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某种用于表征内燃机进气系统内气体瞬态参数分布的基于探针技术的多路复用多光谱吸收传感器的设计与开发
摘要：设计并开发了用于商用多气缸内燃机进气侧气体性质测定的四探针多路复用多光谱吸收传感器系统；所得到的循环和气缸分析的浓度，温度和压力测量值适用于评估再循环废气（EGR）沿进气路径各处分布的时间和空间变化，这又与评估气缸的电荷均匀性，控制策略以及计算流体动力学（CFD）模型相关。诊断基于吸收光谱，包含一个用来测量气体温度，压力，水蒸气浓度的水蒸气吸收系统（利用一个1.39微米的分布式反馈（DFB）二极管激光器），一个用来测量二氧化碳浓度的二氧化碳吸收系统（利用一个2.7微米的DFB二极管激光器）。各种激光器，光学部件和探测器被封装在仪器箱内，而1.39微米和2.7微米的激光器分别由安装在发动机上的探针通过光纤和空芯光纤引导。5kHz的测量带宽保证了高精度曲柄角分辨率的测量，在1000RPM下具有1.2度曲柄角的分辨率。使用紧凑型不锈钢测量探头可以在发动机的不同位置同时进行多点测量基本引擎硬件的最小变化；除了通过同时多探针测量来分辨大规模的空间变化之外，可以通过调动单个探针来分辨局部空间梯度。除了各种传感器设计特性和性能的细节，我们还演示使用多道次加热的电池和传感器探针来验证相关的吸收转变的光谱参数。
- 引言
废气再循环（EGR）越来越多地被发动机设计者用来减少发动机排放，同时也维持或提高发动机效率。并且用EGR控制NOx已是现在发动机行业的规范，最新一代涡轮增压和小型汽油发动机也开始利用EGR来提高耐爆震性。通过有效地提高燃料的辛烷值，并允许更早的点火正时，EGR还能够在提高发动机效率同时拥有较低的排气温度，这也减少了涡轮增压器热应力。此外，发动机燃烧研究领域的一些先进燃烧模式，例如预混合充气压缩点火（PCCI），反应性控制压缩点火（RCCI）和部分预混合燃烧（PPC），需要精确的EGR方面的知识和被馈送到每个气缸中的新鲜充量的温度，以及相关联的充电参数波动。因此，发动机研究人员对于气体性质（组成和温度）的循环和气缸分析测量很感兴趣。这种测量需要具有多kHz测量带宽的传感器系统，而这是传统的测量设备诸如热电偶和抽取采样气体分析仪不能提供的。即使是Cambustion Fast NDIR系列的采样气体分析仪，其125 Hz的最大测量带宽也不足以解决发动机在曲轴角较小时间尺度内的动态特性。
基于激光吸收的传感器提供了周期气缸内气体-物质瞬变的解决方案；特别的，已经知道这样的传感器为内燃机以及各种其它燃烧系统包括燃气涡轮发动机，超速燃烧器和扁平火焰燃烧器中的测量提供多kHz带宽。此外，在这些吸收性研究中，和都被用作燃烧气体标记物。然而，仅仅依靠作为EGR标记可能导致错误的结果，这是由于使用EGR冷却器和新鲜充气冷却器，而这两者都用于对相关气流进行除湿的原因。因此，这些冷却器可以去除入口浓度瞬变，有效地避免来自下游吸收传感器的气体动态影响。另一方面，不被这些冷却器去除，并将提供EGR-空气混合动态的更精确的表征。在之前的工作中，我们描述了一种用来分析内燃机进气系统中瞬态二氧化碳浓度的多探头传感器，它用使用测量环境的平均温度和压力的单个吸收跃变进行校准。虽然该单线传感器在整个大部分进气歧管中的相对等温和等压条件下能够具有足够的精度，但是它对与温度和压力变化相关的误差很敏感。例如，由于气体分子吸收的光的量取决于气体温度，压力和浓度，单线传感器不能区分高温下的高浓度和低温下的低浓度；比如热和冷的EGR。实际上，这种热和冷的EGR存在于进气门附近，以来自先前燃烧（即再吸入）和冷的新鲜EGR-空气混合物的热燃烧残余回流的形式存在。因为这样的高级测量与改进的EGR表征以及评估燃烧和气缸充气波动相关，所以我们进行相关的传感器改进。改进的多类传感器同时将高速多线吸收光谱与原始单线吸收光谱集成；温度，压力和浓度由测量仪确定并用于吸收计算中以确定在测量的温度和压力下的浓度。基于吸收的传感器是先前开发的，并且用于在柴油发动机的进气和排气侧的视线气体性质（温度，压力和浓度）测量。在这里，我们展现了结合和升级两个传感器以创建一个稳定的基于探头的多种吸收光谱传感器所进行的努力，它能够通过同时测量从四个可译传感器探头快速分析瞬态二氧化碳，水，温度和压力分布。
