- 05/09/2012
Een motor met vensters
Hoewel de doorbraak van de elektrische auto nu eindelijk in zicht lijkt te komen, is de verwachting dat de verbrandingsmotor nog lange tijd de kar zal moeten trekken voor de ‘heavy duty’-toepassingen . Voldoende reden dus om ook op dit vlak te blijven innoveren. Bij Combustion Technology zoeken ze manieren om de verbranding efficiënter en minder belastend te maken voor het milieu. Promovendus Ron Zegers legde het verbrandingsproces bijna letterlijk bloot.
Verbrandingsmotoren kunnen nog beter - de smerige zwarte dampen die vrachtwagens uitstoten vormen hiervoor het zichtbare bewijs. Deze roetwolken duiden namelijk op onvolledige verbranding van de diesel in de motor van het voertuig. Roet ontstaat doordat de diesel al tot ontbranding komt voordat het goed is gemengd met de voor de verbranding noodzakelijke zuurstof uit de lucht, legt de vorige week gepromoveerde Zegers uit. “Dieselmotoren produceren daardoor veel roet en stikstofoxiden. Dat betekent dat de uitlaatgassen moeten worden nabehandeld met filters en katalysatoren.” Bij benzine is de menging veel beter, doordat deze brandstof niet spontaan ontbrandt - je kunt dus wachten met de ontsteking tot brandstof en zuurstof goed gemengd zijn.
“De laatste jaren wordt veel onderzoek gedaan naar het combineren van de goede eigenschappen van diesel- en benzinemotoren”, vertelt de werktuigbouwkundige. “Je wilt een relatief homogeen mengsel creëren zoals in een benzinemotor, maar deze wel spontaan laten ontbranden, zoals in een dieselmotor.” Dat laatste kan echter wel problemen opleveren: een homogeen mengsel dat spontaan ontbrandt, levert een te heftige explosie op. “Je maakt dan een soort bom en creëert hoge piekdrukken.” Het effect is een knallende motor - als van een tractor. Ook niet ideaal. Aan Zegers en zijn collega’s van Combustion Technology de taak om de optimale balans te vinden.
De verbrandingsmotor is lange tijd een soort ‘black box’ geweest. Dat de ene brandstof beter presteert dan de ander en dat de prestaties variëren in verschillende motoren is eenvoudig vast te stellen - maar wat er precies in de cilinders gebeurt, bleef aan het zicht onttrokken. Zegers had echter een zogeheten optische motor tot zijn beschikking - een cilinder voorzien van saffieren vensters waarin hij de menging en verbranding met diverse optische technieken in beeld kon brengen.
In een moderne dieselmotor wordt van diverse kanten diesel geïnjecteerd: de brandstof wordt door een klein gaatje de cilinder in geperst. Zo’n injectie duurt maar een fractie van een seconde - logisch als je bedenkt dat de zuiger per seconde al een tiental slagen maakt en er meerdere injecties per slag plaatsvinden. Het variëren van de timing tussen deze injecties is één van de manieren om de verbranding te optimaliseren.
Om te zien of de brandstof in de cilinder goed mengde, voegde Zegers siliconendruppeltjes toe aan de brandstof. Met een camera legde hij de reflectie van laserlicht op deze bolletjes vast om hun beweging te kunnen volgen. Bij deze techniek, Particle Image Velocimetry (PIV) genaamd, vergelijkt speciale software telkens twee opeenvolgende opnames om te zien hoe de bolletjes in de tussentijd hebben bewogen. Uit de mate van turbulentie die hierbij zichtbaar wordt, kun je afleiden hoe goed de brandstof met de lucht is gemengd.
De mate van menging is in de optische motor dus zichtbaar te maken met siliconendruppels. Om ook het verloop van de ultrakorte brandstofinjecties in beeld te brengen, zijn echter duizenden beeldjes per seconde nodig. De siliconendruppels reflecteren in die korte tijd niet voldoende licht. Daarom verving Zegers voor metingen met een hogesnelheidscamera de siliconendruppeltjes door veel grotere piepschuimbolletjes - hoewel nog slechts veertig micrometer in doorsnede. “Hiermee kunnen we letterlijk zien hoe de lucht tijdens injecties door de brandstofstraal wordt meegezogen.”
Of en waar precies de het mengsel ontbrandt hangt niet alleen af van de verdeling van brandstof en zuurstof in de cilinder, maar ook van de plaatselijke temperatuur in het mengsel. Ook die cruciale temperatuurverdeling is van buiten de motor te meten met optische technieken, vertelt Zegers: “Als je de stof tolueen toevoegt aan de brandstof, en het geheel met een UV-laser beschijnt, dan kun je uit de fluorescentie van de tolueen afleiden wat de temperatuur is. Daarbij gebruiken we twee camera’s met verschillende filters. De verhouding tussen de signalen van beide camera’s geeft de temperatuur.”
De laatste techniek die Zegers ontwikkelde tijdens zijn promotieonderzoek, maakt het mogelijk te zien waar in de motor de verbranding al op gang is gekomen. In de eerste stap van de verbranding worden namelijk OH-moleculen gevormd. “Die moleculen zenden ultraviolet licht uit, chemoluminescentie wordt dat genoemd. Eigenlijk is dat nog het eenvoudigst te meten. Je hebt zelfs geen laser nodig.” Bovendien beïnvloedt deze meettechniek het natuurlijk verloop van de verbranding niet: er hoeven geen hulpstoffen te worden toegevoegd en alle meetapparatuur bevindt zich buiten de motor.
Uit Zegers’ metingen blijkt dat gedurende een cyclus van de motor de vlam naar de injector toe beweegt - een indicatie dat het voorgemengde volume toeneemt. Geen spectaculair resultaat, volgens Zegers: “Het is precies wat je verwacht. Het belang van mijn metingen ligt dan ook voornamelijk in de mogelijkheid om ze te vergelijken met numerieke simulaties. Mijn belangrijkste werk is het ontwikkelen van de meettechnieken geweest. Desondanks heb ik al veel metingen gedaan; meer dan we tot nu toe hebben kunnen analyseren.”
De optische motor is een van een reeks ‘motoren’ in de labs van Combustion Technology, de een wat verder uitgekleed dan de ander. “Er staat een motor die vrijwel identiek is aan een gewone vrachtwagenmotor. Daarin kun je heel snel de effectiviteit van een bepaalde brandstof meten. En aan het andere einde van het spectrum staat een eenvoudige brander, waarin je weer de details van het verbrandingsproces kunt volgen, maar die ver van de praktijksituatie staat. De optische motor zit wat dat betreft aardig in het midden.”
Tot dit najaar doet Zegers met de optische motor nog onderzoek voor de spin-off Progression-Technology, die de traag ontbrandende brandstof CyclOx op de markt wil brengen. “Dat CyclOx werkt is al duidelijk, maar ze willen nog beter snappen hoe het werkt.” En daarvoor is de motor met de vensters het aangewezen instrument.
Discussie