CN111693489A - 一种基于tdlas技术的柴油机排放测试模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，包括计算机系统，气瓶，所述气瓶通过管道与气缸连接，所述气缸通过排气管与尾气回收装置连接，所述排气管的两侧分别设置有激光器和激光探测器，所述激光器和所述激光探测器分别与所述计算机系统连接。该装置可以模拟不同工况下柴油机气缸中的气体状态，并利用TDLAS技术对被测污染物的浓度，温度，压力进行测量。
Description
技术领域
本发明属于排放测试领域，具体涉及一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置。
背景技术
随着现代化工业的不断发展，柴油机正在扮演一个越来越重要的角色，已经被广泛地应用到了发电机组，汽车动力，轮船动力，农业耕田等领域中。但是，柴油机在广泛应用的同时也对地球环境造成了严重的污染，柴油机的尾气排放是造成环境地球污染的重要来源之一，许多人在不经意间都会接触到来自各种途径，各种渠道的柴油发动机尾气排放污染物。柴油机的尾气排放污染物包括CO，HC，NOx和颗粒物等，这些污染物不仅对自然环境造成了严重的危害，还对人类的健康产生消极的影响，此外，柴油机尾气的温度和压力能在一定程度上反映缸内的燃烧情况和循环的热效率。因此实时监测柴油机的排放特性，对降低柴油机污染物排放和优化柴油机性能有重要的科学意义。
传统的气体浓度检测方法有化学采样法和预处理系统采样法。化学采样法的测量系统结构比较复杂，在操作中可能会伴随着附加反应，无法保证测量结果的准确性，而且系统的响应时间比较长，不能满足对排放污染物进行实时测量的要求。预处理系统采样法的测量结果只能表示所取样本的浓度信息，并不能完整地表示出整个测量环境的浓度信息，而且在测量过程中还可能会出现气体泄漏的现象，气体泄漏会对测量结果造成很大的影响，影响测量结果的准确性。
可调谐激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy,简称 TDLAS)技术测量具有动态响应特性好，灵敏度高，非采样测量，非接触测量等优点，能实现对排放污染气体的实时高精度测量，是未来测试手段的发展趋势，针对TDLAS技术，国内外学者进行了广泛的研究。
最早的TDLAS技术测量研究诞生于1979年，由H.Inaba和K.Chan提出，从此拉开了TDLAS技术相关研究的序幕。1998年，美国诞生了世界上第一台TDLAS气体探测器，可用来检测氨气的浓度。随后，法国研究发明了LEL5610型气体分析仪，可用来检验甲烷，一氧化碳和二氧化碳的混合气浓度。2009年，美国威斯康星大学的Kranendonk,LA等人，利用TDLAS技术实现了燃气涡轮燃烧过程中的温度测量。国内的TDLAS技术研究起步较晚，但发展的速度比较迅速，在许多关键技术上已经取得突破性进展，正在缩小与国际尖端TDLAS技术的差距。浙江大学的姜治深等人测量了气体吸收池内标准浓度的CH4，标定出了测量结果的准确性，验证了该测试系统良好的动态响应特性，且得到了该系统的最小探测极限，目前已经可以应用在工业的气体排放测量中。哈尔滨工业大学戴景民等人研发得到了基于可调谐激光吸收光谱技术的乙烯气体检测系统，完成了对体积浓度为20-1120ppmv乙烯气体的浓度测量。中北大学的马志飞等人研发合计了调谐激光光谱技术和长光程吸收池结合的装置，进行了详细的分析研究，攻克了抗干扰性低于分析速度不迅速的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，该装置可以模拟不同工况下柴油机气缸中的气体状态，并利用TDLAS技术对被测污染物的浓度，温度，压力进行测量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，包括计算机系统1，气瓶2，所述气瓶2通过管道与气缸4连接，所述气缸4通过排气管7与尾气回收装置9连接，所述排气管7的两侧分别设置有激光器10和激光探测器11，所述激光器10和所述激光探测器11分别与所述计算机系统1连接。
进一步地，所述气瓶2的气体为N2、O2、CO、CO2、NO、NO2、HC、颗粒物的一种或多种混合物。
进一步地，所述气缸4的下端设置有进气口5，所述气瓶2与所述进气口5之间的连接管道上还设置有质量流量计3，所述质量流量计3与所述计算机系统1连接。
进一步地，所述气缸4的外侧设置有加热片12，所述加热片12与所述计算机系统1连接。
进一步地，所述气缸4的顶端设置有温度传感器13和压力传感器14，所述温度传感器13和压力传感器14分别与所述计算机系统1连接。
进一步地，所述气缸的顶端设置有节流阀15，所述节流阀15与所述计算机系统1连接。
进一步地，所述气缸的顶端还设置溢流阀16，所述溢流阀16与所述计算机系统1连接。
进一步地，所述气缸4设置有排气口6，通过所述排气口6与所述排气管7连接。
进一步地，所述排气管7上还设置有光学窗口8，所述激光器10和所述激光探测器11分别设置在所述光学窗口8的两侧。
本发明所述的基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置具有如下优点：
1、本发明装置可以模拟不同工况下柴油机气缸中的气体状态，并利用TDLAS技术对被测污染物的浓度，温度，压力进行测量。
2、测量方法为非采样测量，能对整个测试环境进行测量，克服了采样法的缺点。
3、设置了尾气回收装置，防止污染物流入大气危害环境。
4、溢流阀用于紧急卸压，防止缸内压力过高引起事故。
附图说明
图1为基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置示意图，
其中， 1、计算机系统，2、气瓶，3、质量流量计，4、气缸，5、进气口，6、排气口，7、排气管，8、光学窗口，9、尾气回收装置，10、激光器，11、激光探测器，12、加热片，13、温度传感器，14、压力传感器，15、节流阀，16、溢流阀。
具体实施方式
以下实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例：
