基于dles技術(shù)的燃燒過程相關(guān)分子參數(shù)的測(cè)定

基于dles技術(shù)的燃燒過程相關(guān)分子參數(shù)的測(cè)定

1精密度的測(cè)量在汽車燃料燃燒過程中，產(chǎn)生的有害氣體將排出，減少車輛動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程（快速增長(zhǎng)和減速）的廢水排放是排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。為了減少氮氧化合物(NOX)的排放,發(fā)動(dòng)機(jī)控制中采用廢氣循環(huán)(EGR)技術(shù),即把部分排氣廢氣重新引入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng),通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒溫度來大幅減少NOX排放。由于EGR會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下降,必須針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況采用不同EGR率。EGR率以廢氣中CO2濃度表征,精確測(cè)量CO2動(dòng)態(tài)濃度,就能優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)EGR控制。傳統(tǒng)的廢氣測(cè)量是以廢氣取樣后的實(shí)驗(yàn)室分析為基礎(chǔ)。這種測(cè)量方法由于在取樣過程中要對(duì)氣體進(jìn)行預(yù)處理,包括冷卻等,而溫度的改變將導(dǎo)致氣體分子的濃度產(chǎn)生一定變化。另外采樣、預(yù)處理和化學(xué)分析都需時(shí)間,測(cè)量頻率一般低于20Hz,無法滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。直接注入電流來調(diào)制半導(dǎo)體激光二極管技術(shù)出現(xiàn)后,可調(diào)諧半導(dǎo)體激光二極管吸收光譜學(xué)(TDLAS)技術(shù)逐漸應(yīng)用于燃燒氣體排放物的監(jiān)測(cè)上,并成為當(dāng)前環(huán)境污染在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向和技術(shù)主流。采用TDLAS測(cè)量的主要優(yōu)點(diǎn):(1)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)幾種污染物的濃度,測(cè)量頻率最高可超過10kHz,實(shí)現(xiàn)完全非接觸動(dòng)態(tài)測(cè)量;(2)儀器的靈敏度高,只要選取合適的檢測(cè)波段,就可以測(cè)出低于1ppm的濃度;(3)測(cè)量距離可以從幾厘米到數(shù)公里,測(cè)出一個(gè)區(qū)域的平均污染程度,監(jiān)測(cè)結(jié)果比單點(diǎn)監(jiān)測(cè)更具有代表性。2氣體分子的吸收特性基于Lambert-Beer理論的TDLAS技術(shù)有較高的靈敏度和較高的分辨率,實(shí)用指標(biāo)可以做到ppm量級(jí)。由于TDL的體積小、能夠測(cè)量更長(zhǎng)的距離,且信噪比高;特別是狹窄的線寬、大范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧和穩(wěn)定的輸出,使其比起以往系統(tǒng)有更快的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)激光光源發(fā)出一定頻率ν(cm-1)的單頻光穿透一定濃度的待測(cè)氣體時(shí),假設(shè)入射光強(qiáng)為I0,穿透光強(qiáng)為It,依據(jù)Lambert-Beer定律,得出式中kv(cm-1)是吸收系數(shù),L是通過吸收氣體光程。在穿越單一吸收氣體單一吸收區(qū)域時(shí),kv=S(T)g(v)PabsN。S(T)(cm-2atm-1)是一定溫度下的譜線強(qiáng)度,g(v)(cm)是吸收譜線線型函數(shù),并且∫vg(v)≡1,Pabs(atm)是總體壓強(qiáng),N是吸收氣體的克分子分?jǐn)?shù),代表氣體濃度。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的氣體達(dá)到均勻狀態(tài),因此,由(1)式得αν為吸收積分。吸收區(qū)域的譜線強(qiáng)度S(T)是吸收氣體分子的一個(gè)基本屬性。各種氣體分子的譜線強(qiáng)度可以在公開數(shù)據(jù)庫(kù):美國(guó)空軍研究的紅外吸收應(yīng)用的HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)查到。一定溫度下的S(T)可由下述公式計(jì)算得出:式中,Q是分子配分函數(shù),E是分子躍遷的底層能量,h是布朗克常量,k是玻爾茲曼常量,c是光速,S(T0)是在參考溫度下T0的光譜線強(qiáng)度。譜線線型函數(shù)g(v)描述的是由于溫度和壓強(qiáng)引起的分子碰撞加寬的影響。氣體的吸收譜線線型主要取決于線型加寬原因中的多普勒加寬,即由于氣體分子運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒效應(yīng)而造成分子吸收光譜的加寬;還有一種是分子的碰撞加寬。氣體分子吸收峰的線型g(v)是Voigt函數(shù)V(a,w),具體如下:式中ΔvL(cm-1)和ΔvD(cm-1)是壓強(qiáng)和多普勒加寬的半最大值全寬(FWHM)。如果同時(shí)檢測(cè)同一吸收路徑中的同一吸收分子的兩個(gè)不同吸收波長(zhǎng)區(qū)域,由于濃度N和光程L都是一樣的,通過對(duì)兩個(gè)區(qū)域的吸收測(cè)量積分比值α1/α2和式(4)可以得到一個(gè)T為參數(shù)的比率函數(shù):根據(jù)式(6)和(3)便可測(cè)量氣體溫度T和濃度N。