柴油發(fā)動機(jī)排放NH3快速在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉立富 吳 強(qiáng) 王志平 邱夢春 陳 東 孫 軍

(杭州春來科技有限公司，杭州 310052)

發(fā)動機(jī)排放尾氣是大氣污染的重要來源之一，為了保護(hù)我國的大氣環(huán)境，國家對發(fā)動機(jī)尾氣排放要求越來越嚴(yán)格，并且不斷出臺新政策。2016年12月23日，環(huán)境保護(hù)部、國家質(zhì)檢總局發(fā)布《GB 18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，自2020年7月1日起實(shí)施。2018年6月22日，生態(tài)環(huán)境部、國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布《GB 17691-2018 重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，自2019年7月1日起實(shí)施。目前通過采用優(yōu)化缸內(nèi)燃燒過程、增壓中冷技術(shù)、多氣門技術(shù)、柴油機(jī)排氣再循環(huán)等機(jī)內(nèi)控制技術(shù)，對尾氣減排具有一定效果。為了達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求，既要優(yōu)化機(jī)內(nèi)燃燒過程，還需要對尾氣脫硝后處理技術(shù)提出更高要求。發(fā)動機(jī)尾氣中最大的污染氣體主要是NOx和其他燃燒不充分的氣體，柴油發(fā)動機(jī)中尾氣排放處理裝置主要針對NOx的處理。目前在市場上比較普遍的尾氣后處理技術(shù)為選擇性催化還原(SCR)技術(shù)。SCR技術(shù)，即在催化劑的作用下，噴入還原劑尿素或氨，把尾氣中的NOx還原成無害的N2和H2O[1]。

為了保證柴油發(fā)動機(jī)尾氣排放含量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，在柴油發(fā)動機(jī)推向市場前需要在實(shí)驗(yàn)室中對排放尾氣濃度進(jìn)行測試驗(yàn)證和排放控制研究，以便于發(fā)動機(jī)制造商改進(jìn)產(chǎn)品，推出更加環(huán)保滿足排放要求的柴油發(fā)動機(jī)。依據(jù)《GB 17691-2018重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，發(fā)動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)排放測量氣體有CO、NOx、NH3、NMHC和THC等，其中NH3排放結(jié)果乘以劣化系數(shù)后的限值要求不超過10μmol/mol。發(fā)動機(jī)排放工況為瞬態(tài)工況，對于監(jiān)測系統(tǒng)響應(yīng)時間要求高。實(shí)時快速地監(jiān)測排放污染物的氣體含量用來監(jiān)控柴油發(fā)動機(jī)燃燒環(huán)節(jié)，這要求排放氣體監(jiān)測系統(tǒng)必須要有方便性、高精度、快速在線測量的特性。光譜吸收法測量氣體含量作為一類應(yīng)用廣泛和優(yōu)勢明顯的監(jiān)測技術(shù)，受到廣泛關(guān)注[2]。目前，我國柴油發(fā)動機(jī)NH3排放監(jiān)測設(shè)備采用進(jìn)口品牌，如日本Horiba、奧地利IAG，分別采用中紅外量子級聯(lián)激光光譜法和近紅外可調(diào)諧激光光譜法測量發(fā)動機(jī)排放NH3含量。不僅采購費(fèi)用高，而且售后維修的零部件價格高、維修周期長，造成設(shè)備的使用成本、維護(hù)成本和折舊費(fèi)都較高[3]。國內(nèi)NH3濃度監(jiān)測的研究和應(yīng)用大多是針對工業(yè)過程脫硝氨逃逸控制和固定污染源氨逃逸排放監(jiān)測領(lǐng)域，測量方式涵蓋原位對穿、單端反射、便攜和在位抽取等方式[4-8]，暫時國內(nèi)沒有企業(yè)推出針對發(fā)動機(jī)排放NH3的在線監(jiān)測設(shè)備。本研究基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)和長光程多次反射技術(shù)，研發(fā)一種移動式發(fā)動機(jī)排放NH3快速在線監(jiān)測系統(tǒng)，為研究發(fā)動機(jī)NH3排放控制提供可靠數(shù)據(jù)支持。