如图1所示，本发明提供了一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，包括计算机系统1、气瓶2，气瓶2通过管道与气缸4的进气口5连接，气缸4上设置有排气口6，通过排气口6与排气管7连接，排气管7与尾气回收装置9连接，所述排气管7上还设置有光学窗口8，激光器10和激光探测器11分别设置在光学窗口8的两侧，并与计算机系统1连接。计算机系统1控制激光器10发出特定波数的激光，激光通过光学窗口8传播，并由激光探测器11检测穿过尾气后的激光强度。计算机系统1对激光探测器11的信号进行处理，可以得到不同污染物的多条吸收谱线，经过分析计算，就可以得到被测污染物的浓度，温度，压力信息。
上述的气瓶2中装有N2、O2、CO、CO2、NO、NO2、HC、颗粒物等，按照一定比例进行配比，可以模拟柴油机的排放尾气。气瓶的主要作用是进行配气，可以实现多种气体的混合，以此模拟柴油机的排放气体，除此之外，可以与浓度测量结果进行比对，验证测量的准确性。
在本发明的一种优选的实施方式中，气缸4的外侧设置有加热片12，加热片12与计算机系统1连接，可以实现对气缸4的加热。
通过加热片可以改变气体的温度信息，将气缸与配气装置结合可以改变气体的浓度、压力等信息，通过改变这些参量，达到模拟柴油机不同运行工况下的排放的目的，也可以研究不同环境因素下对测量的影响，为验证测量方法以及优化实验系统提供支持。
在本发明另一种优选的实施方式中，气瓶2与进气口5之间的连接管道上还设置有质量流量计3，质量流量计3与计算机系统1连接。气缸4的顶端设置有节流阀15、溢流阀16、温度传感器13和压力传感器14，所述节流阀15、溢流阀16、温度传感器13和压力传感器14分别与计算机系统1连接。通过质量流量计3和节流阀15实现进气及缸内的压力调节，并由温度传感器13和压力传感器14检测缸内的温度和压力，以模拟不同工况下气缸中的气体状态。通过加入溢流阀16的装置，可用于紧急卸压，防止缸内压力过高引起事故。
待气缸内的温度压力达到预定工况的温度压力后，打开排气口6，具有一定温度压力的尾气经过排气管7进入尾气回收装置9。计算机系统1控制激光器10发出特定波数的激光，激光通过光学窗口8传播，并由激光探测器11检测穿过尾气后的激光强度。计算机系统对激光探测器11的信号进行处理，可以得到不同污染物的多条吸收谱线，经过分析计算，就可以得到被测污染物的浓度，温度，压力信息。
本发明基于TDLAS技术的柴油机排放测试装置基于Beer-Lambert定律，利用可调谐激光对排放污染物进行测量，能够得到污染物的组分浓度，温度，压力。根据光谱吸收理论，每种污染物只能吸收特定波数的激光，激光器输出激光的波长可以根据待测气体进行改变，因此可以实现多种气体污染物的各种参数的测量。激光直接穿过气缸的排气管进行测量，无需采样过程，可实现实时在线测量。并且设置了尾气回收装置，保证测量的气体在实验过程中不会泄露，有效防止污染物流入大气危害环境。
需要指出的是，以上所述者仅为用以解释本发明之较佳实施例，并非企图据以对本发明作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之发明精神下所作有关本发明之任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护之范畴。
Claims (9)
1.一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，其特征在于：包括计算机系统（1），气瓶（2），所述气瓶（2）通过管道与气缸（4）连接，所述气缸（4）通过排气管（7）与尾气回收装置（9）连接，所述排气管（7）的两侧分别设置有激光器（10）和激光探测器（11），所述激光器（10）和所述激光探测器（11）分别与所述计算机系统（1）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，其特征在于：所述气瓶（2）的气体为N2、O2、CO、CO2、NO、NO2、HC、颗粒物的一种或多种混合物。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，其特征在于：所述气缸（4）的下端设置有进气口（5），所述气瓶（2）与所述进气口（5）之间的连接管道上还设置有质量流量计（3），所述质量流量计（3）与所述计算机系统（1）连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，其特征在于：所述气缸（4）的外侧设置有加热片（12），所述加热片（12）与所述计算机系统（1）连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，其特征在于：所述气缸（4）的顶端设置有温度传感器（13）和压力传感器（14），所述温度传感器（13）和压力传感器（14）分别与所述计算机系统（1）连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，其特征在于：所述气缸的顶端设置有节流阀（15），所述节流阀（15）与所述计算机系统（1）连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，其特征在于：所述气缸的顶端还设置溢流阀（16），所述溢流阀（16）与所述计算机系统（1）连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，其特征在于：所述气缸（4）设置有排气口（6），通过所述排气口（6）与所述排气管（7）连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的柴油机排放测试模拟装置，其特征在于：所述排气管（7）上还设置有光学窗口（8），所述激光器（10）和所述激光探测器（11）分别设置在所述光学窗口（8）的两侧。
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Cited By (1)
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| CN112255194A (zh) * | 2020-10-16 | 2021-01-22 | 哈尔滨工程大学 | 天然气发动机尾气甲烷浓度在线实时监测系统 |
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2020
- 2020-06-04 CN CN202010499787.6A patent/CN111693489A/zh active Pending
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