基于TDLAS技术的脉冲爆轰发动机管内燃气CO的测试研究

吕晓静 李宁 徐恩华 叶宝玉 高轶群

1.广州民航职业技术学院飞机维修工程学院，广东 广州 510403；

2. 南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094

脉冲爆轰发动机（PDE）作为一种新概念发动机，其燃气组分的动态监测能够直观显示发动机的工作状态，不仅可以推进爆轰机理的研究，而且能够为PDE设计改进和运行参数控制优化提供宝贵的数据参考。但PDE工作过程中会产生剧烈的振动，其瞬态特性、高温高压高速燃气等恶劣测量条件都对PDE的燃气测试带来困难[1]。

可调谐半导体吸收光谱（TDLAS）技术是一种基于吸收光谱的非接触气体测试技术，已有学者将TDLAS技术应用于PDE流场测试[2，3]，但主要集中于H2O作为气体测量对象，而燃气组分CO浓度变化情况是判断燃烧效率的重要参数。有学者采用6329cm-1波段CO激光器开展气体浓度的监测研究工作[4,5]，该波段谱线强度为10-3[atm-1cm-2]量级，且在高温条件下谱线强度减弱，还易受到CO2气体的干扰。X.Chao等人[6]在燃烧环境下对CO浓度的测试研究工作则是选取了R(11)谱线（4301.7cm-1），但是该谱线吸收度同样较弱。这两条谱线均不能直接用于PDE管内燃气CO组分的监测。

本文以CO为测试气体对象，设计搭建光纤分布式测量系统，选用R(30)谱线（4348cm-1）对PDE管内CO气体进行了检测。研究了燃料当量比对PDE工作循环过程各个阶段的影响。

1 TDLAS测试理论及谱线选择

TDLAS测量原理为Beer-Lambert吸收定律[7]，当一束单色光通过气体介质时，气体会对光束产生吸收，吸收程度表示为:

其中，It为穿越气体介质后的透射激光强度，I0为初始激光强度；P为气体介质的压力；S(T)为温度T的函数，表征待测气体特征谱线的谱线强度[7]；C是待测气体介质的体积浓度；L为测试光程。

对式(1)两边进行对数运算后在整个频域积分，得到

图1 4340cm-1波段CO与H2O谱线计算结果对比

改变半导体激光器工作电流和温度可以驱动激光器输出激光频率在一定范围内连续变化[8]。将穿越气体介质后的透射激光强度与初始入射激光强度进行比较，从而得到光谱吸收率信号。

在确定温度下，吸收光谱在频域上的积分面积与谱线强度呈线性关系。同时扫描两条吸收谱线，获得谱线吸收光谱面积比值变化曲线，变化趋势仅与温度T有关，且是一一对应关系。通过该曲线可实现气体压力P和浓度X未知情况下燃气温度的在线测量。

由于在4340cm-1波段附近有H2O吸收谱线的干扰，为了选取合适的吸收谱线以排除无关气体对测量结果的干扰，对该波段附近H2O和CO的吸收谱线均进行了数值计算，结果由图1给出。

在温度较低时（296K），两种气体的光谱吸收率均较低，但是CO明显高于H2O；温度较高时（1000K），CO和H2O的光谱吸收率均明显增加，而且两种气体谱线之间重叠干扰严重。R(34)谱线（4338.77cm-1）在不同温度下均与H2O吸收谱线相错开，且该谱线对光的吸收度明显高于R(30)谱线，测量灵敏度满足燃气测试需要。由此，可以选择该波段谱线，开展针对PDE管内燃气组分CO的测试研究工作[9]。

2 PDE管内CO燃气测试

2.1 光纤分布式CO测试系统

以无阀式气液两相连续PDE为测量对象，发动机总长为190cm，内径80mm。通过调整PDE点火频率来控制PDE使其在相应频率下工作。改变燃料氧化剂供给流量来控制新鲜燃料氧化剂的补充进气速度。

PDE管内温度的测量采用双谱线测试方法，测试方法及测试系统在文献1和10中有详细介绍。CO浓度测试系统由图2给出，采用图示系统测得PDE工作过程中吸收光谱变化情况，并结合温度测量结果对CO浓度进行计算。

图2 光纤分布式CO测试系统

2.2 燃料当量比对PDE爆轰过程的影响

使PDE在表1所示进气条件下进行连续工作，对PDE燃气温度、组分CO浓度和燃气压力变化情况开展测试工作，测试结果由图3给出。

表1 测试工况条件

产生的爆轰波到达测试光路时刻记为0ms。各工况条件下的爆轰压力波形相似，当量比1.31条件下，爆轰压力最高值达到0.6MPa，而当量比1.09时，压力峰值仅达到0.49MPa。不同工况下，CO浓度最高值均超过21%，且总体变化趋势一致。单个工作循环结束时刻CO浓度值高于10%，表明表1示工况中PDE均处于富油状态，PDE未完全填充。在爆轰波过后的高速燃气喷射阶段，CO浓度迅速降低；在18～26ms之间浓度变化均非常平稳，之后再次上升，主要原因是缓燃效应的发生。在PDE工作循环前期，不同工况条件下CO浓度相差不大，表明燃料当量比对爆轰波形成及传播阶段和燃气排放阶段影响较微弱；而在缓燃和燃气排空阶段，当量比较小的工况一条件下，CO的浓度值明显低于另外两个工况。燃料当量比对缓燃和燃气排空阶段的影响较明显。

图3 PDE管内参考数变化情况

当量比1.31条件下，燃气温度最高值可达到2321K，当量比1.09时，温度峰值达到1949K。在缓燃阶段及燃料填充阶段，不同工况下燃气温度曲线均出现小幅上升，但工况三当量比1.31条件下，温度上升幅度明显高于另外两个工况。表明，燃料当量比对脉冲爆轰发动机的整个循环过程均有影响，但对缓燃阶段的影响更明显一些。在富油条件下，增加燃料当量比后，PDE可以实现稳定爆轰，但是爆轰效果并没有得到显著提升，相反由于缓燃效应产生了更多CO，燃烧效率降低同时污染环境。

3 结论

本文基于吸收光谱测试法搭建测试系统，选用R(30)谱线（4348cm-1）对PDE管内CO气体进行了测试。研究了燃料当量比对PDE工作循环过程中各个阶段的影响。结果表明，PDE处于富油状态时，燃料当量比主要影响PDE循环后期的缓燃阶段，而对前期爆轰波的形成及传播阶段影响较弱。