基于TDLAS技術(shù)的脈沖爆轟發(fā)動機管內(nèi)燃氣CO的測試研究

呂曉靜 李寧 徐恩華 葉寶玉 高軼群

1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學院飛機維修工程學院，廣東 廣州 510403；

2. 南京理工大學瞬態(tài)物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094

脈沖爆轟發(fā)動機（PDE）作為一種新概念發(fā)動機，其燃氣組分的動態(tài)監(jiān)測能夠直觀顯示發(fā)動機的工作狀態(tài)，不僅可以推進爆轟機理的研究，而且能夠為PDE設(shè)計改進和運行參數(shù)控制優(yōu)化提供寶貴的數(shù)據(jù)參考。但PDE工作過程中會產(chǎn)生劇烈的振動，其瞬態(tài)特性、高溫高壓高速燃氣等惡劣測量條件都對PDE的燃氣測試帶來困難[1]。

可調(diào)諧半導體吸收光譜（TDLAS）技術(shù)是一種基于吸收光譜的非接觸氣體測試技術(shù)，已有學者將TDLAS技術(shù)應用于PDE流場測試[2，3]，但主要集中于H2O作為氣體測量對象，而燃氣組分CO濃度變化情況是判斷燃燒效率的重要參數(shù)。有學者采用6329cm-1波段CO激光器開展氣體濃度的監(jiān)測研究工作[4,5]，該波段譜線強度為10-3[atm-1cm-2]量級，且在高溫條件下譜線強度減弱，還易受到CO2氣體的干擾。X.Chao等人[6]在燃燒環(huán)境下對CO濃度的測試研究工作則是選取了R(11)譜線（4301.7cm-1），但是該譜線吸收度同樣較弱。這兩條譜線均不能直接用于PDE管內(nèi)燃氣CO組分的監(jiān)測。

本文以CO為測試氣體對象，設(shè)計搭建光纖分布式測量系統(tǒng)，選用R(30)譜線（4348cm-1）對PDE管內(nèi)CO氣體進行了檢測。研究了燃料當量比對PDE工作循環(huán)過程各個階段的影響。

1 TDLAS測試理論及譜線選擇

TDLAS測量原理為Beer-Lambert吸收定律[7]，當一束單色光通過氣體介質(zhì)時，氣體會對光束產(chǎn)生吸收，吸收程度表示為:

其中，It為穿越氣體介質(zhì)后的透射激光強度，I0為初始激光強度；P為氣體介質(zhì)的壓力；S(T)為溫度T的函數(shù)，表征待測氣體特征譜線的譜線強度[7]；C是待測氣體介質(zhì)的體積濃度；L為測試光程。

對式(1)兩邊進行對數(shù)運算后在整個頻域積分，得到

圖1 4340cm-1波段CO與H2O譜線計算結(jié)果對比

改變半導體激光器工作電流和溫度可以驅(qū)動激光器輸出激光頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化[8]。將穿越氣體介質(zhì)后的透射激光強度與初始入射激光強度進行比較，從而得到光譜吸收率信號。

在確定溫度下，吸收光譜在頻域上的積分面積與譜線強度呈線性關(guān)系。同時掃描兩條吸收譜線，獲得譜線吸收光譜面積比值變化曲線，變化趨勢僅與溫度T有關(guān)，且是一一對應關(guān)系。通過該曲線可實現(xiàn)氣體壓力P和濃度X未知情況下燃氣溫度的在線測量。

由于在4340cm-1波段附近有H2O吸收譜線的干擾，為了選取合適的吸收譜線以排除無關(guān)氣體對測量結(jié)果的干擾，對該波段附近H2O和CO的吸收譜線均進行了數(shù)值計算，結(jié)果由圖1給出。