本研究的NH3監(jiān)測系統(tǒng)采用推車式結(jié)構(gòu)方便多點(diǎn)移動測量，支持雙探頭切換，軟件自動化集成度高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢漏、自動反吹、自動標(biāo)定、自動線性檢查、自動存儲測量結(jié)果等功能。系統(tǒng)核心測量模塊采用垂直腔面發(fā)射激光器作為激光發(fā)射光源，通過疊加的低頻三角波信號和高頻正弦波信號對激光器進(jìn)行掃描和調(diào)制。經(jīng)過波長調(diào)制和鎖相放大檢波得到二次諧波信號，通過二次諧波峰高等信息計(jì)算NH3濃度值。通過實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場比對驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)能夠滿足發(fā)動機(jī)排放NH3在線快速監(jiān)測的使用要求。

1 基本原理

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)需要獲取待測氣體特征吸收的光譜譜線，在弱吸收條件下，激光器發(fā)射出窄帶激光通過被測氣體的光強(qiáng)衰減可以使用Beer-Lambert關(guān)系進(jìn)行表述[9,10]：

Iν=I0T(ν)=I0exp[-S(T)g(ν-ν0)PXL]

(1)

式中：I0和Iν分別表示頻率為ν的窄帶激光入射時和經(jīng)過光程L、氣體壓力P和體積濃度為X的氣體后的光強(qiáng)。S(T)為氣體吸收的譜線強(qiáng)度，線形函數(shù)g(ν-ν0)表示該吸收譜線的形狀，它與氣體溫度、壓力及成分含量等因素有關(guān)。在近紅外區(qū)域，氣體譜線吸收強(qiáng)度較弱，一般會滿足式(2)條件。

S(T)g(ν-v0)PXL≤0.05

(2)

當(dāng)滿足式(2)條件時，被測氣體濃度結(jié)果會呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，此時式(1)可近似等于式(3)。

Iν≈I0[1-S(T)g(ν-ν0)PXL]

(3)

譜線強(qiáng)度S(T)是氣體溫度的函數(shù)，常規(guī)氣體的S(T)參數(shù)可以在分子光譜數(shù)據(jù)庫HITRAN中查詢，一定溫度下的S(T)可由公式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(4)

式中，Q(T)是分子內(nèi)部分割函數(shù)，E是分子躍遷基層能量，h是普朗克常數(shù)，k是波爾茲曼常數(shù)，c是光速，S(T0)是參考溫度T0下的譜線強(qiáng)度。

可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)主要有3種，即波長調(diào)制、頻率調(diào)制和直接吸收，波長調(diào)制技術(shù)由于高靈敏度和檢測能力，被普遍采用。TDLAS技術(shù)利用激光波長的可調(diào)諧性，獲取待測氣體特征吸收的光譜譜線，從而實(shí)現(xiàn)氣體定量分析。波長調(diào)制光譜技術(shù)，正弦信號對激光發(fā)射頻率進(jìn)行高頻調(diào)制，調(diào)制后的發(fā)射頻率為：

(5)

(6)

由公式(6)得出，在特定的吸收譜線和一定的壓力、溫度、光程及激光頻率調(diào)制幅度下，可以得到氣體含量與二次諧波之間的關(guān)系：

(7)

式中，V2f為二次諧波分量信號，K為標(biāo)定系數(shù)，I0為光強(qiáng)直流分量，通過分析這些參數(shù)，即可獲取氣體濃度含量信息。

2 系統(tǒng)介紹

基于TDLAS技術(shù)和長光程反射技術(shù)工作原理，杭州春來科技有限公司研究開發(fā)的LGT-500移動式激光NH3分析系統(tǒng)，用于柴油發(fā)動機(jī)排放NH3在線實(shí)時監(jiān)測。本系統(tǒng)主要由取樣單元、加熱單元、反吹單元、測量單元、顯示單元和電控單元等組成，產(chǎn)品外觀如圖1所示。樣氣經(jīng)過采樣探頭、高溫取樣管到達(dá)機(jī)柜內(nèi)，經(jīng)過過濾器后進(jìn)入分析系統(tǒng)測量單元分析待測組分，實(shí)時分析后排至安全區(qū)域。為避免樣氣出現(xiàn)冷凝結(jié)晶問題，樣氣經(jīng)過區(qū)域通過加熱單元均高溫伴熱至200℃，反吹單元定期自動反吹氣路。測量單元主要功能模塊包含發(fā)射單元、接收單元、信號處理單元和多次反射吸收池等。發(fā)射單元主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)射出特定波長的激光，這些窄帶激光經(jīng)過含有被測氣體的吸收池多次反射后，由接收單元進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并傳輸給信號處理單元進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析，獲得測量結(jié)果，測量結(jié)果可以通過RS485或4～20mA輸出信號傳輸。顯示單元包含Android操作界面，功能分類清晰。通過界面可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)操作、自動化操作及參數(shù)設(shè)置和讀取等，滿足日常使用和維護(hù)要求。

