Scott Skeen, pesquisadores do Sandia National Laboratories, deixou, e Lyle Pickett, Centro, e o ex-pesquisador da Sandia Julien Manin discutem um novo dispositivo óptico desenvolvido na Sandia que pode quantificar a formação de fuligem. Crédito:Foto de Dino Vournas
Um novo dispositivo óptico no Sandia National Laboratories que ajuda os pesquisadores a criar imagens de poluentes na combustão de sprays de combustível pode levar a céus mais claros no futuro.
Uma configuração ótica desenvolvida por pesquisadores do Sandia's Combustion Research Facility e da Technical University of Denmark pode agora quantificar a formação de fuligem - matéria particulada consistindo principalmente de carbono - como uma função de tempo e espaço para uma variedade de processos de combustão. Inicialmente, os pesquisadores se concentraram na combustão de sprays de combustível líquido encontrados em motores, onde as pressões e temperaturas extremas criam um ambiente opticamente desafiador.
Para atender às exigências futuras de emissões de partículas sem sacrificar a economia de combustível, os desenvolvedores de motores precisam de estratégias de combustão avançadas para reduzir a formação de fuligem em chamas de spray.
"Os dados adquiridos fornecem informações importantes sobre o movimento de pulverização de combustível, bem como o momento e a quantidade de fuligem formada sob uma ampla gama de condições, ", disse Scott Skeen, pesquisador do Sandia." Os desenvolvedores de motores podem usar essas informações para validar modelos de computador e projetar estratégias avançadas de combustão do motor que irão melhorar a economia de combustível para os consumidores e, ao mesmo tempo, reduzir as emissões de poluentes no tubo de escapamento.
O trabalho foi publicado em um Óptica Aplicada documento intitulado "Configuração de retroiluminação difusa para imagens de extinção de alta resolução temporal" e foi selecionado como "Spotlight on Optics" pela Optical Society em julho. Os autores incluem Fredrik Westlye e Anders Ivarsson da Universidade Técnica da Dinamarca e os pesquisadores da Sandia Keith Penney, Lyle Pickett e Skeen e o ex-pesquisador da Sandia Julien Manin. O trabalho foi financiado pelo Departamento de Tecnologia de Veículos do Departamento de Energia.
O diagnóstico de alta velocidade lançará luz sobre pesquisas futuras
A configuração óptica foi desenvolvida para quantificar a formação de fuligem em chamas de spray de alta pressão produzidas em Sandia opticamente acessível, volume constante, câmara de combustão de pré-queima.
Uma renderização 3-D do navio de combustão e configuração de imagem de extinção de retroiluminação difusa em um projeto do Sandia National Laboratories para gerar imagens de poluentes de motores. Crédito:Sandia National Laboratories
A geração de imagens de chamas em temperaturas e pressões encontradas nos motores pode ser difícil devido a um fenômeno denominado "direção do feixe". A direção do feixe ocorre quando a luz passa por um meio com índices de refração variáveis e é comumente observada como uma "miragem" na rodovia no verão. O pavimento quente aquece o ar próximo, fazendo com que seu índice de refração mude. A luz do sol muda de direção à medida que passa do ar mais frio para o ar mais quente, e esses raios de luz direcionados dão a impressão de que há água na estrada - uma miragem. De maneira semelhante, uma chama causa o direcionamento do feixe por causa das regiões adjacentes de alta e baixa temperatura. A magnitude da direção do feixe aumenta significativamente em um motor por causa das altas pressões. Com iluminação otimizada e ótica de imagem, Contudo, os efeitos da direção do feixe podem ser eliminados.
A iluminação especial foi habilitada por um difusor de engenharia personalizado grande o suficiente para preencher a área da janela da câmara de combustão de spray de Sandia (4 polegadas ou 100 milímetros). O difusor projetado foi projetado especificamente para emitir raios de luz com o mesmo brilho em uma faixa angular especificada. Desta maneira, um raio de luz que é direcionado ao passar pela chama será substituído por outro raio de mesma intensidade.
