Optical diagnotics to map the formation of NO in Diesel engines : Laser induced fluorescence on atomic transitions; Chemiluminescence of boron oxide
Diagnostics optiques capables de localiser la formation de NO dans les moteurs Diesel : Fluorescence par plan laser sur deux raies atomiques; Chimiluminescence de l'oxyde de bore
Résumé
The reduction of the NOx emissions in engines is of critical interest for the automotive industry. The main formation pathway of NO at high temperatures is the Zeldovich mechanism which rate of the limiting initiation step N2+O->NO+N is strongly increasing with temperature. The formation of thermal NO comes then from the local conjunction of high temperature and high concentration of atomic oxygen. In the present work, two optical diagnostics are studied to map the temperature and NO formation rate.
A thermometry technique based on Two-Line Atomic Fluorescence of seeded indium atoms in a two-dimensional planar imaging mode was performed. The two transitions were not excited successively. The reference temperature measurement is obtained in a premixed flame. The TLAF temperature measurements show good agreements with thermocouple measurements in soot-free flame regions and in sooting regions where thermocouple is unsuitable.
A flame seeded by boron salts shows the green chemiluminescence of boron dioxide, chemically created on its excited state according to the reaction BO+O-> BO2*, which depends on the concentration of atomic oxygen and on the temperature in a similar way as the formation of nitric oxide does. In premixed flames, the spectroscopic studies show reasonable agreement between BO2* chemiluminescence and calculated formation rate of thermal NO from the PREMIX code of CHEMKIN, despite some reserve for fuel rich premixed flames. In diffusion flames for two dimensional imaging mode, both BO2* emissions location and computed thermal NO profile take place in high temperature regions (T>1800K).
A thermometry technique based on Two-Line Atomic Fluorescence of seeded indium atoms in a two-dimensional planar imaging mode was performed. The two transitions were not excited successively. The reference temperature measurement is obtained in a premixed flame. The TLAF temperature measurements show good agreements with thermocouple measurements in soot-free flame regions and in sooting regions where thermocouple is unsuitable.
A flame seeded by boron salts shows the green chemiluminescence of boron dioxide, chemically created on its excited state according to the reaction BO+O-> BO2*, which depends on the concentration of atomic oxygen and on the temperature in a similar way as the formation of nitric oxide does. In premixed flames, the spectroscopic studies show reasonable agreement between BO2* chemiluminescence and calculated formation rate of thermal NO from the PREMIX code of CHEMKIN, despite some reserve for fuel rich premixed flames. In diffusion flames for two dimensional imaging mode, both BO2* emissions location and computed thermal NO profile take place in high temperature regions (T>1800K).
La réduction à la source des émissions d'oxyde d'azote est un objectif important pour les constructeurs de moteurs d'automobiles. Dans ces moteurs la principale voie de formation de NO (mécanisme de Zeldovich) est gouvernée par la réaction initiatrice N2+O->NO+N dont le taux croît fortement avec la température. La formation de NO est donc générée par la présence conjointe d'oxygène atomique et d'une température élevée dont le diagnostic requiert des images instantanées. Deux techniques optiques capables d'être appliquées dans un moteur ont été étudiées au laboratoire.
Une thermométrie basée sur la fluorescence de deux raies atomiques successivement excitées a été développée en mode d'imagerie. L'étude a été menée sur des flammes laminaires méthane-air ensemencées en indium. Après étalonnage dans une flamme de référence, les températures obtenues dans une flamme de diffusion sont en accord satisfaisant avec celles d'un thermocouple et elles sont encore accessibles dans les zones polluées par les suies.
La lumière verte émise quand une flamme est ensemencée avec un sel de bore vient de la relaxation radiative du dioxyde de bore qui est chimiquement créé sur son état excité par la réaction BO+O->BO2*. Comme le taux de cette réaction croît lui aussi fortement avec la température, la chimiluminescence de BO2* réalise une simulation expérimentale in situ de la vitesse de formation de NO. Les études spectroscopiques montrent un bon accord avec les prévisions du code ChemKin sauf dans les flammes riches. Dans les flammes de diffusion les images de chimiluminescence et les modèles montrent que le seuil de production du NO thermique se situe vers 1800K.
Une thermométrie basée sur la fluorescence de deux raies atomiques successivement excitées a été développée en mode d'imagerie. L'étude a été menée sur des flammes laminaires méthane-air ensemencées en indium. Après étalonnage dans une flamme de référence, les températures obtenues dans une flamme de diffusion sont en accord satisfaisant avec celles d'un thermocouple et elles sont encore accessibles dans les zones polluées par les suies.
La lumière verte émise quand une flamme est ensemencée avec un sel de bore vient de la relaxation radiative du dioxyde de bore qui est chimiquement créé sur son état excité par la réaction BO+O->BO2*. Comme le taux de cette réaction croît lui aussi fortement avec la température, la chimiluminescence de BO2* réalise une simulation expérimentale in situ de la vitesse de formation de NO. Les études spectroscopiques montrent un bon accord avec les prévisions du code ChemKin sauf dans les flammes riches. Dans les flammes de diffusion les images de chimiluminescence et les modèles montrent que le seuil de production du NO thermique se situe vers 1800K.
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