Structural Study of the Diffusive Flame of Conventional and Synthetic Fuels by Analysis of the Radiation Emitted during the Combustion Process

Abstract

[ES] La situación social y medioambiental hace que la legislación que regula la emisión de contaminantes sea cada vez más restrictiva, sobre todo en el campo de la automoción, lo que obliga a investigar alternativas al funcionamiento tradicional de estos motores. Hacer que funcionen con energías renovables, modificar la geometría o el modo de operación del motor son algunos de los campos de investigación. El objetivo de este trabajo de final de máster es estudiar y comparar la estructura de la llama difusiva de una serie de combustibles, tanto convencionales como es el diésel, como otro tipo de combustibles sintéticos (OMEX, OME1 y HVO). Este estudio se realizará en dos instalaciones distintas. La primera de ellas es una instalación de alta presión y temperatura en la cual la combustión no se ve perturbada por ninguna interacción entre las paredes (combustión libre). La segunda instalación es un motor óptico el cual se ha monocilindrado. En esta instalación se pueden simular condiciones de trabajo más realistas y la combustión se ve afectada por la dinámica del motor. En la instalación de alta presión y temperatura se realizará un estudio de la combustión generada por los combustibles, dodecano y oxymethylene dimethyl ether (OMEX) bajo las condiciones del Spray A del Engine Combustion Network (ECN). Esta instalación permite la posibilidad de trabajar a presión constante y controlar la concentración de oxígeno. Además, posee una serie de ventanas que proporcionan un gran acceso óptico para poder visualizar de forma óptima el proceso de combustión. El análisis de la estructura de la llama se realizará a través de la medida de la distribución espacial del formaldehido y de los radicales OH en ella, usando la técnica de fluorescencia inducida por un haz plano láser (PLIF). Para completar el análisis, esta información se combinará junto con las imágenes de la radiación de quimioluminiscencia del OH* que pertenece a la región UV. Las moléculas de formaldehido se excitan a través del tercer armónico de un láser de estado sólido, Nd:YAG (355-nm), mientras que los radicales OH se excitan a una longitud de onda de 281.00-nm de un láser de colorante, el cual consta de un láser de estado sólido Nd:YAG acoplado a un sistema óptico más complejo en el que se hace circular un colorante, lo que permite poder operar en un rango de longitudes de onda más específico. En ambos casos, el haz láser se transformará en un haz plano con el objetivo de producir la excitación en el plano axial de la llama. La radiación de fluorescencia emitida se registrará mediante la utilización de una cámara intensificada (ICCD) con los filtros apropiados. Consecuentemente, se obtendrán mapas bidimensionales en el plano axial de la llama a distintos instantes temporales después del inicio de inyección (ASOI). La señal de ambas especies químicas puede ser comparada, con el objetivo de analizar la distribución espacial y su interacción. La segunda parte del estudio se basa en analizar, para esos mismos combustibles, la estructura de la llama en un motor óptico mono cilíndrico. En este caso se realizará una serie de mezclas entre el OMEX y el OME1 con el diésel y el HVO para observar el comportamiento de la combustión a medida que en la mezcla se aumenta el porcentaje de combustible sintético. En este caso, se implementarán dos técnicas ópticas simultáneas. Una primera técnica basada en registrar la luminosidad natural de la llama y la otra para visualizar los radicales OH* a partir de su quimioluminiscencia.

[EN] Due to social awareness and increasingly restrictive measures on the pollutant emission, especially in the automotive field, it is necessary to investigate alternatives to the traditional operation of these engines. To make them work with renewable energies, modifying the geometry or the operation mode of the engine are some of the research fields. The objective of this master's final project is the study and compare the diffusive flame structure of a series of fuels, both conventional such as diesel, and other types of synthetic fuels (OMEX, OME1 and HVO). This study will be carried out in two different facilities. First one, high pressure and high temperature facility in which the combustion is not disturbed by any interaction between the walls (free combustion). Then, single cylinder optical engine to simulate more realistic working conditions and combustion is affected by engine dynamics. On one hand, a comparison of the flame structure for two different fuels, dodecane and oxymethylene dimethyl ether (OMEX), will be performed under condition of Spray A of the Engine Combustion Network (ECN). The experiments will be carried out in a constant pressure vessel with wide optical access, at high pressure and temperature and controlled oxygen concentration. The flame structure analysis will be performed by measuring the formaldehyde molecules and OH radical distributions using planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF) technique. To complement the analysis, this information will be combined with that obtained with high-speed imaging of OH* chemiluminescence radiation in the UV. Formaldehyde molecules are excited with the 355-nm radiation from the third harmonic of a Nd:YAG laser, whilst OH is excited with a wavelength of 281.00-nm from a dye laser (Nd:YAG laser coupled to complex optical system to operate in a specific range of wavelengths). In both cases, the beam will be transformed into a laser sheet to excite an axial flame plane and the fluorescence radiation will be collected with an intensified camera (ICCD) and proper filtering. Consequently, two-dimensional maps in the axial flame plane will be obtained at different instants after the start of injection (ASOI). Signal from both formaldehyde and OH chemical species can be compared, to analyse spatial distribution and interaction. The second part of the study is based on analysing, for those same fuels, the structure of the flame in a single cylinder optical engine. In this case, a series of mixtures will be made between OMEX and OME1 with diesel and HVO to see the behaviour of combustion as the percentage of synthetic fuel increased in the mixture. In this case, two simultaneous optical techniques will be implemented. A first technique based on recording the natural luminosity of the flame and the other to visualize the OH* radicals from their chemiluminescence.