O ângulo do difusor projetado é otimizado com base nas dimensões físicas da instalação experimental, a magnitude da direção do feixe antecipada e o ângulo de coleta do sistema de imagem. "Na verdade, "Manin disse, "sem tal arranjo óptico específico, quantificar a fuligem por meio da atenuação da luz em chamas de spray de alta pressão, onde a direção do feixe é mais severa, não seria possível. "
Fazendo motores mais limpos
Skeen explica que, embora os novos veículos a diesel estejam mais limpos do que nunca, alguns dos motores a gasolina de última geração emitem tanto material particulado quanto os motores a diesel mais antigos. O aumento do material particulado pode ser atribuído à adoção de um sistema de combustível de injeção direta de gasolina, o que resulta em maior economia de combustível e, portanto, menor emissão de dióxido de carbono por quilômetro percorrido.
A injeção direta de gasolina envolve pulverizar gasolina líquida de alta pressão diretamente no cilindro do motor, em vez de misturar e vaporizar o combustível na porta de entrada fora do cilindro. Este método reduz a perda de calor e permite um fluxo de ar mais livre. Contudo, a economia do consumidor na bomba vem com o custo de maiores emissões de partículas. Ao contrário da muito difamada fumaça preta emitida por motores a diesel mais antigos, a fuligem emitida pelos motores de injeção direta de gasolina é invisível a olho nu devido ao tamanho muito pequeno das partículas.
O diagnóstico apresentado no artigo permite aos pesquisadores quantificar a formação de material particulado em sprays de combustão com resolução temporal e espacial sem precedentes. As percepções obtidas e os dados adquiridos com o uso deste diagnóstico informarão e guiarão os pesquisadores e fabricantes automotivos em direção a projetos que maximizem a eficiência do combustível enquanto minimizam as emissões prejudiciais do tubo de escape.
Sequência temporal de imagens em um projeto do Sandia National Laboratories que mostra a extinção da luz causada por uma nuvem de fuligem formada durante a injeção de um spray diesel. O spray de combustível líquido é visto na parte inferior das imagens e parece escuro porque a luz que passa pelo vaso de combustão é espalhada pelas gotículas de líquido. A nuvem de fuligem a jusante parece escura principalmente devido à absorção de luz pelas partículas de fuligem. Crédito:Sandia National Laboratories
Um método padronizado
O trabalho é uma contribuição significativa para a Rede de Motores de Combustão criada em 2010 pela Pickett. A rede promove a colaboração entre pesquisadores de motores em todo o mundo. Embora a participação seja voluntária e a rede não forneça suporte financeiro, mais de 15 instituições contribuíram com dados experimentais.
"A rede representa o poder de um movimento popular, "disse Pickett." Realizamos 20 anos de pesquisas em um quinto do tempo. "
Um desafio do amplo esforço colaborativo dentro da rede é a padronização de diagnósticos experimentais. “Com tantos pesquisadores ansiosos para participar, é importante garantir que todos contribuam com dados de alta qualidade adquiridos de maneira tecnicamente sólida, "disse Pickett.
A técnica ótica desenvolvida neste trabalho se baseia na atenuação ou extinção da luz para quantificar a quantidade de fuligem em uma chama. Conforme a luz entra no vaso de combustão, será absorvido ou espalhado por partículas de fuligem. A luz que é absorvida e parte da luz que é espalhada não alcançarão o sensor da câmera. Essa redução na intensidade da luz medida - em relação a um caminho óptico claro - pode estar relacionada à quantidade de fuligem presente. Para tornar a implementação desta ferramenta de diagnóstico conveniente para os participantes da rede, a publicação associada fornece orientação detalhada sobre o equipamento necessário e instruções para dimensionar a fonte de iluminação e óptica de coleta. O uso de uma fonte de luz LED desenvolvida pela Sandia, ao contrário de um laser de alta velocidade, significa que o custo e a complexidade são significativamente menores.
“Este trabalho visa estabelecer um método experimental padronizado de extinção de imagens que irá aumentar a confiabilidade e reprodutibilidade das medidas experimentais submetidas à rede, "Westlye disse.