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原文传递船用柴油机排放污染物组分浓度/温度场在线测试技术研究

论文题名：	船用柴油机排放污染物组分浓度/温度场在线测试技术研究
关键词：	船用柴油机;排放污染物;组分浓度;温度场;在线测试技术
摘要：	船用柴油机具有功率大、热效率高、燃用重油成本低、安全可靠等突出优点，已经成为船舶的主要动力形式，但与此同时也造成严重的环境污染。为了控制船舶柴油机排放对环境的污染，国际海事组织(IMO)和国家环保部不断推出日趋严格的强制性排放控制法规。同时目前实施的出厂台架一次监测方式将来会改为实时、在线监测方式。因此，实现船用柴油机NOx排放的浓度值及排气温度场的实时、在线、动态、高精度测量是必须突破的技术难题。然而，现有的NOx浓度测量方法大多为采样法，存在测试过程较为复杂，需要预处理及标定环节等不足;排气温度测量通常采用单点接触式测量法，无法实现二维温度场的监测。上述问题制约了未来NOx排放监测及实时优化燃烧控制的应用需求。因此，开展适用于船舶柴油机排放污染物的实时在线监测技术研究，开发新型便携式、高精度测试仪器，具有重要的理论意义和应用价值。　　本论文针对船用柴油机排放测试技术存在的问题，瞄准污染物排放测试前沿技术，以满足船舶柴油机排放的NOx、PM等污染物实时、在线、精确监测及优化控制需求为目标，重点开展基于可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)的船用柴油机NOx排放组分浓度、排气二维温度分布及颗粒物浓度测试技术研究，并开发了相应的测试仪器，开展的主要研究工作如下。　　1.开展了光谱吸收技术机理研究，结合船用柴油机排放的实际特点，综合考虑光谱吸收系统参数对测试结果的影响，重点分析了环境条件对光谱参量的影响，解析了环境参量对系统浓度、温度测量的定量影响规律。　　2.搭建了基于可调谐激光吸收光谱技术的船用柴油机NOx排放组分浓度及排气温度一维和二维测量模型，利用一维模型模拟分析了给定条件下柴油机NOx排放组分含量信息，而后模拟分析了柴油机排放中H2O气体的吸收特性曲线，通过双线法实现排放气体的温度模拟测量，并模拟了浓度、压强、光程等各参数变化对气体吸收曲线的影响。然后利用二维模型进行了柴油机的排气温度场测量模拟，并进行了误差计算和分析，为可调谐激光吸收光谱技术实际测量系统软件和硬件开发奠定了基础。　　3.根据理论分析及数值模拟的结果，设计并搭建了基于可调谐激光吸收光谱技术的船用柴油机排放测量系统。选用波段为5263nm、6140.37nm的ICL激光器实现了NO和NO2的检测，用波段为1370nm和1500nm的半导体激光器实现了排气温度场、PM的检测，并利用光纤耦合器和时分复用技术实现了多参量的同步测量，同时针对不同环境因素对光谱参量的影响，提出了相应的修正算法。　　4.在船用柴油机实验台架上开展了实验研究。分别采用直接检测法和谐波检测法开展实验研究，为了获得排放污染物中NO和NO2的同步浓度信息，直接检测法中采用光栅分波长法，而谐波检测法中采用分频采样法实现了对两种组分浓度的同步测量。同时，利用排放中H2O气体的吸收特性，结合双线测温理论获得不同工况条件下排气温度信息，并重建了分级旋流燃烧室出口的二维温度场分布图。而后，利用光谱信号强度的衰减特性，结合消光理论获得了船用柴油机颗粒物排放的浓度信息。　　通过上述研究工作，成功地将光谱吸收技术应用于船用柴油机排放测量中，克服了原有船舶污染物排放测量设备体积庞大、可维护性差和结构复杂等缺点，突破了船用柴油机排放测试环境中紊流层对测试光路干扰的技术难题，利用光谱吸收技术高精度、高动态响应的特点，结合计算机信息处理技术可移植性强、可靠性高等优点，实现了NOx排放浓度、排气温度及颗粒物浓度的在线测量，可为船用柴油机排放实时监测和优化控制提供有力支撑。
作者：	袁志国
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：	2021