圖1 LGT-500系統(tǒng)組成框圖

LGT-500系統(tǒng)取樣單元含有兩路取樣氣路，支持雙探頭切換測量，能夠?qū)蓚€柴油發(fā)動機(jī)臺架實(shí)現(xiàn)輪換在線測量，內(nèi)部氣體室容積≤80mL，響應(yīng)時間短。電控單元和操作單元分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電氣控制和氣路控制，以實(shí)現(xiàn)不同需求狀態(tài)下的測量結(jié)果。標(biāo)定單元通過氣路閥控制，實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定和全程標(biāo)定兩種方式。

3 測量實(shí)驗(yàn)

3.1 譜線選擇

被測氣體吸收譜線需要選擇合適位置的譜線，要求吸收強(qiáng)度合適、附近沒有背景氣體吸收。NH3氣體在近紅外1.5μm和中紅外10μm附近均有吸收信號，由于掃描中紅外10μm譜線需要使用量子級聯(lián)QCL激光器，該激光器價格高昂、產(chǎn)生熱量多，不利于商業(yè)化。近紅外激光器應(yīng)用成熟，可靠性高，在1.5μm附近有足夠的吸收強(qiáng)度。

在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，473K溫度和4m光程條件下，篩選譜線，通過Hitran數(shù)據(jù)庫查找NH3、H2O、CO、CO2和NO譜線數(shù)據(jù)，如圖2所示。得出在1512.2nm附近NH3不受其他背景氣體干擾，可以實(shí)現(xiàn)NH3和H2O含量同時監(jiān)測。

圖2 1512.2nm附近NH3和背景氣體吸收信號

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

LGT-500移動NH3分析系統(tǒng)測量分析模塊基于TDLAS技術(shù)測量，利用波長可調(diào)諧性選擇合適的激光器參數(shù)。激光器使用德國Vertilas GmbH公司生產(chǎn)SE-A4型號的VCSEL激光器，發(fā)射出特定波長的近紅外窄帶激光。光電檢測器使用日本Hamamatsu Photonics品牌的G12180-020A，用于光電信號轉(zhuǎn)換。三角波信號掃描頻率采用10Hz，幅度為0.74V，高頻正弦波調(diào)制信號頻率采用40kHz，幅度為100mV。通過將激光器工作電流調(diào)節(jié)到5.48mA，工作溫度控制在24.3℃，實(shí)現(xiàn)激光器中心輸出波長調(diào)節(jié)在1512.2nm附近，輸出激光功率約1.5mW。氣體吸收池腔長為0.1m，經(jīng)過39次光路來回反射，總光程達(dá)到4.0m。氣體吸收池采用結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的懷特池光路方式[11]，由3塊曲率半徑相同的凹面反射鏡組成，激光光線進(jìn)入氣體室后在3塊反射鏡之間多次反射，以獲得較長測量光程。經(jīng)過調(diào)制特定波長的激光通過多次反射吸收池后，由光電檢測器接收。光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過鎖相電路進(jìn)行信號處理。本實(shí)驗(yàn)裝置采用TDLAS技術(shù)的工作原理如圖3所示。

