Un nuevo dispositivo óptico en los Laboratorios Nacionales de Sandia que ayuda a los investigadores a obtener imágenes de contaminantes en la combustión de combustible puede conducir a cielos más despejados en el futuro.
Una configuración óptica desarrollada por investigadores de la Instalación de Investigación de Combustión de Sandia y la Universidad Técnica de Dinamarca ahora puede cuantificar la formación de hollín, material particulado que consiste 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 de emisiones futuras de partículas sin sacrificar el ahorro de combustible, los desarrolladores de motores necesitan estrategias avanzadas de combustión para reducir la formación de hollín en las llamas de pulverización.
"Los datos adquiridos proporcionan información importante sobre el movimiento de rociado de combustible, así como el tiempo y la cantidad de hollín formado en una amplia gama de condiciones", dijo el investigador de Sandia Scott Skeen. "Los desarrolladores de motores pueden usar esta información para validar modelos de computadora ydiseñar estrategias avanzadas de combustión del motor que mejorarán la economía 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 seleccionada como "Foco en Óptica" por la Sociedad Óptica en julio. Los autores incluyeron a Fredrik Westlye y Anders Ivarsson de la Universidad Técnica de Dinamarca y Sandiainvestigadores 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 futuras investigaciones
La configuración óptica se desarrolló para cuantificar la formación de hollín en las llamas de pulverización de alta presión producidas en la cámara de combustión de precombustión de volumen constante y ópticamente accesible de Sandia.
Las llamas de imágenes a temperaturas y presiones encontradas en los motores pueden ser difíciles debido a un fenómeno llamado "dirección del haz". La dirección del haz ocurre cuando la luz pasa a través de un medio con índices de refracción variables y se observa comúnmente como un "espejismo" en la carretera enel horario de verano. El pavimento caliente calienta el aire cercano, haciendo que cambie su índice de refracción. La luz solar cambia de dirección a medida que pasa del aire más frío al aire más caliente, y estos rayos de luz direccionados dan la impresión de que hay agua en la carretera.un espejismo. De manera similar, una llama causa 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. Sin embargo, con la iluminación optimizada y la óptica de imagen, elSe 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 por aspersión de Sandia 4 pulgadas o 100 milímetros. El difusor diseñado fue diseñado específicamente para emitir rayos de luz con el mismo brillo sobre un ángulo específicode esta manera, un rayo de luz que se dirige a medida que pasa a través de la llama será reemplazado por otro rayo que tenga la misma intensidad.
El ángulo del difusor diseñado está optimizado en función de las dimensiones físicas de la instalación experimental, la magnitud de la dirección del haz anticipada y el ángulo de recolección del sistema de imágenes ". De hecho", dijo Manin, "sin una óptica tan específicadisposición, cuantificar el hollín a través de la atenuación de la luz en llamas de pulverización de alta presión, donde la dirección del haz es más severa, no sería posible "
Hacer motores más limpios
Skeen explica que aunque los nuevos vehículos diesel son más limpios que nunca, algunos de los motores de gasolina de última generación emiten tanta materia particulada como los motores diesel más antiguos. El aumento de las partículas puede atribuirse a la adopción de un sistema de combustible de inyección directa de gasolina, lo que resulta en una mejor economía de combustible y, por lo tanto, una menor emisión de dióxido de carbono por milla recorrida
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, el ahorro del consumidor en la bombatienen el costo de emisiones de partículas más altas. A diferencia del humo negro muy difamado que emiten los motores diesel 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 partículas en los aerosoles de combustión con una resolución temporal y espacial sin precedentes. Los conocimientos adquiridos y los datos adquiridos del uso de este diagnóstico informarán y guiarán a los investigadores y fabricantes de automóviles hacia diseños que maximiceneficiencia de combustible al tiempo que minimiza las emisiones nocivas del tubo de escape.
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 los investigadores de motores de todo el mundo. Aunque la participación es voluntaria y la red no brinda apoyo financiero, más de 15 instituciones han aportado datos experimentales.
"La red representa el poder de un movimiento de base", dijo Pickett. "Hemos realizado 20 años de investigación en una quinta parte del tiempo".
Uno de los desafíos del amplio esfuerzo de colaboración dentro de la red es la estandarización de los diagnósticos experimentales. "Con tantos investigadores ansiosos por 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. A medida que la luz ingresa al recipiente de combustión, será absorbida o dispersada por partículas de hollín. Luz que se absorbe y algo de luz quesi está disperso no alcanzará el sensor de la cámara. Esta reducción en la intensidad de luz medida, en relación con una ruta óptica clara, puede estar relacionada con la cantidad de hollín presente. Para hacer que la implementación de esta herramienta de diagnóstico sea conveniente para los participantes de la red, la publicación asociadaproporciona orientación detallada sobre el equipo necesario y las instrucciones 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 la reproducibilidad de las mediciones experimentales enviadas a la red", dijo Westlye.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Sandia National Laboratories . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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