞作用引起的碰撞加宽产生的。

      线型函数φ(v)表示光谱吸收系数随频率或波长的相对变化趋势,且满足 ,对式(1)两端进行积分运算便得到只与温度和组分浓度有关的α(v)函数。谱线的线型函数能够分为高斯线型、洛伦兹线型和福伊特线型3类。考虑到柴油机尾气排放的实际情况,选取洛伦兹线型函数式(5)进行研究。

      (5)

      式中:Δvc为碰撞加宽的线宽,当环境中温度条件确定时,其数值正比例于压力:

      (6)

      式中:XB表示碰撞气体B的摩尔分数。γB表示碰撞展宽系数值[cm-1/Pa],不同种类气体的碰撞展宽系数能够通过HITRAN数据库查询得到。

    • 温度测量主要使用两线测量技术,即实验条件下的待测区域中需要具有两条相对独立的谱线。当温度变化时,不同气体的谱线强度随温度的变化趋势是有差异的。根据这一特性,通过两条吸收谱线线强的比值及光谱吸收率积分面积的比值即可推算出待测区域内的平均温度值。

      结合式(1)和式(2),在整个频域内进行积分变换即可得到光谱吸收率积分面积值C的表达式:

      (7)

      由两线测量技术可得到谱线强度比率[16]

      (8)

      则,气体温度的表达式如下:

      (9)
    • 选用具有强大数据处理功能的MATLAB 2014b软件中的SIMULINK库来模拟柴油机排气温度的在线测量,建立基于TDLAS的柴油机排放温度测试仿真模型,如图 1所示。

      图  1  SIMULINK仿真系统模型

      Figure 1.  SIMULINK simulation system model

      首先,要模拟可调谐激光器在一定波数范围内的以三角波形式的输出。在模型中选择连续的周期锯齿波扫描信号作为激光器的模拟驱动电流,并将其输出值与定值进行叠加,从而形成在某一波数范围内的输出,之后将这些输出分别送到模型不同的模块内。

      当气体经过检测室时,入射激光的能量通常被吸收,使得输出激光的光强减弱。模拟激光通过气室后的被吸收情况,搭建吸收气室模型,可以选择待测气体中心波长处吸收谱线的线型函数来代替。本文采用洛伦兹线型函数模型,根据洛伦兹函数的表达式,采用SIMULINK中不同的求和、常数和乘法模块进行搭建,以模拟气室吸收。

      接着,根据待测气体在指定位置吸收谱线上的吸收状况来构建数据检测模型。该模型中选用两线测温方法计算被测气体的温度值。在数据检测模型中需要嵌入相应的计算程序。向该部分输入原始光强和两路被吸收后的光强模拟信号,通过内置的程序,能够计算出两个吸收中心处的光谱吸收率的积分面积,进而调动温度求值函数,便可计算出待测气体的温度值。

      最后,运行搭载出来的模型,并对其得到的数据结果进行分析处理。

    • 分子的低态跃迁能是决定待测气体吸收谱线强度随温度变化趋势的重要因素[17-18]。首先,谱线对之间的较小低态跃迁能差为保证谱线强度比率R对温度具有高灵敏度提供了可能。然后,预估待测区域温度范围,并根据范围选择谱线强度足够大并且相对独立的两条谱线以满足TDLAS技术测温条件。最后,为了较好地分辨谱线,则需要在测温范围内选择合适的谱线宽度。根据上述要求,本仿真模型中基于直接吸收法并采用频率为6 327.06 cm-1和6 328.95 cm-1的两条吸收谱线进行测量,其谱线强度随温度的变化趋势如图 2所示。

      图  2  谱线强度S(T)随温度变化曲线图

      Figure 2.  Spectral line intensity of CO2 molecular as a function of temperature

      根据式(8)可知,谱线强度之比与光谱吸收率的积分面积之比是相同的。如图 3所示。由图 3可知,当温度升高时,谱线强度比率R(T)反而下降,并且当实验温度在500~660 K之间时,能够对温度测量具有良好的响应。

      图  3  谱线强度比R(T)随温度变化趋势图

      Figure 3.  Spectral line intensity ratio as a function of temperature

    • 本仿真模型主要研究柴油机尾气排放中的主要排放物CO2气体的温度。设定CO2体积分数为10%,气室光程为30 cm,环境总压为101325 Pa,气体温度为600 K。CO2在模拟波数段内存在两个吸收峰,谱线1频率为6 327.06 cm-1,低态跃迁能为234.08 cm-1;谱线2频率为6 328.95 cm-1,低态跃迁能为197.41 cm-1;在初始条件给定的情况下,仿真过程如图 4所示。

