En ny optisk enhet vid Sandia National Laboratories som hjälper forskare att avbilda föroreningar i förbränningsbränslesprayer kan leda till klarare himmel i framtiden.

En optisk uppställning utvecklad av forskare vid Sandias Combustion Research Facility och Danmarks Tekniska Universitet kan nu kvantifiera bildningen av sot – partiklar som huvudsakligen består av kol – som en funktion av tid och rum för en mängd olika förbränningsprocesser. Initialt, forskarna har fokuserat på förbränning av flytande bränslesprayer som finns i motorer, där de extrema trycken och temperaturerna skapar en miljö som är optiskt utmanande.

För att möta framtida krav på utsläpp av partiklar utan att offra bränslebesparingar, motorutvecklare behöver avancerade förbränningsstrategier för att minska bildningen av sot i spraylågor.

"Den inhämtade data ger viktiga insikter i bränslets sprayrörelse samt tidpunkten och mängden sot som bildas under ett brett spektrum av förhållanden, ", sa Sandia-forskaren Scott Skeen. "Motorutvecklare kan använda denna information för att validera datormodeller och designa avancerade motorförbränningsstrategier som kommer att förbättra bränsleekonomin för konsumenterna samtidigt som de minskar utsläppen av föroreningar från avgasröret."

Verket publicerades i en Tillämpad optik papper med titeln "Diffus bakgrundsbelysningsuppsättning för hög tidsupplöst extinction imaging" och valdes ut som en "Spotlight on Optics" av Optical Society i juli. Författare var bland annat Fredrik Westlye och Anders Ivarsson från Danmarks Tekniska Universitet och Sandia-forskarna Keith Penney, Lyle Pickett och Skeen och tidigare Sandia-forskaren Julien Manin. Arbetet finansierades av Department of Energy's Vehicle Technologies Office.

Höghastighetsdiagnostik kommer att belysa framtida forskning

Den optiska uppsättningen utvecklades för att kvantifiera sotbildning i högtrycksspraylågor producerade i Sandias optiskt tillgängliga, konstant volym, förbränningskammare.

Att avbilda lågor vid temperaturer och tryck som finns i motorer kan vara svårt på grund av ett fenomen som kallas "balkstyrning". Strålstyrning uppstår när ljus passerar genom ett medium med varierande brytningsindex och observeras vanligtvis som en "mirage" på motorvägen på sommaren. Den varma trottoaren värmer upp närliggande luft, vilket gör att dess brytningsindex ändras. Solljuset ändrar riktning när det passerar från kallare luft genom varmare luft, och dessa styrda ljusstrålar ger intrycket att det finns vatten i vägen – en hägring. På ett liknande sätt, en låga orsakar strålstyrning på grund av intilliggande områden med hög och låg temperatur. Storleken på strålstyrningen ökar avsevärt i en motor på grund av de höga trycken. Med optimerad belysning och bildoptik, dock, effekterna av strålstyrning kan elimineras.

Den speciella belysningen möjliggjordes av en specialtillverkad diffusor som var tillräckligt stor för att fylla området för Sandias sprayförbränningsrumsfönster (4 tum eller 100 millimeter). Den konstruerade diffusorn är speciellt designad för att avge ljusstrålar med samma ljusstyrka över ett specificerat vinkelområde. På det här sättet, en ljusstråle som blir styrd när den passerar genom lågan kommer att ersättas av en annan stråle med samma intensitet.

Vinkeln på den konstruerade diffusorn är optimerad baserat på experimentanläggningens fysiska dimensioner, storleken på den förväntade strålstyrningen och uppsamlingsvinkeln för bildbehandlingssystemet. "Faktiskt, Manin sa, "utan ett sådant specifikt optiskt arrangemang, kvantifiera sot via ljusdämpning i högtrycksspraylågor, där strålstyrningen är hårdare, skulle inte vara möjligt."

Att göra renare motorer

Skeen förklarar att även om nya dieselfordon är renare än någonsin tidigare, några av den senaste generationens bensinmotorer släpper ut lika mycket partiklar som äldre dieselmotorer. Det ökade partikelmaterialet kan tillskrivas införandet av ett bensindirektinsprutat bränslesystem, vilket ger förbättrad bränsleekonomi och därmed lägre koldioxidutsläpp per körd mil.

Direkt bensininsprutning innebär att man sprutar flytande högtrycksbensin direkt in i motorcylindern istället för att blanda och förånga bränslet i insugningsöppningen utanför cylindern. Denna metod minskar värmeförlusten och möjliggör friare luftflöde. Dock, Konsumenternas besparingar vid pumpen kommer på bekostnad av högre partikelutsläpp. Till skillnad från den mycket förtalade svarta röken som släpps ut från äldre dieselmotorer, sot som avges från bensinmotorer med direktinsprutning är osynligt för blotta ögat på grund av partiklarnas mycket ringa storlek.

Den diagnostik som presenteras i artikeln tillåter forskare att kvantifiera bildandet av partiklar i förbränningssprayer med oöverträffad tids- och rumslig upplösning. Insikter och data som erhållits från användningen av denna diagnostik kommer att informera och vägleda forskare och biltillverkare mot konstruktioner som maximerar bränsleeffektiviteten och samtidigt minimerar skadliga avgasutsläpp.

En standardiserad metod

Arbetet är ett betydande bidrag till Engine Combustion Network som etablerades 2010 av Pickett. Nätverket främjar samarbete mellan motorforskare runt om i världen. Även om deltagandet är frivilligt och nätverket inte ger något ekonomiskt stöd, mer än 15 institutioner har bidragit med experimentella data.

"Nätverket representerar kraften i en gräsrotsrörelse, ", sa Pickett. "Vi har åstadkommit 20 års forskning på en femtedel av tiden."

En utmaning för det omfattande samarbetet inom nätverket är standardiseringen av experimentell diagnostik. "Med så många forskare som är ivriga att delta, det är viktigt att se till att alla bidrar med högkvalitativ data som inhämtats på ett tekniskt sunt sätt, sa Pickett.

Den optiska tekniken som utvecklats i detta arbete bygger på ljusdämpning eller utsläckning för att kvantifiera mängden sot i en låga. När ljus kommer in i förbränningskärlet, det kommer att absorberas eller sprids av sotpartiklar. Ljus som absorberas och en del ljus som sprids når inte kamerasensorn. Denna minskning av uppmätt ljusintensitet – i förhållande till en tydlig optisk väg – kan relateras till mängden sot som finns. För att göra implementeringen av detta diagnostiska verktyg bekvämt för nätverksdeltagare, den tillhörande publikationen ger detaljerad vägledning om nödvändig utrustning och instruktioner för dimensionering av belysningskällan och samlingsoptiken. Användningen av en Sandia-utvecklad LED-ljuskälla, i motsats till en höghastighetslaser, innebär att kostnaden och komplexiteten är betydligt lägre.

"Detta arbete syftar till att etablera en standardiserad experimentell metod för extinktionsavbildning som kommer att öka tillförlitligheten och reproducerbarheten av experimentella mätningar som skickas till nätverket, sa Westlye.