I ricercatori dei Sandia National Laboratories Scott Skeen, sinistra, e Lyle Pickett, centro, e l'ex ricercatore di Sandia Julien Manin discutono di un nuovo dispositivo ottico sviluppato a Sandia in grado di quantificare la formazione di fuliggine. Credito:foto di Dino Vournas
Un nuovo dispositivo ottico presso i Sandia National Laboratories che aiuta i ricercatori a visualizzare gli inquinanti nella combustione degli spruzzi di carburante potrebbe portare a cieli più limpidi in futuro.
Una configurazione ottica sviluppata dai ricercatori del Combustion Research Facility di Sandia e dell'Università tecnica della Danimarca può ora quantificare la formazione di fuliggine, particolato costituito principalmente da carbonio, in funzione del tempo e dello spazio per una varietà di processi di combustione. Inizialmente, i ricercatori si sono concentrati sulla combustione di spruzzi di carburante liquido presenti nei motori, dove le pressioni e le temperature estreme creano un ambiente otticamente impegnativo.
Per soddisfare i futuri obblighi in materia di emissioni di particolato senza sacrificare il risparmio di carburante, gli sviluppatori di motori necessitano di strategie di combustione avanzate per ridurre la formazione di fuliggine nelle fiamme degli spruzzi.
"I dati acquisiti forniscono importanti informazioni sul movimento dello spruzzo di carburante, nonché sui tempi e sulla quantità di fuliggine formata in un'ampia gamma di condizioni, " ha affermato il ricercatore di Sandia Scott Skeen. "Gli sviluppatori di motori possono utilizzare queste informazioni per convalidare modelli informatici e progettare strategie avanzate di combustione del motore che miglioreranno il risparmio di carburante per i consumatori riducendo allo stesso tempo le emissioni inquinanti dallo scarico".
Il lavoro è stato pubblicato in an Ottica applicata documento intitolato "Configurazione della retroilluminazione diffusa per l'imaging ad alta estinzione risolta temporalmente" ed è stato selezionato come "Spotlight on Optics" dalla Optical Society a luglio. Gli autori includevano Fredrik Westlye e Anders Ivarsson della Technical University of Denmark e i ricercatori di Sandia Keith Penney, Lyle Pickett e Skeen e l'ex ricercatore di Sandia Julien Manin. Il lavoro è stato finanziato dall'Ufficio per le tecnologie dei veicoli del Dipartimento dell'energia.
La diagnostica ad alta velocità farà luce sulla ricerca futura
La configurazione ottica è stata sviluppata per quantificare la formazione di fuliggine nelle fiamme spray ad alta pressione prodotte nell'area otticamente accessibile di Sandia, volume costante, camera di combustione di precombustione.
Un rendering 3D del vaso di combustione e una configurazione di imaging di estinzione della retroilluminazione diffusa in un progetto dei Sandia National Laboratories per l'immagine degli inquinanti del motore. Credito:Laboratori Nazionali Sandia
L'immagine delle fiamme a temperature e pressioni riscontrate nei motori può essere difficile a causa di un fenomeno chiamato "orientamento del raggio". Lo sterzo del raggio si verifica quando la luce passa attraverso un mezzo con indici di rifrazione variabili ed è comunemente osservato come un "miraggio" sull'autostrada nel periodo estivo. Il pavimento caldo riscalda l'aria vicina, causando la variazione del suo indice di rifrazione. La luce del sole cambia direzione mentre passa dall'aria più fredda all'aria più calda, e questi raggi di luce diretti danno l'impressione che ci sia dell'acqua sulla strada, un miraggio. In un modo simile, una fiamma provoca la direzione del raggio a causa delle regioni adiacenti ad alta e bassa temperatura. L'entità dello sterzo del fascio aumenta significativamente in un motore a causa delle alte pressioni. Con illuminazione ottimizzata e ottica di imaging, però, gli effetti dello sterzo del fascio possono essere eliminati.
L'illuminazione speciale è stata resa possibile da un diffusore progettato su misura abbastanza grande da riempire l'area della finestra della camera di combustione spray di Sandia (4 pollici o 100 millimetri). Il diffusore ingegnerizzato è stato specificamente progettato per emettere raggi luminosi con la stessa luminosità su un intervallo angolare specificato. In questo modo, un raggio di luce che viene guidato mentre attraversa la fiamma sarà sostituito da un altro raggio della stessa intensità.