- 吸收理论
吸收光谱学的理论已经很明确，因此，这里仅给出了一个简要的概述。激光吸收光谱法是一种定量的，物体特异性的，路径平均的和最小侵入的技术，可以用来在激光辐射通过其传输的介质中同时测量气体温度，压力和物质浓度。对于常物性介质（压力，温度和吸收物质浓度），最大吸收发生在入射激光辐射频率与吸收物质的共振频率（低能级和高能级之间的单光子跃迁）匹配时。在沿吸收路径的梯度的情况下，必须注意考虑吸收计算对气体性质的非线性依赖性；如后面部分所述，探头的紧凑，折叠路径构造具有小的几何吸收路径并且减轻对实际进气歧管梯度的敏感性。对于单色激光源和均匀气体混合物，该谐振吸收过程可以通过Beer-Lambert方程来描述：
其中，和是入射和透射的激光辐照度（），L（cm）是吸收介质路径长度，k （）是激光频率为lambda;的单跃迁光谱吸收系数。吸收系数可以表示为：
其中P（atm）是介质压力，Delta;V（cm）是Voigt线形函数，X是吸收物质的摩尔分数，S（T）（）是在温度T（K）下的转变的线强度。温度测量可以通过两个或更多个吸收跃迁峰的相对高度进行，同时压力和浓度信息嵌入通过碰撞扩展半宽度的Voigt线形轮廓以及吸收物质的分压。碰撞展宽度由下式给出：
其中，（）是取决于温度的碰撞展宽系数。 因此，可以通过记录多个吸收特征从吸收信号中提取所有目标气体性质（即温度，压力和吸收物质浓度）。吸收轮廓计算所需的光谱参数是从HITRAN 2004数据库提取的。在本研究中也使用在之前的工作中使用的在7201-7206光谱区中的相同的吸收跃迁，因为这些跃迁对于进气歧管中预期的气体条件和相关的光谱参数已经在文献中得到验证。对于吸收测量，使用以3697.98为中心的跃迁。所选和跃迁的光谱参数列于表1中。
表1 所选和跃迁的光谱参数
|
谱线标号 |
跃迁频率（cm-1） |
谱线强度（296K）（cm-2/atm） |
转动量子数（J,Ka，Kc） |
振动量子数（v1,v2,v3） |
低段能量 |
||
|
上部 |
下部 |
上部 |
下部 |
||||
|
H2O_1 |
7202.26 |
2.52E-02 |
(5,2,4) |
(5,2,3) |
(1,0,1) |
(0,0,0) |
446.51 |
|
H2O_2 |
7202.91 |
1.15E-01 |
(1,0,1) |
(2,0,2) |
(1,0,1) |
(0,0,0) |
70.09 |
|
H2O_3 |
7203.66 |
1.49E-04 |
(2,2,0) |
(2,2,1) |
(1,0,1) |
(0,1,0) |
1742.31 |
|
H2O_4 |
7203.89 |
7.38E-02 |
(5,5,1) |
(5,5,0) |
(1,0,1) |
(0,0,0) |
742.08 |
|
H2O_5 |
7204.17 |
7.85E-03 |
(7,4,4) |
(7,4,3) |
(1,0,1) |
(0,0,0) |
931.24 |
|
H2O_6 |
7205.25 |
2.46E-01 |
(1,1,1) |
(2,1,2) |
(1,0,1) |
(0,0,0) |
79.50 |
|
CO2_1 |
3697.98 |
1.27 |
0 |
1 |
(1,0,0,1) |
