对船舶柴油机而言, 润滑油常受到冷却液的污染, 引起润滑油劣化变质, 从而导致其功能失效。 冷却液的主要成分是水、 乙二醇及少量的防腐蚀、 抗穴蚀、 消泡沫等添加剂。 将拉曼光谱用于检测润滑油被冷却液污染的浓度, 是一种针对复杂混合物的拉曼光谱检测问题, 单个拉曼峰强度的定量分析方法无法满足浓度的定量检测。 为此, 将拉曼光谱分析和LSTM神经网络数据挖掘方法应用于检测润滑油冷却液污染的浓度。 在实验室条件下, 配制了冷却液污染浓度为2%, 1.5%, 1%, 0.5%, 0.25%和0%的柴油机润滑油油样, 对每个油样取样50次, 并进行拉曼光谱分析, 共获得300个拉曼光谱数据, 随机抽取其中80%的数据作为神经网络训练样本, 剩余20%的数据作为测试样本, 拉曼光谱样本数据的光谱范围为300～2 000 cm-1; 对数据进行预处理, 包括采样、 拟合、 离散点平均梯度估计等; 构建训练样本集, 将LSTM神经网络和多层全连接层(FC)结合, 建立4种不同的神经网络模型结构; 得到其在训练集和测试集上的平均误差曲线、 测试集上的检测准确率曲线。 分析结果表明, FCs, LSTM-FCs-1, LSTM-FCs-2和LSTM-FCs-3等4种神经网络模型, 检测准确率分别为96.7%, 93.3%, 98.3%和83.3%。 选取任意1%的波数点, 加入幅值随机正负变化1%的噪声之后, 4种神经网络模型的检测准确率分别为88.3%, 90.0%, 96.7%和78.3%。 可见, 相比于其他3种神经网络结构模型, LSTM-FCs-2模型更适用于进行润滑油冷却液污染的定量估计, 加噪后最高准确率仍可以达到96.7%, 鲁棒性优于其他三种模型。 拉曼光谱结合LSTM网络中的LSTM-FCs-2模型, 应用于冷却液污染浓度分别为0.2%和0.4%的实际油样检测, 相对误差分别为5.0%和7.5%, 结果表明该方法可用于在用润滑油冷却液污染浓度的检测。

针对D4114B型柴油机排放尾气中的CO2气体开展测量研究，计算分析气体的体积分数以及温度。文中以可调谐半导体激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术原理为基础，利用MATLAB中SIMULINK库中的各个模块，模拟尾气测量的实际过程。仿真结果显示，在模拟柴油机排放环境下，待测量气体CO2的温度仿真相对误差为0.03%。利用船用D4114B型柴油机进行验证实验，在其排气管上增添可视化窗口并安装相应测试系统，利用以半导体为工作介质的可调谐激光器作为激光光源，开展尾气排放中CO2气体温度的在线测试研究，测试相对误差小于4%。由上述研究结果可知，本文中利用SIMULINK搭建的模型所测得的温度值与实际柴油机尾气排放过程中的温度相差较小，因此，其仿真结果能够对柴油机排气测温提供一定的参考。

NOx是柴油机排放污染物中对生态环境危害最为严重的组分。 随着全球环境污染问题的日益严重, 柴油机NOx排放问题受到了广泛的关注。 各种排放法规相继出台, 一方面对柴油机NOx排放量提出新的要求, 另一方面对测试方法也提出了更高的要求。 现有测试方法多为采样分析法, 采样周期较长, 无法实现污染物排放的实时在线测量, 柴油机污染物排放的实时在线测量不仅有利于监管, 同时可为优化柴油机的燃烧过程、 优化控制策略提供数据支持。 光学检测技术作为一种新型的检测方法, 其中的可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)因其实验原理简单、 响应速度快, 在其他领域得到了广泛使用。 为验证该方法在柴油机NOx排放检测中的可行性, 实验小组开展基于TDLAS的柴油机NOx排放实时在线测量研究, 针对NOx的主要成分, 利用调谐波长为5 262~5 265和6 138~6 142 nm的带间级联激光器(interband cascade lasers, ICL)分别作为检测NO、 NO2的探测光源, Thorlabs PDA10JT型热式探测器用来对信号光进行采集。 采用直接探测方式在D4114B型柴油机上开展实验研究, 并将测试结果与AVL排放分析仪进行对比, 其测量偏差小于5%, 另外, 实验小组利用TDLAS技术的高时间分辨率, 对柴油机的变工况过程进行NOx瞬态排放测量, 得到合理的NOx排放变化结果。 因此, 采用TDLAS技术对研究柴油机瞬态排放特性具有重要的意义。