L'angolo del diffusore ingegnerizzato è ottimizzato in base alle dimensioni fisiche della struttura sperimentale, l'entità dello sterzo anticipato del raggio e l'angolo di raccolta del sistema di imaging. "Infatti, "Manin ha detto, "senza una disposizione ottica così specifica, quantificare la fuliggine attraverso una leggera attenuazione in fiamme spray ad alta pressione, dove lo sterzo del raggio è più severo, non sarebbe possibile".
Rendere i motori più puliti
Skeen spiega che sebbene i nuovi veicoli diesel siano più puliti che mai, alcuni dei motori a benzina di ultima generazione emettono tanto particolato quanto i vecchi motori diesel. L'aumento del particolato è da attribuire all'adozione di un impianto di alimentazione a benzina ad iniezione diretta, che si traduce in un migliore risparmio di carburante e quindi in una minore emissione di anidride carbonica per miglio percorso.
L'iniezione diretta di benzina comporta la spruzzatura di benzina liquida ad alta pressione direttamente nel cilindro del motore anziché miscelare e vaporizzare il carburante nella porta di aspirazione all'esterno del cilindro. Questo metodo riduce la perdita di calore e consente un flusso d'aria più libero. Però, il risparmio dei consumatori alla pompa viene a scapito di maggiori emissioni di particolato. A differenza del tanto diffamato fumo nero emesso dai vecchi motori diesel, la fuliggine emessa dai motori a benzina ad iniezione diretta è invisibile ad occhio nudo a causa delle dimensioni molto ridotte delle particelle.
La diagnostica presentata nel documento consente ai ricercatori di quantificare la formazione di particolato negli spray di combustione con una risoluzione temporale e spaziale senza precedenti. Le conoscenze acquisite e i dati acquisiti dall'uso di questa diagnostica informeranno e guideranno i ricercatori e i produttori di automobili verso progetti che massimizzano l'efficienza del carburante riducendo al minimo le emissioni nocive del tubo di scappamento.
Sequenza temporale di immagini in un progetto dei Sandia National Laboratories che mostra l'estinzione della luce causata da una nuvola di fuliggine formatasi durante l'iniezione di uno spray diesel. Lo spray di combustibile liquido si vede nella parte inferiore delle immagini e appare scuro perché la luce che passa attraverso il recipiente di combustione viene dispersa dalle goccioline di liquido. La nube di fuliggine a valle appare scura principalmente a causa dell'assorbimento della luce da parte delle particelle di fuliggine. Credito:Laboratori Nazionali Sandia
Un metodo standardizzato
L'opera rappresenta un contributo significativo al Engine Combustion Network istituito nel 2010 da Pickett. La rete promuove la collaborazione tra i ricercatori di motori in tutto il mondo. Sebbene la partecipazione sia volontaria e la rete non fornisca alcun supporto finanziario, più di 15 istituzioni hanno fornito dati sperimentali.
"La rete rappresenta la forza di un movimento di base, " ha detto Pickett. "Abbiamo compiuto 20 anni di ricerca in un quinto del tempo".
Una sfida dell'ampio sforzo collaborativo all'interno della rete è la standardizzazione della diagnostica sperimentale. "Con così tanti ricercatori desiderosi di partecipare, è importante garantire che tutti contribuiscano con dati di alta qualità acquisiti in modo tecnicamente valido, " disse Picket.
La tecnica ottica sviluppata in questo lavoro si basa sull'attenuazione o estinzione della luce per quantificare la quantità di fuliggine in una fiamma. Quando la luce entra nel recipiente di combustione, sarà assorbito o disperso dalle particelle di fuliggine. La luce assorbita e un po' di luce diffusa non raggiungeranno il sensore della fotocamera. Questa riduzione dell'intensità della luce misurata, rispetto a un percorso ottico chiaro, può essere correlata alla quantità di fuliggine presente. Per rendere conveniente l'implementazione di questo strumento diagnostico per i partecipanti alla rete, la pubblicazione associata fornisce una guida dettagliata sull'attrezzatura e le istruzioni necessarie per il dimensionamento della sorgente di illuminazione e dell'ottica di raccolta. L'utilizzo di una sorgente luminosa a LED sviluppata da Sandia, al contrario di un laser ad alta velocità, significa che il costo e la complessità sono significativamente inferiori.
"Questo lavoro mira a stabilire un metodo sperimentale standardizzato di imaging di estinzione che aumenterà l'affidabilità e la riproducibilità delle misurazioni sperimentali inviate alla rete, " ha detto Westly.
