船用氨燃料发动机尾气浓度自修正在线检测系统

本发明涉及船用氨燃料发动机，尤其涉及一种船用氨燃料发动机尾气浓度自修正在线检测系统。

背景技术：

1、目前船用氨燃料发动机正在研发中，暂无较为成熟的技术储备和精确的尾气浓度在线检测方案，而国家对发动机尾气排放标准也十分严苛，急需船用氨燃料发动机尾气浓度检测系统。由于在尾气检测过程中高温度、高压力、变浓度或其他工作条件的不同，均会对尾气的检测产生干扰，这对船用氨燃料发动机燃烧和尾气控制等研发工作带来不小的挑战。而氨燃料发动机为保证氨燃料充分燃烧，燃烧室的工作环境必须为高温高压，故现有氨燃料发动机检测系统设备一般先通过预处理装置降温处理后使标样气体的温度可以满足气体传感器的测量温度范围，再检测处理后的混合气体(如scr后处理nox浓度或未燃氨、逃逸氨浓度)，无法实现高温高压等特殊工况下混合气体在线检测，因此，亟需研发一种可以预测高温高压工况下混合气体各气体浓度的设备。此外，由于氨燃烧存在燃烧速度慢、火焰温度低、可燃范围窄和点火能量高等问题，为提高测量精度，还应考虑不同温度、不同压力、不同尾气成分及其浓度存在干扰等问题，实际燃烧过程中氨燃料无法实现全部燃料完全燃烧，未完全燃烧的燃烧产物为n2o、nox、sox和部分未燃nh3，这可能导致尾气在复杂环境中会相互反应或共存进而影响检测精度，如水蒸气对未燃氨检测的影响、未燃氨对nox检测的干扰等问题。为进行氨燃料发动机研制、燃烧分析和排放检测技术研究，基于上述技术问题，迫切需要设计一种船用氨燃料发动机尾气浓度自修正在线检测系统，用于在上述实际船用氨燃料发动机复杂工况下的高精度在线检测，以提高检测系统的准确性和有效性。

技术实现思路

1、本发明主要目的是提供一种船用氨燃料发动机尾气浓度自修正在线检测系统，通过尾气预处理与浓度检测模块可解决在线检测系统对尾气恶劣环境的适应性，保证在线检测系统有效性；通过搭建尾气模拟实验台为尾气浓度在线检测系统提供变工况真实尾气环境，以便开展不同环境和浓度下试验方案设计，形成大量实测数据，分析影响因素敏感性和抗干扰性，建立多输入多输出情况下的自修正模型，从而消除尾气预处理与浓度检测模块以及外界对尾气浓度检测精度的干扰，实现尾气浓度检测在线自修正功能，形成了可满足不同压力、温度、尾气浓度比例等柔性可变环境的船用氨燃料发动机尾气浓度自修正在线检测系统，极大的提高了船用氨燃料发动机尾气浓度检测精度。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种船用氨燃料发动机尾气浓度自修正在线检测系统，包括尾气预处理与浓度检测模块、尾气浓度自修正与显示模块；

4、所述尾气预处理与浓度检测模块包括水蒸气吸收模块、第三冷凝器、水汽过滤器、排气泵、质量流量计和多合一在线式气体检测传感器；待检测的尾气连接至水蒸气吸收模块，水蒸气吸收模块通过抽气泵连接至第三冷凝器，第三冷凝器连接至水汽过滤器，水汽过滤器通过排气泵连接至质量流量计，质量流量计连接至多合一在线式气体检测传感器；

5、所述尾气浓度自修正与显示模块包括尾气浓度自修正模型，尾气浓度自修正与显示模块接收多合一在线式气体检测传感器的各气体输出浓度值，并输入设定温度、压力，通过尾气浓度自修正模型进行修正后最终显示；其中，尾气浓度自修正模型的建立包括以下步骤：

6、s1、搭建船用氨燃料发动机尾气模拟实验台，包括尾气成分发生模块和尾气状态控制模块，尾气成分发生模块用于模拟氨燃料发动机运行时内部气体生成情况，包括n2o、nox、nh3、sox、水蒸气和油雾；尾气状态控制模块通过动态配气仪将模拟的尾气进行混合并调节各气体的浓度，并调节至所需的温度和压力；然后将尾气状态控制模块的输出端连接至尾气预处理与浓度检测模块的水蒸气吸收模块；

7、s2、根据实际氨燃料发动机燃烧情况，将尾气温度t、尾气压力p、nh3浓度n、n2o浓度k、nox浓度z按一定的分度值步长分为不同的温度集、压力集和浓度集，利用船用氨燃料发动机尾气模拟实验台进行全面实验，由全面试验得到大量的测试数据，将测试数据按设计比例形成训练集和测试集，由训练集对建立的bp神经网络自修正模型训练，再通过测试集验证试验模型的准确性；

8、s3、根据试验结果进行单因素影响和抗干扰分析，通过定义温度t、压力p、多合一在线式气体检测传感器测定浓度数据集m2作为输入，动态配气仪中的n2o、nox、nh3传感器输出浓度数据集m1作为输出，保证自修正模型收敛和浓度预测实际值与动态配气仪中浓度检测值误差控制在设定范围内，从而实现自修正模型的建立。

9、上述方案中，所述水蒸气吸收模块包括通过管路依次相连的第一冷凝器、第一高分子化学纯膜、第二冷凝器、第二高分子化学纯膜，第一高分子化学纯膜通过第一排水泵连接至排水口，第二高分子化学纯膜通过第二排水泵连接至排水口。

