Los investigadores de Sandia National Laboratories Scott Skeen, izquierda, y Lyle Pickett, centrar, y el ex investigador de Sandia, Julien Manin, discuten un nuevo dispositivo óptico desarrollado en Sandia que puede cuantificar la formación de hollín. Crédito:Foto de Dino Vournas
Un nuevo dispositivo óptico en Sandia National Laboratories que ayuda a los investigadores a obtener imágenes de los contaminantes en la combustión de los aerosoles de combustible podría conducir a cielos más despejados en el futuro.
Una configuración óptica desarrollada por investigadores del Centro de Investigación de Combustión de Sandia y la Universidad Técnica de Dinamarca ahora puede cuantificar la formación de hollín —materias particuladas que consisten principalmente en carbono— en función del tiempo y el espacio para una variedad de procesos de combustión. Inicialmente, los investigadores se han centrado en la combustión de aerosoles de combustible líquido que se encuentran en los motores, donde las presiones y temperaturas extremas crean un entorno que es ópticamente desafiante.
Para cumplir con los mandatos futuros de emisiones de material particulado sin sacrificar el ahorro de combustible, Los desarrolladores de motores necesitan estrategias de combustión avanzadas para reducir la formación de hollín en las llamas de los aerosoles.
"Los datos adquiridos proporcionan información importante sobre el movimiento de la pulverización de combustible, así como el momento y la cantidad de hollín formado en una amplia gama de condiciones, ", dijo el investigador de Sandia, Scott Skeen." Los desarrolladores de motores pueden utilizar esta información para validar modelos informáticos y diseñar estrategias avanzadas de combustión de motores que mejorarán el ahorro de combustible para los consumidores y, al mismo tiempo, reducirán las emisiones contaminantes del tubo de escape ".
El trabajo fue publicado en un Óptica aplicada artículo titulado "Configuración de retroiluminación difusa para imágenes de extinción de alta resolución temporal" y fue seleccionado como "Spotlight on Optics" por la Optical Society en julio. Los autores incluyeron a Fredrik Westlye y Anders Ivarsson de la Universidad Técnica de Dinamarca y los investigadores de Sandia Keith Penney, Lyle Pickett y Skeen y el ex investigador de Sandia Julien Manin. El trabajo fue financiado por la Oficina de Tecnologías de Vehículos del Departamento de Energía.
Los diagnósticos de alta velocidad arrojarán luz sobre la investigación futura
La configuración óptica se desarrolló para cuantificar la formación de hollín en las llamas de aspersión de alta presión producidas en las instalaciones ópticamente accesibles de Sandia. volumen constante, cámara de combustión de precombustión.
Una representación tridimensional del recipiente de combustión y la configuración de imágenes de extinción con retroiluminación difusa en un proyecto de Sandia National Laboratories para obtener imágenes de los contaminantes del motor. Crédito:Laboratorios Nacionales Sandia
Obtener imágenes de llamas a temperaturas y presiones que se encuentran en los motores puede ser difícil debido a un fenómeno llamado "dirección del haz". La dirección del haz se produce cuando la luz pasa a través de un medio con índices de refracción variables y se observa comúnmente como un "espejismo" en la carretera durante el verano. El pavimento caliente calienta el aire cercano, haciendo que cambie su índice de refracción. La luz del sol cambia de dirección a medida que pasa del aire más frío al aire más caliente, y estos rayos de luz dirigidos dan la impresión de que hay agua en el camino, un espejismo. En una forma similar, una llama provoca la dirección del haz debido a las regiones adyacentes de alta y baja temperatura. La magnitud de la dirección del haz aumenta significativamente en un motor debido a las altas presiones. Con ópticas de imagen e iluminación optimizadas, sin embargo, se pueden eliminar los efectos de la dirección del haz.
La iluminación especial fue habilitada por un difusor diseñado a medida lo suficientemente grande como para llenar el área de la ventana de la cámara de combustión del aerosol de Sandia (4 pulgadas o 100 milímetros). El difusor de ingeniería fue diseñado específicamente para emitir rayos de luz con el mismo brillo en un rango angular específico. De este modo, un rayo de luz que se dirige al pasar a través de la llama será reemplazado por otro rayo que tenga la misma intensidad.
