Les chercheurs des laboratoires nationaux de Sandia Scott Skeen, la gauche, et Lyle Pickett, centre, et l'ancien chercheur de Sandia Julien Manin discutent d'un nouveau dispositif optique développé à Sandia qui peut quantifier la formation de suie. Crédit :Photo par Dino Vournas
Un nouveau dispositif optique des laboratoires nationaux Sandia qui aide les chercheurs à visualiser les polluants dans les pulvérisations de carburant en combustion pourrait conduire à un ciel plus clair à l'avenir.
Une configuration optique développée par des chercheurs du centre de recherche sur la combustion de Sandia et de l'Université technique du Danemark peut désormais quantifier la formation de suie, une matière particulaire constituée principalement de carbone, en fonction du temps et de l'espace pour divers processus de combustion. Initialement, les chercheurs se sont concentrés sur la combustion de sprays de carburant liquide trouvés dans les moteurs, où les pressions et températures extrêmes créent un environnement qui est optiquement difficile.
Pour répondre aux futurs mandats d'émissions de particules sans sacrifier les économies de carburant, Les développeurs de moteurs ont besoin de stratégies de combustion avancées pour réduire la formation de suie dans les flammes de pulvérisation.
"Les données acquises fournissent des informations importantes sur le mouvement de pulvérisation de carburant ainsi que sur le moment et la quantité de suie formée dans un large éventail de conditions, ", a déclaré Scott Skeen, chercheur chez Sandia. Les développeurs de moteurs peuvent utiliser ces informations pour valider des modèles informatiques et concevoir des stratégies avancées de combustion des moteurs qui amélioreront l'économie de carburant pour les consommateurs tout en réduisant les émissions de polluants d'échappement."
L'ouvrage a été publié dans un Optique appliquée article intitulé "Diffuse back-illumination setup for high temporallyresolution extinction imaging" et a été sélectionné comme "Spotlight on Optics" par l'Optical Society en juillet. Les auteurs comprenaient Fredrik Westlye et Anders Ivarsson de l'Université technique du Danemark et les chercheurs de Sandia Keith Penney, Lyle Pickett et Skeen et l'ancien chercheur de Sandia Julien Manin. Les travaux ont été financés par le Bureau des technologies des véhicules du ministère de l'Énergie.
Des diagnostics à grande vitesse éclaireront les futures recherches
La configuration optique a été développée pour quantifier la formation de suie dans les flammes de pulvérisation à haute pression produites dans le système optiquement accessible de Sandia, volume constant, chambre de pré-combustion.
Un rendu 3D de la chambre de combustion et une configuration d'imagerie d'extinction par rétroéclairage diffus dans un projet des laboratoires nationaux Sandia pour imager les polluants du moteur. Crédit :Laboratoires nationaux Sandia
L'imagerie des flammes aux températures et pressions trouvées dans les moteurs peut être difficile en raison d'un phénomène appelé « guidage du faisceau ». L'orientation du faisceau se produit lorsque la lumière traverse un milieu avec des indices de réfraction variables et est couramment observée comme un « mirage » sur l'autoroute en été. La chaussée chaude réchauffe l'air voisin, provoquant la modification de son indice de réfraction. La lumière du soleil change de direction lorsqu'elle passe de l'air plus frais à l'air plus chaud, et ces rayons lumineux dirigés donnent l'impression qu'il y a de l'eau sur la route, un mirage. D'une manière similaire, une flamme provoque l'orientation du faisceau en raison des régions adjacentes à haute et basse température. L'amplitude de la direction du faisceau augmente considérablement dans un moteur en raison des pressions élevées. Avec un éclairage et une optique d'imagerie optimisés, cependant, les effets de l'orientation du faisceau peuvent être éliminés.
L'éclairage spécial a été rendu possible par un diffuseur conçu sur mesure assez grand pour remplir la zone de la fenêtre de la chambre de combustion par pulvérisation de Sandia (4 pouces ou 100 millimètres). Le diffuseur technique a été spécialement conçu pour émettre des rayons lumineux avec la même luminosité sur une plage angulaire spécifiée. De cette façon, un rayon lumineux qui se dirige en traversant la flamme sera remplacé par un autre rayon ayant la même intensité.
