基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的柴油機(jī)排放測(cè)試技術(shù)研究.pdf

1、船舶柴油機(jī)的污染物排放已成為大氣污染的重要污染源，為此針對(duì)船舶柴油機(jī)污染物排放的法規(guī)日益嚴(yán)格。各類法規(guī)的實(shí)施對(duì)排放污染物測(cè)試技術(shù)提出了很高的要求，未來(lái)船用柴油機(jī)污染物排放測(cè)試技術(shù)必將向高精度、便攜式、多種組分同步測(cè)量的實(shí)時(shí)在線測(cè)試方向發(fā)展。現(xiàn)有污染物排放測(cè)試技術(shù)多為采樣測(cè)試法，其響應(yīng)周期較長(zhǎng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及操作復(fù)雜、標(biāo)定困難，且采樣過(guò)程中容易產(chǎn)生附加的化學(xué)反應(yīng)，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)船用柴油機(jī)污染物排放的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。因此，開展適用于船舶柴油機(jī)排放污染

2、物的在線測(cè)試技術(shù)研究迫在眉睫。與此同時(shí)，燃燒產(chǎn)物及排放組分的在線測(cè)量是研究船用柴油機(jī)性能、優(yōu)化燃燒過(guò)程、優(yōu)化控制策略的重要依據(jù)。本論文旨在通過(guò)基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)(TLAS)的柴油機(jī)排放污染物測(cè)試技術(shù)研究，突破船舶污染物排放在線測(cè)試技術(shù)面臨的瓶頸，解決現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)存在的問(wèn)題與不足。
　　首先，開展基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)(TLAS)的船用柴油機(jī)在線測(cè)試技術(shù)研究。研究分子吸收光譜的形成機(jī)理，分析了分子光譜的耦合參量問(wèn)題;根據(jù)

3、柴油機(jī)排放污染物組分特性，遴選被測(cè)分子的吸收光譜，有效避免了排放組分間的干擾問(wèn)題;深入研究基于Lambert-Beer吸收定律的TLAS技術(shù)機(jī)理，分析了基于TLAS技術(shù)的柴油機(jī)污染物排放組分濃度、溫度及壓力測(cè)試方法的可行性;研究了環(huán)境溫度、壓力的波動(dòng)對(duì)分子吸收光譜參量的影響，結(jié)合Lambert-Beer吸收定律給出了溫度、壓力的修正算法;研究了排放污染物中PM的光損耗對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，建立PM散射模型，根據(jù)散射模型的計(jì)算結(jié)果給出了PM光

4、損耗對(duì)測(cè)試結(jié)果的修正算法。
　　其次，為完善本文提出的在線測(cè)試技術(shù)，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了具有配氣功能的靜態(tài)氣體組分濃度測(cè)量系統(tǒng)。以NO及CO作為目標(biāo)氣體，結(jié)合船用柴油機(jī)排放組分的濃度范圍，利用此系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究;采用直接檢測(cè)及諧波檢測(cè)兩種方法開展實(shí)驗(yàn)研究，獲得了與配氣濃度較為吻合的測(cè)試結(jié)果;采用可調(diào)諧固體激光器作為探測(cè)光源開展實(shí)驗(yàn)研究，利用自主設(shè)計(jì)的Tm∶YLF可調(diào)諧固體激光器，實(shí)現(xiàn)了混合氣中CO氣體濃度的高精度測(cè)量;利用碳納

5、米顆粒模擬柴油機(jī)排放中的碳煙顆粒，分析了顆粒物的光散射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并采用諧波檢測(cè)中1f信號(hào)歸一化后的2f信號(hào)反演顆粒物中的氣體組分濃度信息，有效避免了由顆粒物光散射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。
　　最后，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于TLAS技術(shù)的柴油機(jī)污染物排放在線測(cè)試系統(tǒng)，在TBD620型單缸柴油機(jī)及D4114型柴油機(jī)上開展NOx、CO、CO2排放組分濃度的實(shí)驗(yàn)研究。采用直接檢測(cè)及諧波檢測(cè)法對(duì)不同工況點(diǎn)下柴油機(jī)排放組分濃度開展測(cè)試研究;利用此系

6、統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)ppbv量級(jí)的氣體組分濃度分辨率以及ms量級(jí)的時(shí)間分辨率;將TLAS技術(shù)與消光理論相結(jié)合，在不增加系統(tǒng)硬件的前提下，成功的實(shí)現(xiàn)了氣體組分濃度及煙度值的同步測(cè)量，增加了此系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。
　　通過(guò)本論文的研究工作，證明了基于TLAS的船用柴油機(jī)排放污染物在線檢測(cè)技術(shù)具有可行性，通過(guò)對(duì)排放環(huán)境參數(shù)（溫度、壓力及PM濃度）的修正，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)污染物排放的高精度在線測(cè)量。利用TLAS系統(tǒng)的高時(shí)間分辨率，可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)工作過(guò)程中的瞬