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原文传递基于可调谐吸收光谱技术的柴油机排放NOx检测系统的开发及验证

论文题名：	基于可调谐吸收光谱技术的柴油机排放NOx检测系统的开发及验证
关键词：	船用柴油机;尾气检测;TDLAS;LabVIEW技术;氮氧化物
摘要：	在经济飞速发展的现代社会，环境问题和生态问题也是不可忽视的一环。具备可靠性高、损耗低且经济性高的柴油机得到了大量的使用，柴油机缸内燃烧生成的污染物成分也造成了大气污染，为此国际海事组织推出严格的排放法规对柴油机的污染物气体排放量进行限制。实时获取柴油机排放组分浓度的信息，对控制缸内燃油燃烧以减少污染物气体的排放量有着重要的意义。针对于传统测试方法中存在的响应周期长、检测装置庞大且复杂的问题，本文中引入可调谐半导体激光吸收光谱(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy,TDLAS)技术，结合LabVIEW软件的优势，设计并搭建柴油机污染物组分浓度检测系统，并针对影响该技术在柴油机NOx的实时检测系统中存在的各种噪声进行分析研究。　　本文首先深入地分析了目前国内外的排放检测系统的研究现状以及在现有柴油机污染物浓度检测过程中存在的问题，针对当前船用排放组分浓度分析系统中存在的缺陷，确定了基于TDLAS技术的柴油机污染物浓度检测方法。系统研究了柴油机污染物排放测试系统的检测原理——可调谐半导体激光器吸收光谱技术，得到直接吸收测量法和谐波吸收测量法的浓度测量模型。研究了虚拟测试系统理论体系，分析了LabVIEW技术在实现柴油机排放污染物浓度测试系统的搭建过程中优势。　　然后提出“PC+DAQ”的模式来实现柴油机尾气浓度检测系统的搭建，融入LabVIEW应用程序具备的可移植性、直观性等优点，提高了TDLAS测试系统的稳定性能、准确性能、便携性能和灵活性能。根据柴油机污染物的检测需求，利用波长为5263nm和6140nm的激光器分别进行NO和NO2气体浓度的检测，并利用LabVIEW软件实现光电信号中有效信息的获取、处理与显示。针对于尾气浓度检测过程中，柴油机排气管道内气体温度和压力存在的波动为测试系统带来了噪声展开分析讨论，采用数据预处理和误差修正的方法来实现精度的提升，并针对系统中存在的随机误差引入平滑滤波算法进行去除，获得了S-G滤波器、IIR滤波器以及中值滤波器在本系统检测过程中可选的最优参数范围，为实现柴油机排放过程中尾气浓度的在线检测提供了参考值。　　最后利用TDLAS排放浓度检测装置在双燃料船用发动机上开展NOx组份浓度的实验研究。选用时分复用技术实现NO和N02的同时测量，采用串联滤波器进行系统检测信号的降噪处理，对不同工况下柴油机排放的NOx浓度值进行了计算。TDLAS测量结果与船用排放分析仪测试值进行比较，证明了本文中设计的TDLAS系统能够实现NOx浓度的稳定、高精度的测量。　　通过对本课题的深入研究，初步验证了可调谐吸收光谱技术在实现柴油机污染物排放浓度检测领域的适用性，为后续进一步开展优化柴油机燃烧控制策略的实验研究提供参考。此外未来测试系统的设计与搭建，必将朝着高精度、高灵敏度、高响应速度、非接触式在线检测方向发展。
作者：	刘晓楠
专业：	动力工程
导师：	杨晓涛;程伟宁
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020