针对柴油机润滑油被燃油稀释的状态监测的问题, 研究了基于紫外荧光技术的柴油机润滑油被燃油稀释的检测方法, 设计搭建了检测实验装置。 利用峰值发射波长为365 nm的紫外LED作为发射光源, 发射的紫外光通过400 nm低通滤光片过滤后进入石英比色皿中的油样, 并激发油样产生荧光, 产生的荧光通过400 nm高通滤光片过滤后, 利用探测波长范围为400～800 nm的光电传感器采集油样的荧光信号, 利用万用表读取油样的荧光强度。 设计开发了信号的放大和测量系统。 高、 低通滤光片的组合使用, 减少了紫外光源所发射的紫外光对油样的荧光强度测量的干扰。 利用该实验装置, 测量了润滑油中柴油含量分别为20.3 Wt.%, 10.0 Wt.%, 5.0 Wt.%, 2.5 Wt.%, 1.5 Wt.%和0.7 Wt.%以及不含柴油的空白油样的荧光强度, 经拟合得到柴油含量与荧光强度的方程。 最后, 为了检验该方法测量润滑油中柴油含量的准确性, 采用柴油含量为7.5 Wt.%油样进行验证, 利用该实验装置, 测量了验证油样的荧光强度, 代入拟合方程, 计算得到油样中的柴油含量, 结果表明通过该方法测量的油样中柴油含量与油样的实际柴油含量的相对误差为0.5%, 实现了实验室条件下润滑油被燃油稀释的精确测量。

为研究同时运用废气再循环(EGR)技术和燃用生物柴油对柴油机排气颗粒纳米结构的影响, 分别采集0%, 15%, 30% EGR率下186F柴油机燃用生物柴油时的排气颗粒, 并用激光拉曼光谱仪测得颗粒光谱, 使用五带法对一阶拉曼光谱进行拟合, 分析拟合曲线参数, 计算颗粒微晶尺寸和碳碳键长度。 结果表明: EGR率为30%时, 生物柴油颗粒光谱的半高宽(FWHM)最大, 代表化学异相性最强并且颗粒中的物质种类最多, 随着EGR率降低, 半高宽逐渐减小; 当EGR率从0%升高到30%, ID/IG逐渐增大, 代表石墨化程度降低, 颗粒中的石墨结构减少; 同时, ID1/ID2从0% EGR率的8左右降低到15%和30% EGR率的4左右, 代表EGR率升高, 颗粒内部缺陷由空位缺陷向石墨烯边缘缺陷发展; 随着EGR率升高, 微晶尺寸逐渐减小, 碳碳键长度基本不变。

NOx是柴油机排放的主要污染物质, 它对人体和环境的危害极大, 其中NO含量又占NOx总量的90％以上, 因此合理准确的检测柴油机排放物中NO的含量对NOx含量的检测尤为关键。 现有的测试方法由于采用采样分析法, 不能及时反映真实情况, 光学检测方法作为一种新型的测试技术, 在很多领域都有应用。 结合光学检测方法对稳态和瞬态过程下的NO浓度用TLAS技术开展研究, 通过模拟NO浓度的变化情况, 验证这种方法在柴油机上应用的可行性, 选择一台中心波长为5 263 nm的带间级联激光器用于检测, 为获得不同浓度的混合气体设计一套配气混合系统, 用高纯度的ＮＯ作为被测气体, N2作为背景气体, 配比不同浓度的测试样气, 在稳态测量时, 分别配比浓度为500, 1 000, 2 000 ppm的样气进行试验, 得到相对误差小于1%, 最大绝对误差为115 ppm。 在瞬态测量中, 分别对浓度增加与减少过程进行试验, 实时测量气室内的浓度变化情况, 在1 ms时间分辨率的情况下可实现52%的最大相对误差。 通过设计的系统, 可以实现NO浓度的瞬态测量, 能将此方法应用到柴油机上, 这种方法有利于研究柴油机的排放物含量。

