柴油发动机排放NH3快速在线监测系统的研究与应用

刘立富 吴 强 王志平 邱梦春 陈 东 孙 军

(杭州春来科技有限公司，杭州 310052)

发动机排放尾气是大气污染的重要来源之一，为了保护我国的大气环境，国家对发动机尾气排放要求越来越严格，并且不断出台新政策。2016年12月23日，环境保护部、国家质检总局发布《GB 18352.6-2016 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，自2020年7月1日起实施。2018年6月22日，生态环境部、国家市场监督管理总局发布《GB 17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，自2019年7月1日起实施。目前通过采用优化缸内燃烧过程、增压中冷技术、多气门技术、柴油机排气再循环等机内控制技术，对尾气减排具有一定效果。为了达到排放标准要求，既要优化机内燃烧过程，还需要对尾气脱硝后处理技术提出更高要求。发动机尾气中最大的污染气体主要是NOx和其他燃烧不充分的气体，柴油发动机中尾气排放处理装置主要针对NOx的处理。目前在市场上比较普遍的尾气后处理技术为选择性催化还原(SCR)技术。SCR技术，即在催化剂的作用下，喷入还原剂尿素或氨，把尾气中的NOx还原成无害的N2和H2O[1]。

为了保证柴油发动机尾气排放含量满足国家标准要求，在柴油发动机推向市场前需要在实验室中对排放尾气浓度进行测试验证和排放控制研究，以便于发动机制造商改进产品，推出更加环保满足排放要求的柴油发动机。依据《GB 17691-2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，发动机标准循环排放测量气体有CO、NOx、NH3、NMHC和THC等，其中NH3排放结果乘以劣化系数后的限值要求不超过10μmol/mol。发动机排放工况为瞬态工况，对于监测系统响应时间要求高。实时快速地监测排放污染物的气体含量用来监控柴油发动机燃烧环节，这要求排放气体监测系统必须要有方便性、高精度、快速在线测量的特性。光谱吸收法测量气体含量作为一类应用广泛和优势明显的监测技术，受到广泛关注[2]。目前，我国柴油发动机NH3排放监测设备采用进口品牌，如日本Horiba、奥地利IAG，分别采用中红外量子级联激光光谱法和近红外可调谐激光光谱法测量发动机排放NH3含量。不仅采购费用高，而且售后维修的零部件价格高、维修周期长，造成设备的使用成本、维护成本和折旧费都较高[3]。国内NH3浓度监测的研究和应用大多是针对工业过程脱硝氨逃逸控制和固定污染源氨逃逸排放监测领域，测量方式涵盖原位对穿、单端反射、便携和在位抽取等方式[4-8]，暂时国内没有企业推出针对发动机排放NH3的在线监测设备。本研究基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和长光程多次反射技术，研发一种移动式发动机排放NH3快速在线监测系统，为研究发动机NH3排放控制提供可靠数据支持。

本研究的NH3监测系统采用推车式结构方便多点移动测量，支持双探头切换，软件自动化集成度高，能够实现自动检漏、自动反吹、自动标定、自动线性检查、自动存储测量结果等功能。系统核心测量模块采用垂直腔面发射激光器作为激光发射光源，通过叠加的低频三角波信号和高频正弦波信号对激光器进行扫描和调制。经过波长调制和锁相放大检波得到二次谐波信号，通过二次谐波峰高等信息计算NH3浓度值。通过实验室测试和现场比对验证，证明了该系统能够满足发动机排放NH3在线快速监测的使用要求。

1 基本原理

可调谐半导体激光吸收光谱技术需要获取待测气体特征吸收的光谱谱线，在弱吸收条件下，激光器发射出窄带激光通过被测气体的光强衰减可以使用Beer-Lambert关系进行表述[9,10]：

Iν=I0T(ν)=I0exp[-S(T)g(ν-ν0)PXL]

(1)

式中：I0和Iν分别表示频率为ν的窄带激光入射时和经过光程L、气体压力P和体积浓度为X的气体后的光强。S(T)为气体吸收的谱线强度，线形函数g(ν-ν0)表示该吸收谱线的形状，它与气体温度、压力及成分含量等因素有关。在近红外区域，气体谱线吸收强度较弱，一般会满足式(2)条件。

