A imagem de Schlieren e UV-quimiluminescência permite que os pesquisadores visualizem a dinâmica de combustão no cilindro para o desenvolvimento de motores de vários combustíveis.
Aumentar nossa compreensão das interações entre propriedades de combustível e processos de combustão pode nos ajudar a desenvolver mecanismos avançados de combustão interna (ICE) com melhor desempenho e eficiência. Para esse fim, os pesquisadores do Centro de Pesquisa de Motores da Universidade de Wisconsin-Madison (ERC) no Departamento de Engenharia Mecânica estão investigando essa interação, combinando técnicas sofisticadas de imagem com câmeras de alta velocidade.
No ERC da universidade, o professor David Rothamer e sua equipe estão ganhando informações mais profundas sobre o processo de combustão na mistura de motores de compressão controlada (MCCI), desenvolvendo e implementando diagnósticos ópticos e baseados em laser. Eles realizam experimentos de visualização usando técnicas de imagem de Schlieren e quimioluminescência para projetar ICES compatíveis com vários combustíveis.
Desafios de motores de vários combustíveis
Os motores de combustão de vários combustíveis podem usar diesel, combustível de aviação, combustíveis de aviação sustentável, gasolina e hidrocarbonetos derivados de bio como etanol e metanol. As variadas propriedades químicas e físicas de cada combustível dificultam o desenvolvimento dos motores com características de desempenho e emissões semelhantes aos gelados convencionais. A equipe de Rothamer usa diagnóstico óptico para enfrentar esses desafios.
A imagem de Schlieren revela dinâmica de jato de combustível
Os experimentos de UV-quimiluminescência permitem que a equipe observe sete plumas queimadas no motor óptico antes que ocorra o esgotamento
Para seus experimentos, os pesquisadores do ERC usam duas câmeras fantasmas, um V2640 e um V1840. O V2640 captura imagens de Schlieren no cilindro. Essa técnica visualiza fluxos em meios transparentes detectando gradientes de densidade.
O método Schlieren permite que os pesquisadores observem gradientes de densidade nos jatos de combustível dentro do cilindro de combustão, mostrando como o combustível penetra e se mistura na câmara. Dentro de um motor óptico equipado com uma janela de sílica fundida no pistão e um espelho na cabeça do cilindro, o grupo ganha acesso visual ao processo de combustão.
Usando uma fonte de luz LED azul de alta potência e colimada, a equipe refletiu a luz do espelho de extensão do pistão e a transmitiu através da janela do pistão. Essa luz passa pela mistura de combustível e ar, reflete o espelho da cabeça e transmite de volta pela janela do pistão. Depois de passar pela janela do pistão, a luz reflete o espelho de extensão do pistão pela segunda vez e é fotografado com a câmera V2640. O V2640 fotografou com uma resolução de 512 x 176 pixels e uma taxa de quadros de 115.200 quadros por segundo (FPS). A equipe gravou dezesseis imagens para cada grau de ângulo de manivela de motores.
Essas medidas mostram como os diferentes combustíveis se misturam com o ar durante a injeção, ajudando a explicar variações nas características de ignição.
A iluminação lateral otimiza a configuração de imagem
Anteriormente, os pesquisadores empregavam um Fantasma v1840 com um intensificador de imagem para imagens de UV-quimiluminescência. Essa técnica captura a luz emitida por moléculas formadas durante a combustão. Quando a combustão ocorre, moléculas como radicais hidroxila (OH) se formam em estados eletronicamente excitados e podem emitir fótons em comprimentos de onda em torno de 310 nanômetros.
Essa abordagem requer uma câmera sensível ao UV, lente-transmissiva UV e filtro passa-banda. Encontrar uma câmera CMOS sensível a UV de alta velocidade adequada, exigindo dependência de intensificadores, juntamente com câmeras de espectro visível. No entanto, os intensificadores reduzem a resolução espacial e produzem respostas não lineares.
Para esses experimentos, um sensor CMOS iluminado por trás (BSI) com vidro de vidro de tampa de silício fundido com femiluminescência direta de UV-quimiluminescência sem um intensificador.
Os pesquisadores testaram um Phantom T3610-UV com a tecnologia do sensor BSI CMOS estendida por UV. Eles executaram experimentos de motor óptico em condições típicas da MCCI em resolução de 512 × 512 px e 28.800 fps.
Os vídeos mostraram sete plumas queimadas correspondentes a cada orifício do bico. No final da injeção, as chamas recuaram no centro do cilindro antes do esgotamento. Os resultados confirmaram que o sensor BSI CMOS estendido por UV detectou as diferenças no comportamento de combustão.
Se o sinal UV for forte o suficiente, a tecnologia sensível ao UV elimina a necessidade de intensificadores de imagem, melhorando a resolução espacial a custos mais baixos do sistema. As câmeras BSI CMOS mantêm uma relação linear entre fótons incidentes e sinal medido, simplificando diagnósticos quantitativos, como fluorescência induzida por laser planares e termometria de fósforo de aerossol.
Muitos diagnósticos quantitativos, como a fluorescência induzida por laser planares e a termometria de fósforo de aerossol, dependem dessa relação ser linear. Como resultado, o intensificador deve ser caracterizado em uma variedade de condições, que podem ser experimentalmente tediosas e resultar em incerteza de medição adicional. Com câmeras BSI CMOS sensíveis ao UV como o Phantom T3610-UV, a relação entre fótons incidentes e sinal medido é significativamente mais linear, tornando o diagnóstico quantitativo avançado mais tratável
Kyle D Gilroy, Ph.D. é gerente de desenvolvimento de aplicativos na Vision Research.