10、上述方案中，所述第三冷凝器之后的管路上设有调压阀，所述调压阀之后分为两个支路，其中一支路连接至所述水汽过滤器，另一支路通过排水泵连接至排水口。

11、上述方案中，所述水汽过滤器之后分为两个支路，其中一支路连接至所述排气泵，另一支路依次经第四冷凝器、蠕动泵后连接至排水口。

12、上述方案中，所述尾气成分发生模块包括n2o标气瓶、nox标气瓶、nh3标气瓶、sox标气瓶、电加热水蒸气发生器、油雾发生与浓度控制装置；

13、所述尾气状态控制模块包括动态配气仪、管道式混合气体压力温度反馈控制式加热装置、油气混合器；

14、所述n2o标气瓶、nox标气瓶、nh3标气瓶、sox标气瓶、电加热水蒸气发生器分别通过管路连接至所述动态配气仪连接，动态配气仪连接至所述管道式混合气体压力温度反馈控制式加热装置，管道式混合气体压力温度反馈控制式加热装置和油雾发生与浓度控制装置分别连接至所述油气混合器；油气混合器连接至所述水蒸气吸收模块。

15、上述方案中，各个标气瓶以及电加热水蒸气发生器与动态配气仪连接的管路上分别设有压力控制阀和流量计，各类气体经压力控制阀控制试验所需压力，并由流量计控制流量。

16、上述方案中，所述油雾发生与浓度控制装置包括通过管路依次相连的输油罐、进油集油箱、第一过滤器、电加热器、风机和多孔喷嘴，所述第一过滤器与电加热器之间的管路上设有第一流量调节阀和第一流量计。

17、上述方案中，所述油雾发生与浓度控制装置还包括智能控制器，所述第一流量调节阀、第一流量计、电加热器、风机分别与所述智能控制器通讯连接，第一流量计将测的流量信号传输至智能控制器，智能控制器控制第一流量调节阀的开度、电加热器的温度和风机转速。

18、上述方案中，所述动态配气仪中含有n2o、nox、nh3浓度传感器，各浓度传感器分别与尾气浓度自修正模型通讯连接。

19、上述方案中，所述管道式混合气体压力温度反馈控制式加热装置包括通过管路依次相连的主阀体、第二过滤器、第二流量调节阀、第二流量计、管道温控仪、压力传变器、温度传感器和压力传感器，还包括智能执行器和pid控制柜；所述智能执行器分别与所述管道温控仪和压力传变器通讯连接，以将所需的温度信号和压力信号分别输送到管道温控仪和压力传变器；所述温度传感器、压力传感器和智能执行器分别与所述pid控制柜通讯连接，温度传感器和压力传感器将管道温控仪和压力传变器处理后的采集数据传输到pid控制柜，由pid控制柜检测温度、压力是否满足模拟工况，如果存在偏差,则由pid控制柜重新输出电信号控制智能执行器重新对混合气体调节温度、压力直至符合要求。

20、本发明产生的有益效果是：

21、1、本发明针对现有检测系统无法对高温高压(温度最高为400℃，压力最高为5bar)气体实现精准测量的问题，设计了尾气预处理与浓度检测模块，该模块不仅可以将船用氨燃料发动机排出的高温高压尾气预处理为满足多合一在线式气体检测传感器的适用范围，还考虑到少量的管道内的水蒸气遇冷液化形成水对于氨气、氮氧化物等尾气的吸收问题，在检测前通过耐高温高分子化学纯膜在不同温度下多级高效地吸收管道中高温水蒸气，在保证其他尾气不受干扰的前提下，解决水蒸气相变后对氨气等气体的高吸收率导致的检测精度差问题。通过水汽多级过滤、冷凝除水、温度压力适配传感器调节至合适范围、多合一在线式气体检测传感器等环节，实现了船用氨燃料尾气预处理与浓度检测，解决了氨燃料发动机在线检测系统对尾气恶劣环境的适应性和有效性问题。同时，考虑到不同尾气成分之间相互反应或干扰的问题，以及为了还原尾气中高温高压影响因素，建立了尾气浓度自修正模型来提高测量准确性，针对高温高压和尾气成分及其浓度之间的检测干扰问题，设计了满足不同环境和尾气浓度下的试验方案，通过多参数影响因素和抗干扰因素分析，形成了氨燃料发动机尾气浓度检测系统变量参数敏感性与权重分析方法；试验设计获取了大量的实测训练和测试数据集，通过变工况情况下以尾气温度、压力和多合一尾气检测传感器浓度为输入，动态配气仪中的n2o、nox、nh3传感器输出浓度值(即标气)为输出的定义与设计，结合数据特征变化规律、变量参数敏感性与权重，建立了高精度浓度预测的自修正模型，实现了氨燃料发动机尾气恶劣环境的尾气浓度高精度在线检测与自修正。

22、2、为了建立尾气浓度自修正模型，本发明搭建的船用氨燃料发动机尾气模拟实验台，实现了船用氨燃料发动机尾气浓度和成分的真实模拟，且可通过尾气成分发生模块各部分控制装置实现了多种尾气成分及其浓度、尾气高压和高温环境柔性可控，既可用于船用氨燃料发动机scr前后的内部尾气状态模拟，也可真实匹配船用氨燃料发动机各工况尾气浓度，可为尾气浓度自修正模型研究提供试验数据集，同时极大的降低了船用氨燃料发动机尾气相关检测系统试验验证成本。