为了进一步降低柴油机燃用生物柴油的颗粒排放, 利用激光拉曼光谱技术, 研究了柴油机应用废气再循环（EGR）前后, 燃烧柴油（B0）、 生物柴油（B100）及其调和油（B50）的颗粒微观结构, 采用五带拟合法对一阶拉曼光谱进行拟合, 并计算了颗粒石墨微晶尺寸和石墨晶格C—C键长。 结果表明: 随着生物柴油掺混比的增加, 颗粒D1带的半高宽增加, 颗粒化学异相性增强; ID1/IG逐渐减小, 颗粒中有序石墨结构含量增加, 石墨化程度提高。 引入EGR会使得颗粒D1带的半高宽增加, 颗粒化学异相性增强; ID1/IG升高, 颗粒有序石墨结构含量减少, 石墨化程度降低, B0, B50和B100颗粒的ID1/IG在应用EGR前后分别降低了约8.5%, 10.6%和11.8%。 六种颗粒的缺陷类型主要属于石墨烯层边缘缺陷, 掺混生物柴油和引入EGR均会使得颗粒碳层边缘缺陷浓度增加, 颗粒中挥发性有机物的官能团含量增加, 增强了颗粒氧化活性。 掺混生物柴油使得颗粒石墨微晶尺寸增加, EGR使得颗粒石墨微晶尺寸减小, 生物柴油和EGR对柴油机颗粒石墨晶格C—C键长影响不大, C—C键长约为0.142 nm。

通过实验分析了各种红外检测因素对红外图像拍摄的影响 程度，并在红外图像采集点的位置控制图的基础上，采用温度补偿算法对拍摄到的红外图像进行了校正； 然后结合柴油机的实际工作特点对采集到的红外图像进行了分割；最后基于分割后的 红外图像，采用分区域比对的方法对柴油机的故障进行了判别和诊断。实验结果表明，通 过调整红外图像的比例/参数，可以满足对柴油机的大部分发热故障进行诊断的要求。

设计了柴油机排气红外监测试验台, 利用红外热像仪在不同运行工况下测量 6135柴油机歧管表面温度, 得到了由排气管表面温度确定柴油机排烟气体温度的计算方法。分析了各缸排气歧管表面温度不均匀度与排烟温度不均匀度的关系, 研究了表面发射率随温度变化的关系, 验证了红外监测技术在柴油机排气不均匀度诊断和预测上的可行性和有效性。

采用傅里叶变换红外光谱FTIR, 研究了汽车发动机燃用生物柴油的非常规排放物。 所用燃料分别为纯柴油、 纯生物柴油、 生物柴油掺混比为20%的B20混合燃料。 结果表明, 该机燃用纯柴油和B20燃油的甲醛排放差别不大, 纯生物柴油的甲醛排放则明显高于柴油。 燃用B20燃油的乙醛排放略低于纯柴油； 纯生物柴油的乙醛排放在中低负荷低于纯柴油, 在高负荷时高于柴油及B20燃油。 燃用B20燃油和纯生物柴油的丙酮排放要高于柴油, 但排放量均较低。 随着生物柴油掺混比例的增加, 发动机甲苯和二氧化硫均呈逐渐下降趋势, 纯生物柴油的二氧化硫排放大幅降低。 燃用生物柴油后, 发动机的二氧化碳排放有所降低, 表明了生物柴油有利于温室气体的控制。