Een nieuw optisch apparaat bij Sandia National Laboratories dat onderzoekers helpt bij het in beeld brengen van verontreinigende stoffen bij het verbranden van brandstofsprays, kan in de toekomst leiden tot een helderdere lucht.

Een optische opstelling die is ontwikkeld door onderzoekers van Sandia's Combustion Research Facility en de Technische Universiteit van Denemarken, kan nu de vorming van roet - fijnstof dat voornamelijk uit koolstof bestaat - kwantificeren als een functie van tijd en ruimte voor een verscheidenheid aan verbrandingsprocessen. aanvankelijk, de onderzoekers hebben zich gericht op de verbranding van vloeibare brandstofsprays die in motoren worden aangetroffen, waar de extreme drukken en temperaturen een omgeving creëren die optisch uitdagend is.

Om te voldoen aan toekomstige verplichtingen voor de uitstoot van fijnstof zonder in te boeten op brandstofbesparing, motorontwikkelaars hebben geavanceerde verbrandingsstrategieën nodig om de vorming van roet in spuitvlammen te verminderen.

"De verkregen gegevens bieden belangrijke inzichten in de brandstofspuitbeweging en de timing en hoeveelheid roet gevormd onder een breed scala van omstandigheden, "Zei Sandia-onderzoeker Scott Skeen. "Motorontwikkelaars kunnen deze informatie gebruiken om computermodellen te valideren en geavanceerde verbrandingsstrategieën voor motoren te ontwerpen die het brandstofverbruik voor de consument zullen verbeteren en tegelijkertijd de uitstoot van vervuilende uitlaatgassen verminderen."

Het werk werd gepubliceerd in een Toegepaste optica paper getiteld "Diffuse back-illumination setup for high temporely opgelost extinction imaging" en werd in juli door de Optical Society geselecteerd als een "Spotlight on Optics". Auteurs waren onder meer Fredrik Westlye en Anders Ivarsson van de Technische Universiteit van Denemarken en Sandia-onderzoekers Keith Penney, Lyle Pickett en Skeen en voormalig Sandia-onderzoeker Julien Manin. Het werk werd gefinancierd door het Department of Energy's Vehicle Technologies Office.

Hogesnelheidsdiagnostiek zal licht werpen op toekomstig onderzoek

De optische opstelling is ontwikkeld om roetvorming te kwantificeren in hogedrukspuitvlammen geproduceerd in Sandia's optisch toegankelijke, constant volume, voorverbrande verbrandingskamer.

Het in beeld brengen van vlammen bij temperaturen en drukken die in motoren worden aangetroffen, kan moeilijk zijn vanwege een fenomeen dat 'straalbesturing' wordt genoemd. Straalsturing vindt plaats wanneer licht door een medium met variërende brekingsindexen gaat en wordt in de zomer vaak gezien als een "luchtspiegeling" op de snelweg. De hete stoep verwarmt nabijgelegen lucht, waardoor de brekingsindex verandert. Het zonlicht verandert van richting als het van koelere lucht naar warmere lucht gaat, en deze gestuurde lichtstralen wekken de indruk dat er water in de weg ligt - een luchtspiegeling. Op een soortgelijke manier, een vlam veroorzaakt straalsturing vanwege aangrenzende gebieden met hoge en lage temperatuur. De omvang van de straalbesturing neemt aanzienlijk toe in een motor vanwege de hoge drukken. Met geoptimaliseerde verlichting en beeldvormende optica, echter, de effecten van straalsturing kunnen worden geëlimineerd.

De speciale verlichting werd mogelijk gemaakt door een op maat gemaakte diffuser die groot genoeg was om het gebied van Sandia's sproeiverbrandingskamervenster te vullen (4 inch of 100 millimeter). De speciaal ontworpen diffuser is speciaal ontworpen om lichtstralen met dezelfde helderheid over een bepaald hoekbereik uit te zenden. Op deze manier, een lichtstraal die wordt gestuurd als hij door de vlam gaat, wordt vervangen door een andere straal met dezelfde intensiteit.

