Лазерная абсорбционная томография для измерения содержания аммиака в выхлопных газах дизельных двигателей (начало статьи)

Аннотация

В статье демонстрируются томографические измерения концентрации аммиака в выхлопных газах дизельных двигателей, в которые c помощью дозатора вводилась жидкость для снижения токсичности выхлопов, на основе пространственного сканирования с помощью квантового каскадного лазера 10,4 мкм. Оптический доступ через выхлопную трубу был обеспечен с помощью полиимидной пленки. Лазерный луч перемещался с шагом 0,5 см и поворачивался под углом 6°, в результате приняв 2130 различных положений за время эксперимента, а затем с помощью этих данных были созданы изображения концентрации аммиака с помощью инверсии Радона. Лазер приводился в действие скачком тока с частотой 200 Гц и синхронизировался по фазе с дозатором. Данные собирались в течение 500 мс отдельно в каждом положении луча. При каждом скачке тока, подаваемого к лазеру, создавалось одно изображение, в результате за время эксперимента в общей сложности было получено 100 изображений.

Введение

Селективное каталитическое восстановление – это эффективный метод, часто используемый в дизельных двигателях для снижения выбросов NOx (оксидов азота) и соответствия стандартам качества воздуха. Метод основан на реакции аммиака с NOx с образованием азота и водяного пара в присутствии катализатора. Аммиак обычно вводят в поток выхлопных газов в виде водного раствора мочевины, известного как жидкость для снижения токсичности выхлопных газов дизельных двигателей. Для эффективного снижения токсичности выхлопных газов при дозации и смешивании жидкости с потоком аммиак должен равномерно распределяться в пространстве по поперечному сечению выхлопной трубы с учетом уровня концентрации. Чрезмерная концентрация может привести к выбросу аммиака в атмосферу из выхлопной трубы, так называемому “проскоком аммиака”, в то время как недостаточная концентрация может привести к неприемлемо высоким уровням выбросов NOx. Поэтому важно проанализировать поле концентрации аммиака, зависящее от конфигурации дозации и смешивания жидкости с потоком.

Прежние методы измерения поля концентрации аммиака включали как интрузивный отбор проб, так и системы неинтрузивной лазерной абсорбционной томографии. Томографические системы позволяют избежать возмущения потока выхлопных газов, и, следовательно, проводить менее сложное сравнение с CFD-моделями.

Лазерная абсорбционная томография ранее использовалась в БИК диапазоне для измерения концентрации в реагирующих потоках с использованием либо неподвижной установки лазерного детектора, либо путем его поперечного перемещения. Однако из-за отсутствия переходов с сильными коэффициентами поглощения измерения лазерного поглощения в БИК диапазоне ограничены, например, молекулами водяного пара. При измерении концентрации аммиака в среднем ИК диапазоне такие переходы есть. 

Система лазерной абсорбционной томографии, основанная на сканировании с помощью лазерного диода в БИК диапазоне и использованная в данном исследовании, была ранее разработана в лаборатории и позже внедрена для измерения пространственного распределения концентрации водяного пара в выхлопных газах дизельных двигателей. 

Метод, используемый во время эксперимента

1. Настройка выхлопной системы

Измерения проводились после выхлопа 15-литрового дизельного двигателя Cummins для тяжелых условий эксплуатации автомобиля на дороге. Выхлопная установка имела систему доочистки, состоящую из катализатора окисления дизельного топлива и сажевого фильтра. Затем очищенные выхлопные газы периодически дозировали жидкостью для снижения токсичности с помощью дозатора. Жидкость представляла собой водный раствор мочевины и разлагалась на аммиак при высоких температурах в выхлопных газах двигателя. Дозация происходила непосредственно в присутствии специально изготовленной секции для смешивания (рисунок 1), предназначенной для увеличения вихревого потока и быстрого смешивания жидкости c потоком выхлопных газов.

Для анализа изменений концентрации аммиака использовались секции для смешивания с различной геометрией. Для ускорения разложения жидкости до аммиака за секцией для смешивания был установлен блок гидролизного катализатора, усиливающего превращение изоциановой кислоты в аммиак. Лазерный луч проходил через полиимидную пленку, покрывающую пазы, проделанные на выхлопной трубе. Ожидалось, что мочевина полностью превратится в аммиак к тому времени, когда выхлопные газы достигнут плоскости измерения. Перед каждым экспериментом температура выхлопной системы стабилизировалась, выхлопная система поддерживалась в рабочем состоянии примерно 15 минут.