L'angle du diffuseur technique est optimisé en fonction des dimensions physiques de l'installation expérimentale, l'amplitude de l'orientation prévue du faisceau et l'angle de collecte du système d'imagerie. "En réalité, " Manin a dit, "sans un tel arrangement optique spécifique, quantifier les suies par atténuation de la lumière dans les flammes de pulvérisation haute pression, où la direction du faisceau est plus sévère, ne serait pas possible."
Faire des moteurs plus propres
Skeen explique que bien que les nouveaux véhicules diesel soient plus propres que jamais, certains moteurs à essence de dernière génération émettent autant de particules que les moteurs diesel plus anciens. L'augmentation des particules peut être attribuée à l'adoption d'un système de carburant à injection directe d'essence, ce qui se traduit par une économie de carburant améliorée et donc une réduction des émissions de dioxyde de carbone par kilomètre parcouru.
L'injection directe d'essence consiste à pulvériser de l'essence liquide à haute pression directement dans le cylindre du moteur plutôt que de mélanger et de vaporiser le carburant dans l'orifice d'admission à l'extérieur du cylindre. Cette méthode réduit les pertes de chaleur et permet une circulation d'air plus libre. Cependant, les économies des consommateurs à la pompe se font au prix d'émissions de particules plus élevées. Contrairement à la fumée noire tant décriée émise par les anciens moteurs diesel, les suies émises par les moteurs essence à injection directe sont invisibles à l'œil nu en raison de la très petite taille des particules.
Le diagnostic présenté dans l'article permet aux chercheurs de quantifier la formation de particules dans les aérosols en combustion avec une résolution temporelle et spatiale sans précédent. Les connaissances acquises et les données acquises grâce à l'utilisation de ce diagnostic informeront et guideront les chercheurs et les constructeurs automobiles vers des conceptions qui maximisent l'efficacité énergétique tout en minimisant les émissions d'échappement nocives.
Séquence temporelle d'images dans un projet des laboratoires nationaux Sandia qui montre l'extinction de la lumière causée par un nuage de suie formé lors de l'injection d'un spray diesel. La pulvérisation de carburant liquide est visible au bas des images et apparaît sombre car la lumière traversant le récipient de combustion est diffusée par les gouttelettes de liquide. Le nuage de suie en aval apparaît sombre principalement en raison de l'absorption de la lumière par les particules de suie. Crédit :Laboratoires nationaux Sandia
Une méthode standardisée
Le travail est une contribution importante au Engine Combustion Network établi en 2010 par Pickett. Le réseau favorise la collaboration entre les chercheurs en moteurs du monde entier. Bien que la participation soit volontaire et que le réseau ne fournisse aucun soutien financier, plus de 15 institutions ont fourni des données expérimentales.
« Le réseau représente la puissance d'un mouvement de base, " a déclaré Pickett. " Nous avons accompli 20 ans de recherche en un cinquième du temps. "
L'un des défis de l'effort de collaboration de grande envergure au sein du réseau est la standardisation des diagnostics expérimentaux. "Avec autant de chercheurs désireux de participer, il est important de s'assurer que chacun apporte des données de haute qualité acquises de manière techniquement solide, " dit Pickett.
La technique optique développée dans ce travail repose sur l'atténuation ou l'extinction de la lumière pour quantifier la quantité de suie dans une flamme. Lorsque la lumière pénètre dans le récipient de combustion, il sera absorbé ou dispersé par les particules de suie. La lumière absorbée et une partie de la lumière diffusée n'atteindront pas le capteur de la caméra. Cette réduction de l'intensité lumineuse mesurée - par rapport à un chemin optique clair - peut être liée à la quantité de suie présente. Pour rendre la mise en œuvre de cet outil de diagnostic pratique pour les participants du réseau, la publication associée fournit des conseils détaillés sur l'équipement et les instructions nécessaires pour dimensionner la source d'éclairage et l'optique de collecte. L'utilisation d'une source lumineuse LED développée par Sandia, par opposition à un laser à grande vitesse, signifie que le coût et la complexité sont nettement inférieurs.
« Ce travail vise à établir une méthode expérimentale normalisée d'imagerie d'extinction qui augmentera la fiabilité et la reproductibilité des mesures expérimentales soumises au réseau, " dit Westlye.