S(T)g(ν-v0)PXL≤0.05

(2)

当满足式(2)条件时，被测气体浓度结果会呈现较好的线性关系，此时式(1)可近似等于式(3)。

Iν≈I0[1-S(T)g(ν-ν0)PXL]

(3)

谱线强度S(T)是气体温度的函数，常规气体的S(T)参数可以在分子光谱数据库HITRAN中查询，一定温度下的S(T)可由公式(4)进行计算。

(4)

式中，Q(T)是分子内部分割函数，E是分子跃迁基层能量，h是普朗克常数，k是波尔兹曼常数，c是光速，S(T0)是参考温度T0下的谱线强度。

可调谐激光吸收光谱技术主要有3种，即波长调制、频率调制和直接吸收，波长调制技术由于高灵敏度和检测能力，被普遍采用。TDLAS技术利用激光波长的可调谐性，获取待测气体特征吸收的光谱谱线，从而实现气体定量分析。波长调制光谱技术，正弦信号对激光发射频率进行高频调制，调制后的发射频率为：

(5)

(6)

由公式(6)得出，在特定的吸收谱线和一定的压力、温度、光程及激光频率调制幅度下，可以得到气体含量与二次谐波之间的关系：

(7)

式中，V2f为二次谐波分量信号，K为标定系数，I0为光强直流分量，通过分析这些参数，即可获取气体浓度含量信息。

2 系统介绍

基于TDLAS技术和长光程反射技术工作原理，杭州春来科技有限公司研究开发的LGT-500移动式激光NH3分析系统，用于柴油发动机排放NH3在线实时监测。本系统主要由取样单元、加热单元、反吹单元、测量单元、显示单元和电控单元等组成，产品外观如图1所示。样气经过采样探头、高温取样管到达机柜内，经过过滤器后进入分析系统测量单元分析待测组分，实时分析后排至安全区域。为避免样气出现冷凝结晶问题，样气经过区域通过加热单元均高温伴热至200℃，反吹单元定期自动反吹气路。测量单元主要功能模块包含发射单元、接收单元、信号处理单元和多次反射吸收池等。发射单元主要实现驱动半导体激光器发射出特定波长的激光，这些窄带激光经过含有被测气体的吸收池多次反射后，由接收单元进行光电转换并传输给信号处理单元进行光谱数据分析，获得测量结果，测量结果可以通过RS485或4～20mA输出信号传输。显示单元包含Android操作界面，功能分类清晰。通过界面可以实现系统校准操作、自动化操作及参数设置和读取等，满足日常使用和维护要求。

图1 LGT-500系统组成框图

LGT-500系统取样单元含有两路取样气路，支持双探头切换测量，能够对两个柴油发动机台架实现轮换在线测量，内部气体室容积≤80mL，响应时间短。电控单元和操作单元分别实现系统电气控制和气路控制，以实现不同需求状态下的测量结果。标定单元通过气路阀控制，实现在线标定和全程标定两种方式。

3 测量实验

3.1 谱线选择

被测气体吸收谱线需要选择合适位置的谱线，要求吸收强度合适、附近没有背景气体吸收。NH3气体在近红外1.5μm和中红外10μm附近均有吸收信号，由于扫描中红外10μm谱线需要使用量子级联QCL激光器，该激光器价格高昂、产生热量多，不利于商业化。近红外激光器应用成熟，可靠性高，在1.5μm附近有足够的吸收强度。

在1个标准大气压，473K温度和4m光程条件下，筛选谱线，通过Hitran数据库查找NH3、H2O、CO、CO2和NO谱线数据，如图2所示。得出在1512.2nm附近NH3不受其他背景气体干扰，可以实现NH3和H2O含量同时监测。