圖3 TDLAS技術(shù)工作原理示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

LGT-500移動式NH3系統(tǒng)支持雙量程測量，實(shí)驗(yàn)中分別使用1828μmol/mol和49.2μmol/mol的NH3標(biāo)氣(以N2為背景氣)，通過美國MKS公司高精度的GE50A質(zhì)量流量控制器對NH3和N2配比驗(yàn)證系統(tǒng)的線性度，測試數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)高低兩個量程的測量準(zhǔn)確度≤±3%或±2μmol/mol，測試線性結(jié)果如表1和表2示，不同濃度對應(yīng)的諧波信號如圖4和圖5所示，高低兩個量程測量濃度與理論濃度之間的線性相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到1和0.99994。

表1 高量程線性數(shù)據(jù)

表2 低量程線性數(shù)據(jù)

圖4 高量程不同濃度諧波信號與線性曲線

圖5 低量程不同濃度諧波信號與線性曲線

由于柴油發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況排放監(jiān)測對于測量系統(tǒng)要求響應(yīng)快速，實(shí)驗(yàn)中通氣流量調(diào)節(jié)到2L/min，使用490μmol/mol濃度的NH3標(biāo)氣測試系統(tǒng)響應(yīng)時間，如圖6所示，系統(tǒng)響應(yīng)時間T90為8s。對于分析系統(tǒng)，隨著通氣流量增加，氣體置換時間變短，響應(yīng)時間也會縮短。

圖6 LGT-500系統(tǒng)響應(yīng)時間

4 現(xiàn)場應(yīng)用

LGT-500移動式NH3系統(tǒng)將分析單元集成在移動推車內(nèi)，無需額外配置推車，方便現(xiàn)場移動多點(diǎn)檢測。人機(jī)交互界面采用Android顯示，界面直觀、操作簡單，可以方便導(dǎo)出測量濃度信息。系統(tǒng)于2019年5月在柴油發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室與IAG公司生產(chǎn)的型號為NMS的NH3測量系統(tǒng)進(jìn)行分析比對，安裝位置為發(fā)動機(jī)排放尾氣管道，直徑為15～20cm，管道材質(zhì)為碳鋼，壁厚約為1cm。通過兩臺儀器對比測試，得出測量趨勢和濃度響應(yīng)一致，如圖7所示，兩臺系統(tǒng)測量NH3濃度最大偏差為1.34%。

圖7 LGT-500與NMS系統(tǒng)NH3對比測試濃度曲線

此外，使用現(xiàn)場AVL公司生產(chǎn)的型號為AMA1800氣體分割儀分段線性比對，得出LGT-500移動式NH3分析系統(tǒng)檢測分段濃度線性誤差≤±3%或±2μmol/mol，滿足指標(biāo)要求，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 AVL氣體分割儀線性數(shù)據(jù)

LGT-500移動式NH3分析系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用時，使用3m長度的伴熱取樣管線，系統(tǒng)全程高溫伴熱至200℃，避免NH3冷凝、吸附造成損失，保證測量準(zhǔn)確性。通過現(xiàn)場與IAG設(shè)備測量比對和AVL分割線性比對表明，LGT-500系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的測量準(zhǔn)確度和響應(yīng)時間，能夠滿足柴油發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況排放NH3的快速在線監(jiān)測應(yīng)用。

5 結(jié)論

LGT-500移動式NH3分析系統(tǒng)將激光光譜吸收技術(shù)和長光程技術(shù)相結(jié)合，提高測量檢測下限水平和測量準(zhǔn)確度，采用微小型氣體室，體積僅80mL，能夠快速響應(yīng)發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況變化，響應(yīng)時間≤10s。通過實(shí)驗(yàn)室測試及現(xiàn)場與IAG設(shè)備測量比對和AVL分割線性比對表明，LGT-500系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的測量準(zhǔn)確度，測量趨勢與IAG的NMS型號NH3分析系統(tǒng)一致，兩臺系統(tǒng)測量NH3濃度最大偏差為1.34%。LGT-500系統(tǒng)采用1512.2nm吸收譜線能夠滿足柴油發(fā)動機(jī)排放NH3含量的快速監(jiān)測應(yīng)用，測量準(zhǔn)確度≤±3%或±2μmol/mol，具有測量不受背景氣體交叉干擾、響應(yīng)速度快、可靠性高、支持雙探頭切換測量以及方便移動等優(yōu)點(diǎn)，為研究柴油發(fā)動機(jī)NH3排放控制能夠提供可靠數(shù)據(jù)支持。