      图  4  仿真过程图

      Figure 4.  Simulation process diagram

      在仿真过程中,利用示波器模块进行光谱强度信号的采集及处理,得到气体吸收率曲线。仿真结果如图 5所示,气体吸收率(-ln(It/I0))的数值大小基本上反映了实际气室的吸收情况。根据图 5中的信息可以看出谱线1的吸收峰值接近2.5,然而谱线2的吸收峰值仅为0.09左右,远远小于谱线1的最高值。在仿真计算过程中,根据光谱吸收率数据,对气体吸收曲线在整个波数范围内进行积分运算,得到积分比R。将该积分比R值带入式(1)~式(9)便得到仿真温度600.18 K,测量结果的相对误差为0.03%。

      图  5  CO2气体吸收率曲线

      Figure 5.  Absorption rate curves of CO2 gas

    • 直接探测法对于排放尾气中碳烟颗粒等物质造成的慢变光损耗具有免疫作用。为了验证模型的准确性,记录了不同工况以及同一工况不同条件下CO2气体的温度值。然后,在仿真模型中计算相应条件下的温度值,并与温度传感器的数值进行比较,观察其相对误差的大小。本文采用直接吸收法开展柴油机尾气排放含量较高的CO2气体温度的在线测试研究,直接测试结构图如图 6所示。

      图  6  直接测试结构图

      Figure 6.  Direct test structure diagram

      在验证实验过程中,频率为200 Hz的锯齿波信号由Tektronix公司旗下的2 021款多种波形生成器产生,将生成的信号连接到激光器上,为激光器提供触发信号。调节激光器,使其工作温度保持在28 ℃,并选用ITC4001型激光控制电流源,为分布反馈式可调谐半导体激光器提供精确控制信号。选用具有最大输出功率为17 mW的、输出波长在1 580.387 nm周围、以半导体为介质的可调谐激光器作为测试光源,采用PDA10JT热式光电探测器将光信号转换为电信号,并通过数据采集卡将电信号上传到计算机中。针对吸收信号,利用计算机进行相应的拟合和积分运算,从而获得现场的气体温度信息。图 7为搭建的在线测试现场。

      图  7  柴油机排放在线测试现场

      Figure 7.  Online test site of diesel engine emission

      将D4114B型柴油机的转速设置为1 300 r/min后,改变负载功率获取多组数据。实时记录温度传感器的数据以及测试环境的温度压力值。对于本次设计的仿真模型,可以进一步验证。

    • 为了验证仿真模型的准确性,分别将不同工况下仿真系统的温度测量值和柴油机排放在线测试现场的传感器值进行对比。

      不同负载功率下尾气温度的测试结果如图 8所示。从图 8可知,测试结果的相对误差均分布在4%以下,且传感器测量值与仿真模拟值之间的最大误差为17.2 K,两条曲线增长趋势相同,说明自行设计的仿真模拟系统可以适用于柴油机排放CO2尾气的模拟测试。同时,随着柴油机负载功率的增加,仿真温度的误差也随之增大。出现这种误差略有增大情况的原因可能是因为温度值的升高导致测量灵敏度下降。

      图  8  不同负载功率下的测试结果

      Figure 8.  Test results of exhaust gas temperature at different load powers

    • 为了进一步验证仿真模型的准确性,在同一工况下,不同时间内对柴油机进行多次测量,排气管内气温变化测量结果如图 9所示。在图 9可以看出,在同一工况下,TDLAS测量系统的温度测量数值与柴油机尾气之间的相对误差值也均在3.5%以内,证明了自行设计的测温系统能够满足柴油机排放尾气的在线测试要求。因为通常现场测试中会有信号干扰,数据采集过程也存在一定误差,这些都可能导致测量过程中实际存在的系统误差值明显大于仿真结果。

      图  9  不同负载功率下的测试结果

      Figure 9.  Test results under various load powers

    • 本次实验在给定条件下,利用TDLAS直接探测原理在SIMULINK中搭建仿真模型模拟气体的吸收曲线,实现对待测气体温度的仿真测量,并能反映浓度、压力、光程等参数与气体吸收曲线变化趋势之间的关系。根据气体吸收曲线反演得到的气体浓度值能够很好地了解内燃机运行性能,进而为内燃机的优化提供参考。实验结果显示:不同工况下,仿真模型测得的温度值与实际柴油机上测量值之间的误差低于4.0%;同一工况下,不同时间内二者之间的误差均小于3.5%。

      在船用D4114B型柴油机排气管上搭建测量系统,开展尾气排放中CO2气体温度的在线测试研究,测试结果与实际较为吻合。结果表明,在满足双线测温原理的条件下,该模型适用于模拟各种工况下柴油机尾气的在线测量。通过改变模型中气室的参数,并调节光源模块的相应参数,可模拟不同浓度的气体。本文主要采用所设计的模型对TDLAS燃烧场温度进行实时测量,促进TDLAS燃烧温度测量技术在船用柴油机测量过程中的应用。通过本文设计的SIMULINK模型进行大量的仿真实验,从而为柴油机尾气在线测量提供了参考,验证了TDLAS技术在柴油机尾气测量方面的实用性。本文研究对在船用柴油机上做实时温度监测实验具有参考意义。

参考文献 (18)

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