De hoek van de geconstrueerde diffuser is geoptimaliseerd op basis van de fysieke afmetingen van de experimentele faciliteit, de grootte van de verwachte bundelsturing en de opvanghoek van het beeldvormingssysteem. "In feite, "Manin zei, "zonder zo'n specifieke optische opstelling, kwantificering van roet via lichtdemping in hogedrukspuitvlammen, waar straalsturing ernstiger is, zou niet mogelijk zijn."

Schonere motoren maken

Skeen legt uit dat hoewel nieuwe dieselvoertuigen schoner zijn dan ooit tevoren, sommige benzinemotoren van de nieuwste generatie stoten evenveel fijnstof uit als oudere dieselmotoren. De toegenomen fijnstof kan worden toegeschreven aan de invoering van een brandstofsysteem met directe injectie op benzine, wat resulteert in een lager brandstofverbruik en dus een lagere CO2-uitstoot per gereden kilometer.

Bij directe benzine-injectie wordt onder hoge druk vloeibare benzine rechtstreeks in de motorcilinder gespoten in plaats van de brandstof in de inlaatpoort buiten de cilinder te mengen en te verdampen. Deze methode vermindert warmteverlies en zorgt voor een vrijere luchtstroom. Echter, consumentenbesparingen aan de pomp gaan ten koste van hogere fijnstofemissies. In tegenstelling tot de veel verguisde zwarte rook die wordt uitgestoten door oudere dieselmotoren, roet dat wordt uitgestoten door benzinemotoren met directe injectie is onzichtbaar voor het blote oog vanwege de zeer kleine afmetingen van de deeltjes.

De diagnose die in het artikel wordt gepresenteerd, stelt onderzoekers in staat om de vorming van fijnstof in verbrandingssprays te kwantificeren met een ongekende temporele en ruimtelijke resolutie. Inzichten die zijn verkregen en gegevens die zijn verkregen door het gebruik van deze diagnose, zullen onderzoekers en autofabrikanten informeren en begeleiden naar ontwerpen die het brandstofverbruik maximaliseren en schadelijke uitlaatemissies minimaliseren.

Een gestandaardiseerde methode

Het werk is een belangrijke bijdrage aan het Engine Combustion Network dat in 2010 door Pickett is opgericht. Het netwerk bevordert de samenwerking tussen motoronderzoekers over de hele wereld. Hoewel deelname vrijwillig is en het netwerk geen financiële steun biedt, meer dan 15 instellingen hebben experimentele gegevens bijgedragen.

"Het netwerk vertegenwoordigt de kracht van een basisbeweging, "zei Pickett. "We hebben in een vijfde van de tijd 20 jaar aan onderzoek gedaan."

Een uitdaging van de brede samenwerking binnen het netwerk is de standaardisatie van experimentele diagnostiek. "Met zoveel onderzoekers die graag willen deelnemen, het is belangrijk om ervoor te zorgen dat iedereen hoogwaardige gegevens inbrengt die op een technisch verantwoorde manier zijn verkregen, ' zei Picket.

De optische techniek die in dit werk is ontwikkeld, is gebaseerd op lichtverzwakking of -doving om de hoeveelheid roet in een vlam te kwantificeren. Als licht het verbrandingsvat binnenkomt, het wordt geabsorbeerd of verstrooid door roetdeeltjes. Licht dat wordt geabsorbeerd en enig licht dat wordt verstrooid, zal de camerasensor niet bereiken. Deze vermindering van de gemeten lichtintensiteit - ten opzichte van een duidelijk optisch pad - kan worden gerelateerd aan de hoeveelheid aanwezig roet. Om de implementatie van deze diagnostische tool gemakkelijk te maken voor netwerkdeelnemers, de bijbehorende publicatie biedt gedetailleerde richtlijnen voor de benodigde apparatuur en instructies voor het dimensioneren van de verlichtingsbron en de optiek van de collectie. Het gebruik van een door Sandia ontwikkelde LED-lichtbron, in tegenstelling tot een snelle laser, betekent dat de kosten en complexiteit aanzienlijk lager zijn.

"Dit werk heeft tot doel een gestandaardiseerde experimentele methode voor extinctiebeeldvorming vast te stellen die de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van experimentele metingen die aan het netwerk worden voorgelegd, zal vergroten, ' zei Westlye.