2. Лазерная абсорбционная спектроскопия

Методология лазерной абсорбционной томографии, используемая в данной работе, основана на законе Бера–Ламберта. В ИК спектре аммиака происходят самые сильные колебательно-вращательные переходы в диапазоне от 8 до 12 мкм. В одном из недавних исследований диапазон температур при измерении спектроскопических характеристик (интенсивности спектральных линий и уширения спектральной линии в результате столкновений) переходов концентрации аммиака в пределах 10,3 и 10,4 мкм, составил 300-600 K. Этот диапазон соответствует диапазону температур в данном исследовании, который составил 462-574 К. Кроме того, в этом ранее проведенном исследовании измерены коэффициенты уширения спектральной линии в результате столкновений для различных газов, включая азот, кислород, диоксид углерода и водяной пар.

В ходе настоящего исследования был выбран квантовый каскадный лазер (Alpes Lasers HHL-470) для изучения переходов концентрации аммиака в пределах 10,39–10,40 мкм (961,7–962,7 см⁻¹). Детектор на основе теллурида ртути и кадмия (MCT) (Vigo Systems PVI-3TE-10.6) использовался для контроля интенсивности падающего лазерного излучения. На рисунке 2 показан репрезентативный смоделированный спектр поглощения аммиака под воздействием лазерного излучения наряду с ожидаемыми искажениями от водяного пара и диоксида углерода, возникающими при измерении концентраций газов. Коэффициент поглощения аммиака на рисунке 2 рассчитан с использованием интенсивности спектральных линий (показано в таблице 1) и коэффициентов уширения, включая воздействие азота, кислорода, водяного пара и двуокиси углерода на уширение. Коэффициенты поглощения водяного пара и углекислого газа на рисунке 2 рассчитаны с использованием параметров молекулярной линии из базы данных HITRAN 2016.

Рисунок 1. Схема системы доочистки в выхлопной установке, показывающая плоскость оптического измерения

Поскольку базовая линия с нулевым поглощением недоступна в этом диапазоне, был использован метод дифференциального поглощения, при котором разница в коэффициентах поглощения между пиком около 962,17 см^-1 и точкой минимума около 961,90 см^-1 использовалась в качестве эффективного коэффициента поглощения с целью определения концентрации аммиака. Моделирование, основанное на спектроскопических характеристиках из базы данных HITRAN, показывает, что при искажениях от водяного пара и углекислого газа разброс изменений эффективного коэффициента поглощения аммиака составляет до 7%. При обработке данных было проигнорировано искажение, связанное со всеми газами, включая CO₂ и H₂O, поэтому ожидалось, что система будет занижать концентрацию NH₃ примерно на 7%. Фактические искажения будут зависеть от точности параметров спектральных линий H₂O и CO₂ в этом диапазоне.

Рисунок 2. Смоделированный спектр поглощения аммиака в интересующем диапазоне, а также смоделированные спектры H₂O и CO₂ Смоделированные условия – 572 К и атмосферное давление. Соотношение состава газов, не показанных на графике, составляет 79% N₂ и 3% O₂ (эти концентрации влияют на уширение показанных спектральных линий)

Таблица 1. Переходы аммиака, используемые в данной работе

3. Установка для томографии

Лазер и детектор были установлены на U-образном кронштейне, который, в свою очередь, был установлен на моторизованных ступенях для перемещения и вращения. Ступени вращения и перемещения были настроены таким образом, чтобы центр вращения совпадал с центром перемещения с точностью ~ 1 мм, необходимой для подавления искажений на томографическом изображении. Внутренний диаметр ступени для вращения составлял 38 см, что было достаточным для размещения двух выхлопных труб дизельного двигателя номинальными диаметрами 28 см и 33 см.

Лазер был установлен на пластине (как показано на рисунке 3), охлажденной водой с температурой от 287 до 289 К. Однако детектор был охлажден не водой, а с помощью термоэлектрического аппарата для охлаждения и радиатора с воздушным охлаждением, включенных в комплектацию установки.

