Forskerteam udvikler optisk diagnostik, der hjælper med at forbedre brændstoføkonomien og samtidig reducere emissioner

En ny optisk enhed på Sandia National Laboratories, der hjælper forskere med at forestille sig forurenende stoffer i forbrænding af sprøjtemidler, kan føre til klarere himmelstrøg i fremtiden.

Et optisk setup, der er udviklet af forskere ved Sandias Forbrændingsforskningsfacilitet og Danmarks Tekniske Universitet, kan nu kvantificere dannelsen af ​​sod - partikler, der primært består af kulstof - som funktion af tid og rum til en række forskellige forbrændingsprocesser. I første omgang, forskerne har fokuseret på forbrænding af flydende brændselssprøjter, der findes i motorer, hvor ekstreme tryk og temperaturer skaber et miljø, der er optisk udfordrende.

For at imødekomme fremtidige emissioner af partikler uden at gå på kompromis med brændstofbesparelser, motorudviklere har brug for avancerede forbrændingsstrategier for at reducere dannelsen af ​​sod i sprayflammer.

"De indsamlede data giver vigtig indsigt i brændstofsprøjtens bevægelse samt timingen og mængden af ​​sod dannet under en lang række forhold, "sagde Sandia -forsker Scott Skeen." Motorudviklere kan bruge disse oplysninger til at validere computermodeller og designe avancerede motorforbrændingsstrategier, der vil forbedre brændstoføkonomien for forbrugerne og samtidig reducere udstødningsforurenende emissioner. "

Værket blev udgivet i en Anvendt optik papir med titlen "Diffus back-illumination setup for high temporally resolved extinction imaging" og blev valgt som "Spotlight on Optics" af Optical Society i juli. Forfattere omfattede Fredrik Westlye og Anders Ivarsson fra Danmarks Tekniske Universitet og Sandia -forskere Keith Penney, Lyle Pickett og Skeen og tidligere Sandia -forsker Julien Manin. Arbejdet blev finansieret af Department of Energy's Vehicle Technologies Office.

Højhastighedsdiagnostik vil kaste lys over fremtidig forskning

Det optiske setup blev udviklet til at kvantificere soddannelse i højtrykssprøjteflammer produceret i Sandias optisk tilgængelige, konstant volumen, forbrændingskammer før forbrænding.

Imaging flammer ved temperaturer og tryk, der findes i motorer, kan være svært på grund af et fænomen, der kaldes "bjælkestyring". Bjælkestyring opstår, når lys passerer gennem et medium med varierende brydningsindekser og ses almindeligvis som en "mirage" på motorvejen om sommeren. Den varme fortov opvarmer nærliggende luft, får dets brydningsindeks til at ændre sig. Sollyset ændrer retning, når det passerer fra køligere luft gennem varmere luft, og disse styrede lysstråler giver indtryk af, at der er vand på vejen - en hældning. På lignende måde, en flamme forårsager strålestyring på grund af tilstødende områder med høj og lav temperatur. Størrelsen af ​​bjælkestyringen stiger betydeligt i en motor på grund af det høje tryk. Med optimeret belysning og billedoptik, imidlertid, virkningerne af bjælkestyring kan elimineres.

Den specielle belysning blev muliggjort af en specialdesignet diffusor, der var stor nok til at fylde området i Sandias sprøjteforbrændingskammervindue (4 tommer eller 100 millimeter). Den konstruerede diffusor er specielt designet til at udsende lysstråler med samme lysstyrke over et bestemt vinkelområde. På denne måde, en lysstråle, der bliver styret, når den passerer gennem flammen, vil blive erstattet af en anden stråle med samme intensitet.

Vinklen på den konstruerede diffusor er optimeret baseret på de fysiske dimensioner af forsøgsanlægget, størrelsen af ​​den forventede strålestyring og billedsystemets opsamlingsvinkel. "Faktisk, "Sagde Manin, "uden et sådant specifikt optisk arrangement, kvantificering af sod via lysdæmpning i højtrykssprøjteflammer, hvor bjælkestyring er mere alvorlig ikke ville være muligt. "

Lav renere motorer

Skeen forklarer, at selvom nye dieselbiler er renere end nogensinde før, nogle af den seneste generation benzinmotorer udsender lige så meget partikler som ældre dieselmotorer. Det øgede partikler kan tilskrives vedtagelsen af ​​et benzin med direkte indsprøjtning af brændstof, hvilket resulterer i forbedret brændstoføkonomi og derfor lavere kuldioxidemission pr. kørt kilometer.

Benzin direkte indsprøjtning indebærer sprøjtning af højtryks flydende benzin direkte i motorcylinderen i stedet for at blande og fordampe brændstoffet i indsugningsporten uden for cylinderen. Denne metode reducerer varmetab og muliggør friere luftstrøm. Imidlertid, forbrugerbesparelser ved pumpen kommer på bekostning af højere emissioner af partikler. I modsætning til den meget malignerede sorte røg, der udsendes fra ældre dieselmotorer, sod, der udsendes fra benzinmotorer med direkte indsprøjtning, er usynlig for det blotte øje på grund af partiklernes meget lille størrelse.

Diagnosen præsenteret i papiret gør det muligt for forskere at kvantificere dannelsen af ​​partikler i forbrændingsspray med hidtil uset tidsmæssig og rumlig opløsning. Indhentet indsigt og data indhentet ved brug af denne diagnostik vil informere og guide forskere og bilproducenter mod designs, der maksimerer brændstofeffektiviteten og minimerer skadelige udstødningsemissioner.

En standardiseret metode

Arbejdet er et betydeligt bidrag til motorforbrændingsnetværket, der blev etableret i 2010 af Pickett. Netværket fremmer samarbejde mellem motorforskere rundt om i verden. Selvom deltagelse er frivillig, og netværket ikke yder økonomisk støtte, mere end 15 institutioner har bidraget med eksperimentelle data.

"Netværket repræsenterer kraften i en græsrodsbevægelse, "sagde Pickett." Vi har udført 20 års forskning på en femtedel af tiden. "

En udfordring ved den omfattende samarbejdsindsats inden for netværket er standardisering af eksperimentel diagnostik. "Med så mange forskere, der er ivrige efter at deltage, det er vigtigt at sikre, at alle bidrager med data af høj kvalitet indsamlet på en teknisk forsvarlig måde, "sagde Pickett.

Den optiske teknik, der er udviklet i dette arbejde, er afhængig af lysdæmpning eller udryddelse for at kvantificere mængden af ​​sod i en flamme. Når lyset kommer ind i forbrændingsbeholderen, det vil blive absorberet eller spredt af sodpartikler. Lys, der absorberes og noget spredt lys, når ikke kamerasensoren. Denne reduktion i målt lysintensitet - i forhold til en klar optisk sti - kan relateres til mængden af ​​sod, der er til stede. For at gøre implementeringen af ​​dette diagnostiske værktøj praktisk for netværksdeltagere, den tilhørende publikation giver detaljeret vejledning om det nødvendige udstyr og instruktion til dimensionering af belysningskilden og opsamlingsoptikken. Brugen af ​​en Sandia-udviklet LED lyskilde, i modsætning til en højhastigheds laser, betyder, at omkostningerne og kompleksiteten er betydeligt lavere.

"Dette arbejde sigter mod at etablere en standardiseret eksperimentel metode til ekstinktion, der vil øge pålideligheden og reproducerbarheden af ​​eksperimentelle målinger, der indsendes til netværket, "Sagde Westlye.