图2 1512.2nm附近NH3和背景气体吸收信号

3.2 实验装置

LGT-500移动NH3分析系统测量分析模块基于TDLAS技术测量，利用波长可调谐性选择合适的激光器参数。激光器使用德国Vertilas GmbH公司生产SE-A4型号的VCSEL激光器，发射出特定波长的近红外窄带激光。光电检测器使用日本Hamamatsu Photonics品牌的G12180-020A，用于光电信号转换。三角波信号扫描频率采用10Hz，幅度为0.74V，高频正弦波调制信号频率采用40kHz，幅度为100mV。通过将激光器工作电流调节到5.48mA，工作温度控制在24.3℃，实现激光器中心输出波长调节在1512.2nm附近，输出激光功率约1.5mW。气体吸收池腔长为0.1m，经过39次光路来回反射，总光程达到4.0m。气体吸收池采用结构简单、性能稳定的怀特池光路方式[11]，由3块曲率半径相同的凹面反射镜组成，激光光线进入气体室后在3块反射镜之间多次反射，以获得较长测量光程。经过调制特定波长的激光通过多次反射吸收池后，由光电检测器接收。光电检测器将光信号转换为电信号，再经过锁相电路进行信号处理。本实验装置采用TDLAS技术的工作原理如图3所示。

图3 TDLAS技术工作原理示意图

3.3 实验数据

LGT-500移动式NH3系统支持双量程测量，实验中分别使用1828μmol/mol和49.2μmol/mol的NH3标气(以N2为背景气)，通过美国MKS公司高精度的GE50A质量流量控制器对NH3和N2配比验证系统的线性度，测试数据表明该系统高低两个量程的测量准确度≤±3%或±2μmol/mol，测试线性结果如表1和表2示，不同浓度对应的谐波信号如图4和图5所示，高低两个量程测量浓度与理论浓度之间的线性相关系数分别达到1和0.99994。

表1 高量程线性数据

表2 低量程线性数据

图4 高量程不同浓度谐波信号与线性曲线

图5 低量程不同浓度谐波信号与线性曲线

由于柴油发动机瞬态工况排放监测对于测量系统要求响应快速，实验中通气流量调节到2L/min，使用490μmol/mol浓度的NH3标气测试系统响应时间，如图6所示，系统响应时间T90为8s。对于分析系统，随着通气流量增加，气体置换时间变短，响应时间也会缩短。

图6 LGT-500系统响应时间

4 现场应用

LGT-500移动式NH3系统将分析单元集成在移动推车内，无需额外配置推车，方便现场移动多点检测。人机交互界面采用Android显示，界面直观、操作简单，可以方便导出测量浓度信息。系统于2019年5月在柴油发动机实验室与IAG公司生产的型号为NMS的NH3测量系统进行分析比对，安装位置为发动机排放尾气管道，直径为15～20cm，管道材质为碳钢，壁厚约为1cm。通过两台仪器对比测试，得出测量趋势和浓度响应一致，如图7所示，两台系统测量NH3浓度最大偏差为1.34%。

图7 LGT-500与NMS系统NH3对比测试浓度曲线

此外，使用现场AVL公司生产的型号为AMA1800气体分割仪分段线性比对，得出LGT-500移动式NH3分析系统检测分段浓度线性误差≤±3%或±2μmol/mol，满足指标要求，具体数据如表3所示。

表3 AVL气体分割仪线性数据

LGT-500移动式NH3分析系统在现场应用时，使用3m长度的伴热取样管线，系统全程高温伴热至200℃，避免NH3冷凝、吸附造成损失，保证测量准确性。通过现场与IAG设备测量比对和AVL分割线性比对表明，LGT-500系统表现出良好的测量准确度和响应时间，能够满足柴油发动机瞬态工况排放NH3的快速在线监测应用。

5 结论

LGT-500移动式NH3分析系统将激光光谱吸收技术和长光程技术相结合，提高测量检测下限水平和测量准确度，采用微小型气体室，体积仅80mL，能够快速响应发动机瞬态工况变化，响应时间≤10s。通过实验室测试及现场与IAG设备测量比对和AVL分割线性比对表明，LGT-500系统表现出良好的测量准确度，测量趋势与IAG的NMS型号NH3分析系统一致，两台系统测量NH3浓度最大偏差为1.34%。LGT-500系统采用1512.2nm吸收谱线能够满足柴油发动机排放NH3含量的快速监测应用，测量准确度≤±3%或±2μmol/mol，具有测量不受背景气体交叉干扰、响应速度快、可靠性高、支持双探头切换测量以及方便移动等优点，为研究柴油发动机NH3排放控制能够提供可靠数据支持。