在溫度較低時（296K），兩種氣體的光譜吸收率均較低，但是CO明顯高于H2O；溫度較高時（1000K），CO和H2O的光譜吸收率均明顯增加，而且兩種氣體譜線之間重疊干擾嚴重。R(34)譜線（4338.77cm-1）在不同溫度下均與H2O吸收譜線相錯開，且該譜線對光的吸收度明顯高于R(30)譜線，測量靈敏度滿足燃氣測試需要。由此，可以選擇該波段譜線，開展針對PDE管內(nèi)燃氣組分CO的測試研究工作[9]。

2 PDE管內(nèi)CO燃氣測試

2.1 光纖分布式CO測試系統(tǒng)

以無閥式氣液兩相連續(xù)PDE為測量對象，發(fā)動機總長為190cm，內(nèi)徑80mm。通過調(diào)整PDE點火頻率來控制PDE使其在相應頻率下工作。改變?nèi)剂涎趸瘎┕┙o流量來控制新鮮燃料氧化劑的補充進氣速度。

PDE管內(nèi)溫度的測量采用雙譜線測試方法，測試方法及測試系統(tǒng)在文獻1和10中有詳細介紹。CO濃度測試系統(tǒng)由圖2給出，采用圖示系統(tǒng)測得PDE工作過程中吸收光譜變化情況，并結(jié)合溫度測量結(jié)果對CO濃度進行計算。

圖2 光纖分布式CO測試系統(tǒng)

2.2 燃料當量比對PDE爆轟過程的影響

使PDE在表1所示進氣條件下進行連續(xù)工作，對PDE燃氣溫度、組分CO濃度和燃氣壓力變化情況開展測試工作，測試結(jié)果由圖3給出。

表1 測試工況條件

產(chǎn)生的爆轟波到達測試光路時刻記為0ms。各工況條件下的爆轟壓力波形相似，當量比1.31條件下，爆轟壓力最高值達到0.6MPa，而當量比1.09時，壓力峰值僅達到0.49MPa。不同工況下，CO濃度最高值均超過21%，且總體變化趨勢一致。單個工作循環(huán)結(jié)束時刻CO濃度值高于10%，表明表1示工況中PDE均處于富油狀態(tài)，PDE未完全填充。在爆轟波過后的高速燃氣噴射階段，CO濃度迅速降低；在18～26ms之間濃度變化均非常平穩(wěn)，之后再次上升，主要原因是緩燃效應的發(fā)生。在PDE工作循環(huán)前期，不同工況條件下CO濃度相差不大，表明燃料當量比對爆轟波形成及傳播階段和燃氣排放階段影響較微弱；而在緩燃和燃氣排空階段，當量比較小的工況一條件下，CO的濃度值明顯低于另外兩個工況。燃料當量比對緩燃和燃氣排空階段的影響較明顯。

圖3 PDE管內(nèi)參考數(shù)變化情況

當量比1.31條件下，燃氣溫度最高值可達到2321K，當量比1.09時，溫度峰值達到1949K。在緩燃階段及燃料填充階段，不同工況下燃氣溫度曲線均出現(xiàn)小幅上升，但工況三當量比1.31條件下，溫度上升幅度明顯高于另外兩個工況。表明，燃料當量比對脈沖爆轟發(fā)動機的整個循環(huán)過程均有影響，但對緩燃階段的影響更明顯一些。在富油條件下，增加燃料當量比后，PDE可以實現(xiàn)穩(wěn)定爆轟，但是爆轟效果并沒有得到顯著提升，相反由于緩燃效應產(chǎn)生了更多CO，燃燒效率降低同時污染環(huán)境。

3 結(jié)論

本文基于吸收光譜測試法搭建測試系統(tǒng)，選用R(30)譜線（4348cm-1）對PDE管內(nèi)CO氣體進行了測試。研究了燃料當量比對PDE工作循環(huán)過程中各個階段的影響。結(jié)果表明，PDE處于富油狀態(tài)時，燃料當量比主要影響PDE循環(huán)后期的緩燃階段，而對前期爆轟波的形成及傳播階段影響較弱。