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摘要
燃油发动机的尾气成分检测对于发动机的状态判断、环境污染监测等具有重要参考价值。选择以95号汽油为燃料的除草机的发动机作为实验样机，将发动机排出的尾气直接吹向拉曼积分球光谱仪信号采集焦点，利用拉曼积分球光谱仪较高的气体检测限和定性、定量检测所有分子类气体的特点，对尾气中的气体分子成分进行检测。探测到尾气的气体成分主要包括N2、 O2、 CO2、 CO、未燃烧的汽油等。以氮气振动(2 331 cm-1)的拉曼特征峰强度作为标准，对O2(1 553 cm-1)、 CO2(1 285和1 388 cm-1)、 CO(2 144 cm-1)、未燃烧的汽油(2 894 cm-1)的拉曼光谱强度进行归一化处理，获得其相对拉曼特征峰强度。对比发现，空气和汽油挥发混合气的光谱中均未出现CO的特征峰，汽油挥发混合气中的O2、 CO2含量与空气相比也没有明显变化，而CO2费米共振峰1 388和1 285 cm-1拉曼特征峰的相对强度比发生变化。除草机工作状态分为怠速、一档和二档，处于工作状态时，尾气成分中的O2含量均比空气中含量低，可以定量分析发动机工作过程中消耗的O2量。而燃油发动机从怠速加速到一档和二档的过程中，尾气中O2含量相对增加。这是由于发动机档位的提升伴随着空气的进气量增大，则参与发动机燃烧的氧气比例相对减少。与此同时，尾气中CO2含量相比于空气中的含量急剧增加，说明燃油发动机工作过程会产生大量的CO2,且随着档位的提升，发动机的动力增加，尾气中CO2比例也逐渐增高。CO2作为导致温室效应的主要原因，化石燃料的使用也是其主要来源之一。数据显示尾气中CO的含量与尾气中汽油的含量成正相关，说明燃烧不充分的时候，汽油剩余较多，CO作为不充分燃烧的产物，其含量也会增加。随着发动机档位的增加，N2特征峰的绝对强度降低，这是因为发动机尾气温度升高，造成氮气的斯托克斯散射强度降低。利用拉曼积分球光谱仪对不同状态下发动机尾气成分的变化进行分析，并初步建立发动机状态与气体浓度变化的关系。对拉曼积分球技术应用于燃油发动机尾气检测进行了初步探索并验证了其可行性。
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单位电子工程学院; 中国科学院工程热物理研究所; 北京理工大学