El ángulo del difusor diseñado se optimiza en función de las dimensiones físicas de la instalación experimental, la magnitud de la dirección anticipada del haz y el ángulo de captación del sistema de imágenes. "De hecho, "Manin dijo, "sin una disposición óptica tan específica, cuantificar el hollín a través de la atenuación de la luz en llamas de aspersión a alta presión, donde la dirección del haz es más severa, no sería posible ".
Haciendo motores más limpios
Skeen explica que, aunque los vehículos diésel nuevos son más limpios que nunca, algunos de los motores de gasolina de última generación emiten tantas partículas como los motores diésel más antiguos. El aumento de materia particulada se puede atribuir a la adopción de un sistema de combustible de inyección directa de gasolina, lo que se traduce en una mayor economía de combustible y, por lo tanto, en una menor emisión de dióxido de carbono por milla conducida.
La inyección directa de gasolina implica rociar gasolina líquida a alta presión directamente en el cilindro del motor en lugar de mezclar y vaporizar el combustible en el puerto de admisión fuera del cilindro. Este método reduce la pérdida de calor y permite un flujo de aire más libre. Sin embargo, Los ahorros de los consumidores en la bomba se obtienen a costa de mayores emisiones de partículas. A diferencia del muy difamado humo negro emitido por los motores diésel más antiguos, El hollín emitido por los motores de inyección directa de gasolina es invisible a simple vista debido al tamaño muy pequeño de las partículas.
El diagnóstico presentado en el documento permite a los investigadores cuantificar la formación de material particulado en la combustión de aerosoles con una resolución temporal y espacial sin precedentes. Los conocimientos adquiridos y los datos adquiridos a partir del uso de este diagnóstico informarán y guiarán a los investigadores y fabricantes de automóviles hacia diseños que maximicen la eficiencia del combustible y minimicen las emisiones dañinas del tubo de escape.
Secuencia temporal de imágenes en un proyecto de Sandia National Laboratories que muestra la extinción de la luz provocada por una nube de hollín formada durante la inyección de un spray diesel. El aerosol de combustible líquido se ve en la parte inferior de las imágenes y aparece oscuro porque la luz que pasa a través del recipiente de combustión es dispersada por las gotas de líquido. La nube de hollín corriente abajo aparece oscura principalmente debido a la absorción de luz por las partículas de hollín. Crédito:Laboratorios Nacionales Sandia
Un método estandarizado
El trabajo es una contribución significativa a la red de combustión de motores establecida en 2010 por Pickett. La red promueve la colaboración entre investigadores de motores de todo el mundo. Aunque la participación es voluntaria y la red no proporciona apoyo financiero, más de 15 instituciones han contribuido con datos experimentales.
"La red representa el poder de un movimiento de base, ", dijo Pickett." Hemos logrado 20 años de investigación en una quinta parte del tiempo ".
Un desafío del amplio esfuerzo colaborativo dentro de la red es la estandarización de los diagnósticos experimentales. "Con tantos investigadores deseosos de participar, Es importante asegurarse de que todos contribuyan con datos de alta calidad adquiridos de una manera técnicamente sólida, "dijo Pickett.
La técnica óptica desarrollada en este trabajo se basa en la atenuación o extinción de la luz para cuantificar la cantidad de hollín en una llama. Cuando la luz entra en el recipiente de combustión, será absorbido o esparcido por partículas de hollín. La luz que se absorbe y parte de la luz que se dispersa no llegará al sensor de la cámara. Esta reducción en la intensidad de la luz medida, en relación con un camino óptico despejado, puede estar relacionada con la cantidad de hollín presente. Para que la implementación de esta herramienta de diagnóstico sea conveniente para los participantes de la red, la publicación asociada proporciona una guía detallada sobre el equipo y las instrucciones necesarios para dimensionar la fuente de iluminación y la óptica de recolección. El uso de una fuente de luz LED desarrollada por Sandia, a diferencia de un láser de alta velocidad, significa que el costo y la complejidad son significativamente menores.
“Este trabajo tiene como objetivo establecer un método experimental estandarizado de imágenes de extinción que aumentará la confiabilidad y reproducibilidad de las mediciones experimentales enviadas a la red, "Dijo Westlye.