3co分子濃度和溫度動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的方案系統(tǒng)由光源及光源驅(qū)動(dòng)電路、氣室、光探測(cè)器、數(shù)字信號(hào)處理器及連接光纖等部分組成。3.1cod的理想線性關(guān)系選擇光源時(shí)應(yīng)滿足:輸出中心頻率同氣體的吸收譜線特性相吻合;溫度特性良好,工作于室溫下;與光纖的個(gè)體低損耗窗口相適應(yīng)特性良好;輸出功率足夠大且在工作范圍內(nèi)與注入電流存在良好線性關(guān)系。CO2是主要燃燒產(chǎn)物和造成溫室效應(yīng)的重要?dú)怏w。CO2在波長(zhǎng)1300nm～1600nm、1900nm～2300nm和4600nm處都有依次增強(qiáng)的吸收,而且較少受到水分子的干擾,是理想的吸收區(qū)域。如圖1所示。分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFBLD)作為光源的氣體傳感技術(shù)在靈敏度、選擇性、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比和響應(yīng)時(shí)間等方面比傳統(tǒng)方法具有諸多優(yōu)點(diǎn):譜線窄,功率大,單縱模運(yùn)行等,并且可以通過調(diào)整溫度和注入電流來粗調(diào)和精調(diào)其輸出波長(zhǎng),且有很高的短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度。3.2基于光強(qiáng)i0的射入氣室檢測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。從TDL發(fā)出的光通過分光器分成兩部分,其中一束直接傳輸?shù)絇IN光電探測(cè)器,作為參考光強(qiáng)I0;另一束射入氣室由另一個(gè)PIN光電探測(cè)器檢測(cè),為入射光強(qiáng)It。通過光纖可以將激光器發(fā)出的光傳輸很長(zhǎng)距離,所以光源及電路處理單元均可安裝于遠(yuǎn)離高溫氣室或危險(xiǎn)源,實(shí)現(xiàn)遙測(cè)。4氣體濃度lorenz曲線調(diào)制光譜技術(shù)把檢測(cè)頻率提高到一個(gè)較高頻率上,能有效減少由于激光源和探測(cè)器自身帶來的噪音,并通過相敏檢測(cè)技術(shù)減少檢測(cè)的頻譜帶寬,從而可以提高測(cè)量信噪比幾個(gè)數(shù)量級(jí)。通過對(duì)光源的注入電流進(jìn)行正弦調(diào)制,光源頻率和輸出光強(qiáng)也將受到相應(yīng)的調(diào)制。假設(shè)光源沒經(jīng)調(diào)制時(shí)的中心頻率為v0(cm-1);νm為頻率調(diào)制幅度;η為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù),f為電流調(diào)制頻率。代入(2)式得當(dāng)氣體壓力接近一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,碰撞加寬起主要作用,可以用Lorentz曲線描述CO2分子的吸收譜線型:作以下定義:m通常稱為波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù),把式(9)代入(8)式中并作數(shù)學(xué)變換,忽略高階項(xiàng)得:將上式展開傅立葉級(jí)數(shù)序列,它的一次諧波(f)和二次諧波(2f)的系數(shù)分別為:式中M=1-x2+m2,用二次諧波I2f和一次諧波If的比值作為系統(tǒng)的輸出來獲得氣體濃度信息,能消除光強(qiáng)波動(dòng)等因素帶來的干擾。在線處理系統(tǒng)如圖3所示,DFBLD發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的光通過光纖傳輸?shù)綔y(cè)量氣室,光能與CO2氣體發(fā)生相互作用,然后將攜帶有用信息的光信號(hào)傳輸?shù)絇IN光探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再經(jīng)過自平衡接收器,消除背景光的交流漂移和PIN的暗電流,并過濾信號(hào)中的高頻噪聲,數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)既實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相放大,又實(shí)現(xiàn)快速傅立葉變換(FFT)計(jì)算一次基波和二次諧波,處理數(shù)據(jù)后得出動(dòng)態(tài)濃度與溫度。5檢測(cè)設(shè)備及信號(hào)具體構(gòu)成圖3所示測(cè)量系統(tǒng)的各部件如下:①DFB二極管激光器采用TriQuint公司生產(chǎn)的型號(hào)為D2525P的激光二極管,中心波長(zhǎng)為1578.63nm。②激光控制器采用ILXLightWave公司的LDC-3724B控制器。③單模光纖適配器采用NewFocus公司的1281FC-光纖適配器④自平衡接收器采用NewFocus公司的2017-M125kHZ自平衡接受器⑤鎖定放大器采用DSP以數(shù)字信號(hào)處理方式實(shí)現(xiàn)。⑥數(shù)字信號(hào)處理器采用TI公司的TMS320F2811。本測(cè)量裝置的激光通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸,唯一需要調(diào)整的機(jī)械部件是瞄準(zhǔn)器,它聚焦激光束使透射激光能完全定位到自平衡接收器的有效接收面上。從而使整個(gè)測(cè)量裝置非常緊湊,便于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)連接。圖4、圖5為實(shí)驗(yàn)室條件下,標(biāo)準(zhǔn)氣室CO2濃度恒定為2.5%、溫度為26℃時(shí),經(jīng)DSP處理后得到了氣體吸收曲線與接收信號(hào)的二次諧波的波形。初步證明通過計(jì)算二次諧波系數(shù),能正確測(cè)量相關(guān)分子濃度。下一步應(yīng)建立描述測(cè)量精度與靈敏度