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原文传递基于可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放测试技术研究

论文题名：	基于可调谐激光吸收光谱技术的柴油机排放测试技术研究
关键词：	船舶柴油机;污染物排放;测试技术;可调谐激光吸收光谱
摘要：	船舶柴油机的污染物排放已成为大气污染的重要污染源，为此针对船舶柴油机污染物排放的法规日益严格。各类法规的实施对排放污染物测试技术提出了很高的要求，未来船用柴油机污染物排放测试技术必将向高精度、便携式、多种组分同步测量的实时在线测试方向发展。现有污染物排放测试技术多为采样测试法，其响应周期较长、系统结构及操作复杂、标定困难，且采样过程中容易产生附加的化学反应，故无法实现船用柴油机污染物排放的实时在线测量。因此，开展适用于船舶柴油机排放污染物的在线测试技术研究迫在眉睫。与此同时，燃烧产物及排放组分的在线测量是研究船用柴油机性能、优化燃烧过程、优化控制策略的重要依据。本论文旨在通过基于可调谐激光吸收光谱技术(TLAS)的柴油机排放污染物测试技术研究，突破船舶污染物排放在线测试技术面临的瓶颈，解决现有测试技术存在的问题与不足。　　首先，开展基于可调谐激光吸收光谱技术(TLAS)的船用柴油机在线测试技术研究。研究分子吸收光谱的形成机理，分析了分子光谱的耦合参量问题;根据柴油机排放污染物组分特性，遴选被测分子的吸收光谱，有效避免了排放组分间的干扰问题;深入研究基于Lambert-Beer吸收定律的TLAS技术机理，分析了基于TLAS技术的柴油机污染物排放组分浓度、温度及压力测试方法的可行性;研究了环境温度、压力的波动对分子吸收光谱参量的影响，结合Lambert-Beer吸收定律给出了温度、压力的修正算法;研究了排放污染物中PM的光损耗对测试结果的影响，建立PM散射模型，根据散射模型的计算结果给出了PM光损耗对测试结果的修正算法。　　其次，为完善本文提出的在线测试技术，自主设计开发了具有配气功能的静态气体组分浓度测量系统。以NO及CO作为目标气体，结合船用柴油机排放组分的浓度范围，利用此系统开展实验室静态实验研究;采用直接检测及谐波检测两种方法开展实验研究，获得了与配气浓度较为吻合的测试结果;采用可调谐固体激光器作为探测光源开展实验研究，利用自主设计的Tm∶YLF可调谐固体激光器，实现了混合气中CO气体浓度的高精度测量;利用碳纳米颗粒模拟柴油机排放中的碳烟颗粒，分析了颗粒物的光散射对测试结果的影响，并采用谐波检测中1f信号归一化后的2f信号反演颗粒物中的气体组分浓度信息，有效避免了由颗粒物光散射对测试结果的影响。　　最后，设计并开发了基于TLAS技术的柴油机污染物排放在线测试系统，在TBD620型单缸柴油机及D4114型柴油机上开展NOx、CO、CO2排放组分浓度的实验研究。采用直接检测及谐波检测法对不同工况点下柴油机排放组分浓度开展测试研究;利用此系统可实现ppbv量级的气体组分浓度分辨率以及ms量级的时间分辨率;将TLAS技术与消光理论相结合，在不增加系统硬件的前提下，成功的实现了气体组分浓度及烟度值的同步测量，增加了此系统的实用价值。　　通过本论文的研究工作，证明了基于TLAS的船用柴油机排放污染物在线检测技术具有可行性，通过对排放环境参数（温度、压力及PM浓度）的修正，实现了柴油机污染物排放的高精度在线测量。利用TLAS系统的高时间分辨率，可以实现柴油机工作过程中的瞬态排放测量，同时获得了排放烟度的瞬态信息，对研究柴油机性能、优化控制策略及燃烧过程具有重要的意义。
作者：	杨晓涛
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	马修真
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文