(1,0,0,0) |
163.87 |
图1 四探针多路复用EGR传感器示意图
- 实验系统和方法
本研究中使用的传感器系统的光学配置如图1所示。整个光学系统安装在仪器外壳中，该仪器外壳用干燥吹扫以防止环境湿度和对激光的吸收。该系统有两个分布式反馈二极管激光器：探测跃迁的1.39mu;m激光器（带光纤尾纤输出的NEL激光器）和探测转换的2.7mu;m激光器（具有准直自由空间输出的Nanoplus激光器）。来自光纤的1.39-lambda;m激光器（）的输出耦合到10:90光纤分路器（ThorlabsTW1300R2A2）中，其中10％的光路到FabryPerot频谱分析仪（1.5GHz标准具; Thorlabs SA200-12B）中以监测激光波长的变化，剩余90％的光进入四路光纤分路器（Thorlabs FCQ1315-APC）。四路分路器将光分成四个并行的输出，每个输出可以使用单模光纤（SMF）调成单个测量探头。因为光纤分束器在2.7mu;m处不可用，所以使用由一系列漫反射镜和薄膜分束器组成的多路复用器单元将来自2.7mu;m激光器（）的准直自由间隔输出分成四个光束。这四个光束中的每一个可以使用中空波导（HWG）投射到单独的测量探头中。在探针尖端，来自间距SMF和HWG的光横穿两个测量导管，并且分别被反射回来捕获多模光纤（MMF）和捕获HWG。这种安排将在本节后面详细介绍。捕获MMF和HWG将来自探针的相应激光传递到用于吸收测量的光电二极管。 该仪器使用4套Thorlabs PDA20CS和Vigo PVI-3TE-5检测器，分别测量1.39mu;m和2.7mu;m光信号，以支持四个独立的测量探头。将固体硅标准具（41.55mm长）用于2.7-lambda;m（）激光器的离线波长校准。临界流口的歧管被用来提供连续和正N 2吹扫的HWGS，2.7mu;m激光，和四个检测器，同时，大量流（通过外部转子流量计）吹扫外壳和剩余的光学元件。
通过一组ILX光波温度（ILX LDT-5910B）的集成温度的高性能电脑，电流控制器（Thorlabs ITC4001）来控制1.39-mu;m激光器（），用电流控制器（ILX LDX 3620）来控制2.7〜M 激光器（）。由于该研究需要高测量带宽，所以激光器温度被固定在最佳值，以在光谱扫描范围中名义上使吸收跃迁居中，并且激光输出波长通过扫描所施加的电流扫过期望的光谱区激光二极管。使用如图2a所示的移位锯齿调制函数（红色点曲线）扫描1.39-mu;m激光（O）电流。移位锯齿函数是当激光器被有效地关闭时在每次扫描的开始处具有零振幅休止期的正常锯齿函数；该休息期不仅允许激光在每次扫描开始之前稳定，而且还提供背景红外辐射（来自热表面或气体）的实时扫描特异性测量。图2a中还示出了对于单个调制函数扫描的来自O通道的相应的记录的透射曲线（粗蓝色曲线）以及标准具输出（绿色曲线）。每秒在5000次这样的扫描上记录数据以获得期望的5kHz测量带宽。标准峰间距是固定在由标准具的物理特征波长域（0.05厘米-1为在该研究中使用的1.5GHz的标准具），并且在图2a中连续的标准具输出峰值之间的变化的时间差表示所述非线性波长响应的激光器线性调制；因此，标准具信号用于量化并考虑激光器的非线性波长响应。图2b示出了2.7-lambda;m激光器（）的调制函数以及相应的记录的透射曲线（光电二极管输出）。虽然正常的锯齿波被用于激光器调制，但是激光器的大阈值电流有效地将其输出转换为如记录的光电二极管输出中所见的偏移的锯齿波形。对于O和通道，处理的吸收数据分别显示在图2c和d中。数据处理方法在之前的工作[7]中有详细描述，这里只给出一个简要的概述。使用标准输出将原始时域传输数据转换为线性波长域，以与上一节
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