Максимальная температура выхлопных газов, которая могла быть достигнута с помощью этой установки, была ограничена радиатором с воздушным охлаждением. Когда температура выхлопных газов превышала примерно 574 К, воздух вблизи детектора становился настолько горячим, что ухудшал его работу. Таким образом, максимальная температура выхлопных газов не превышала 574 К.

Рисунок 3. Изображение томографической установки на выхлопной трубе двигателя

Схема оптической установки показана на рисунке 4. Первое покрытое золотом внеосевое параболическое зеркало с фокусным расстоянием 203,2 мм использовалось для фокусировки луча в центре трубы. Второе зеркало с фокусным расстоянием 12,7 мм использовалось для фокусировки луча на активной области чипа детектора. Лазерный луч проходил через полиимидную пленку толщиной 7,62 мкм, которой была обернута труба. Благодаря толщине пленки давление внутри трубы поддерживалось на уровне атмосферного, чтобы избежать отрыва пленки от поверхности трубы. Как и в ранее проведенных исследованиях, на трубе были проделаны три паза, которые были покрыты полиимидной пленкой, чтобы сохранить структурную целостность выхлопной трубы, и при этом создать препятствия для лазерного луча.

Измеренные данные были линейно интерполированы исходя из этих препятствий. Слой полиимидной пленки на клеевой основе (127 мкм) был более толстым в области между трубой и внеосевым параболическим зеркалом детектора, чтобы уровень интенсивности лазерного излучения был приемлемым средним для работы детектора (< 800 мкВт). Поскольку средняя мощность лазерного излучения (~ 14 МВт), воздействующего на пленку, по меньшей мере на порядок превышает фоновое тепловое излучение из горячей трубы, снижение мощности излучения до уровня, безопасного для работы детектора, также эффективно снижает и уровень фонового излучения. Кроме того, толщина пленки достаточно мала, чтобы ее интерференционные свойства существенно не искажали базовую линию поглощения.

Лазер приводится в действие малошумящим регулятором тока (Wavelength Electronics QCL1000 OEM), который подает импульсный аналоговый сигнал частотой 200 Гц от функционального генератора. Второй идентичный функциональный генератор синхронизирован с тактовой частотой первого, а также выдает прямоугольную волну с частотой 1 Гц, которая используется для синхронизации дозатора жидкости, оптического выхода лазерного контроллера и шасси для платформы сбора данных National Instruments. Шасси используется как для записи сигнала детектора со скоростью 100 000 отсчетов в секунду, так и для управления моторизованными ступенями и лазерным регулятором температуры (Wavelength Electronics PTC5K-CH). Благодаря этому лазерные измерения могут быть синхронизированы с импульсом дозации, что позволяет избежать существенных искажений, наблюдаемых в предыдущем исследовании, когда была предпринята попытка восстановления данных разных фаз введения жидкости.

Ступень вращения устанавливается на начальный нулевой угол, после чего ступень перемещения постепенно сдвигается на 35 см с шагом 0,5 см. При каждом линейном перемещении ступени  система сбора данных запускается прямоугольной волной частотой 1 Гц и записывает сигнал детектора в течение 500 мс, включающий 100 лазерных сканирований. После записи 100 сканирований ступень осуществляет следующее линейное перемещение. Как только ступень перемещения преодолеет 35 см, ступень вращения поворачивает установку U-образного кронштейна и ступени перемещения на 6°, после чего процесс перемещения и сбора данных повторяется в обратном линейном направлении. Процесс продолжается до тех пор, пока ступень вращения не достигнет угла в 174°. (Спектры, полученные при 180°, дублировали бы спектры, полученные при 0°). Таким образом, в ходе одного эксперимента измеряется в общей сложности 2130 спектров (71 линейный шаг и 30 угловых шагов). Сигнал интенсивности лазерного излучения в первых четырех сканированиях из ста, проведенных с помощью детектора, показан на рисунке 5. Длина волны лазерного излучения увеличивается по мере роста интенсивности сигнала; поглощение аммиака из спектра на рисунке 2 можно отследить по сигналу интенсивности излучения.

Рисунок 4. Схема оптической настройки и синхронизации функциональных генераторов

Рисунок 5. Первые 4 из 100 лазерных сканирований, проведенных при одинаковом положении луча

© Alpes Lasers

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования Alpes Lasers на территории РФ