拉曼積分球原位檢測燃油發(fā)動機(jī)尾氣成分

黃保坤,趙倩男,劉葉繁,朱 琳,張 鴻,張韞宏,劉 艷

1. 江蘇海洋大學(xué)理學(xué)院,江蘇 連云港 222005 2. 江蘇海洋大學(xué)電子工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005 3. 北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院化學(xué)系,北京 102488 4. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所能源動力研究中心,北京 100190

引 言

燃油發(fā)動機(jī)誕生一百多年來,隨著技術(shù)不斷迭代更新,已應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。發(fā)動機(jī)尾氣的排放,成為了大氣污染主要來源,準(zhǔn)確定性、定量檢測尾氣中各組分含量對尾氣的治理具有重要意義,也可為發(fā)動機(jī)燃油供給系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)工作狀況的評估提供參考[1]。溫度和壓力對尾氣的檢測結(jié)果具有很大的影響,例如燃油發(fā)動機(jī)的燃料在溫度較高時為氣態(tài),溫度降低時為液態(tài),因此必須保證原位、實(shí)時的檢測條件,才能保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的氣體傳感器,檢測范圍較窄,穩(wěn)定性差,且可能與其他雜質(zhì)氣體產(chǎn)生反應(yīng),造成測量結(jié)果偏差[2]。紅外吸收光譜技術(shù),具有高分辨率、高靈敏度等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于氣體檢測中,但多組分共存時,普遍存在譜峰重疊現(xiàn)象[3]。相較而言拉曼光譜檢測技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢,現(xiàn)已應(yīng)用于電化學(xué)[4]、納米化學(xué)[5]、催化反應(yīng)[6]以及物理化學(xué)[7]等領(lǐng)域。其中拉曼積分球光譜儀可以原位、實(shí)時、無損地對多成分混合氣體中所有的分子類氣體(不包括惰性氣體)進(jìn)行檢測,并且具有較高的空間分辨率,適用于氣體分子分布梯度的檢測[8]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

采用自主研制的拉曼積分球光譜儀[9],激發(fā)光源為Cobolt公司的532 nm固體激光器,輸出功率500 mW,CCD為Andor公司的316LDC-DD,光譜儀的光譜范圍為800～3 100 cm-1,分辨率約3 cm-1。首先測量空氣的拉曼光譜和95號汽油揮發(fā)后的空氣拉曼光譜,曝光時間均為180 s,測得拉曼光譜圖如圖1(a—d)所示,空氣的拉曼光譜中包括拉曼頻移在1 553和2 331 cm-1的O2和N2的振動峰,以及在1 285和1 388 cm-1的CO2的費(fèi)米共振峰,含有汽油揮發(fā)物空氣的拉曼光譜除了包含空氣中O2和N2的拉曼特征峰外,還包括汽油的拉曼特征峰,其位置分別為:996、1 008、1 035、1 057、1 073和1 212 cm-1。在2 800～3 200 cm-1范圍是汽油多種成分C—H鍵混合在一起的拉曼特征峰,其主峰位置為2 894和2 956 cm-1。

圖1 空氣和含有汽油揮發(fā)物的空氣的拉曼光譜圖(a,b,c,d)Fig.1 Raman spectra of air and air containing gasoline volatiles (a,b,c,d)

圖2為發(fā)動機(jī)尾氣原位檢測的展示圖,在實(shí)驗(yàn)過程中,將除草機(jī)尾氣排放口對準(zhǔn)拉曼積分球的樣品檢測焦點(diǎn),實(shí)時檢測除草機(jī)尾氣排放的組分和含量。

圖2 發(fā)動機(jī)尾氣原位檢測圖Fig.2 Diagram of in situ detection of engine exhaust

在除草機(jī)發(fā)動機(jī)的工作過程中,氮?dú)饣旧喜粎⑴c燃燒。而數(shù)據(jù)顯示,隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加,氮?dú)獾慕^對峰強(qiáng)呈現(xiàn)下降趨勢。這是因?yàn)槿紵以谌紵^程中,溫度升高,導(dǎo)致斯托克斯散射強(qiáng)度下降,而且尾氣中各氣體組分的拉曼絕對峰強(qiáng)均有所下降。為了消除發(fā)動機(jī)燃燒過程中溫度帶來的影響,以氮?dú)庾鳛槲矚鈿怏w成分定量分析的內(nèi)標(biāo)物質(zhì),對特征峰光譜強(qiáng)度做歸一化處理,如圖3(a—d)所示,對各組分特征峰強(qiáng)度歸一化處理后數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各組分相對峰強(qiáng)Table 1 Relative peak intensity of each component

圖3 空氣、含汽油揮發(fā)物的空氣和燃油發(fā)動機(jī)不同檔位時的尾氣的歸一化拉曼光譜圖(a,b,c,d)Fig.3 Normalized Raman spectra of air,air containing gasoline volatiles and exhaust gas of a fuel engine in different gear locations(a,b,c,d)

發(fā)動機(jī)檔位提升后,會有更多的汽油揮發(fā)物和空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室燃燒,進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)的輸出功率。觀察數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),在歸一化后的尾氣組分含量的數(shù)據(jù)中,氧氣相對含量升高,這是由于檔位加大,燃燒室內(nèi)的進(jìn)氣量變大,未參與燃燒的氧氣過剩所導(dǎo)致的。二氧化碳是汽油中含碳化合物充分燃燒的表征,檔位變換后,二氧化碳濃度的升高則是空燃比提升的體現(xiàn),也是發(fā)動機(jī)動力提升的依據(jù)。與此同時,尾氣中一氧化碳與汽油的相對峰強(qiáng)則是隨著發(fā)動機(jī)怠速,一檔,二檔的變化,先上升后下降。一檔與怠速相比,汽油需求量與進(jìn)氣量同時增加,因未燃燒充分,從而導(dǎo)致尾氣中剩余汽油增加,CO含量增加。與一檔相比,二檔尾氣中的CO與汽油含量都下降,說明發(fā)動機(jī)在此狀態(tài)下,汽油燃燒更加充分。二檔與怠速狀態(tài)下的CO含量相對不變,而在二檔汽油量增加的同時,汽油的剩余量卻更小,相比較而言,二檔狀態(tài)下發(fā)動機(jī)的空燃比最大,輸出功率更大。

2 結(jié) 論

通過自主研制的拉曼積分球光譜儀,利用其高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了除草機(jī)燃油發(fā)動機(jī)尾氣的原位測量,并對尾氣中N2、O2、CO2、CO、未燃燒的汽油的含量與發(fā)動機(jī)檔位的關(guān)系進(jìn)行了分析,驗(yàn)證了拉曼積分球光譜儀在燃油發(fā)動機(jī)尾氣檢測方面的可行性,對于環(huán)境保護(hù)、發(fā)動機(jī)狀態(tài)檢測等提供了一種原位檢測的工具。