Nyt analyseværktøj kan styrke udviklingen af ​​effektive motorer og brændstof

En nyudviklet analysemetode kan påvise hydroxylradikaler (OH) med hidtil uset følsomhed. Fordi OH er en kritisk komponent i de forbrændingsprocesser, der driver de fleste køretøjer, den nye tilgang kunne fremme udviklingen af ​​nye typer motorer og brændstoffer, der ville være mere effektive og miljøvenlige.

"I USA, forbrænding producerer 60 procent af vores elektricitet og driver 90 procent af landtransporten og næsten al luftfart, "sagde forsker, Shengkai Wang, postdoktor i maskinteknik ved Stanford University. "Evnen til at undersøge forbrændingsprocesser og forstå dem på et mere grundlæggende niveau ville hjælpe med udviklingen af ​​næste generations forbrændingsstrategier, der kan øge effektiviteten og reducere forurening, " han sagde.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , Wang og Ronald K. Hanson, professor i maskinteknik ved Stanford, rapportere en spektroskopibaseret tilgang, der påviste niveauer af OH-radikaler mindst fire gange lavere end den tidligere bedste metode, der blev brugt til at analysere OH. Blandt hundredvis af molekylære enheder, der er involveret i forbrændingsreaktioner, OH er den vigtigste, fordi den bestemmer, om og hvor hurtigt brændstoffet vil brænde.

"OH er ekstremt svært at måle, især i de dynamiske og støjende miljøer ved forbrænding af brændstof, fordi det er meget reaktivt og findes i meget lave koncentrationer, "sagde Wang." Vores fremgangsmåde baner vejen for praktisk påvisning af OH i områderne pr. milliard. "

Den nye tilgang kan også være nyttig til applikationer såsom at studere atmosfærisk kemi, hvor OH er en nøglespiller i dannelsen og nedbrydningen af ​​ozon, Sagde Wang.

Fremme af brændstof og motorteknologi

En flaskehals til kommercialisering af nye typer motorer eller optimerede brændstoffer er, at deres forbrændingskemi ikke er fuldt ud forstået på grund af mangel på følsomme analysemetoder. For at løse dette problem, Wang og hans kollega udviklede en teknik kendt som frekvensmodulationsspektroskopi ved hjælp af ultraviolet (UV) lys.

Spektroskopi virker ved at skinne en laserstråle gennem testgassen, hvor molekyler delvist vil absorbere lyset. Analyse af lyset, der forlader gasprøven, kan bestemme præcist hvilke molekyler, og deres mængder, var til stede. Imidlertid, spektroskopisk måling af OH er ikke en triviel opgave. De ekstremt lave mængder OH, der er til stede i forbrændingsreaktioner, kombineret med høje reaktionstemperaturer og forskellige støjkilder såsom mekaniske vibrationer og gasturbulens, gør praktisk påvisning af OH meget vanskelig.

I stedet for at bruge en laserbølgelængde, frekvensmodulationsspektroskopi undersøger forskellene i lysabsorption mellem flere bølgelængder, tillader, at enhver almindelig støj blandt aflæsningerne trækkes fra. Metoden flytter også signalet fra OH -absorption til en højere frekvens, derved elimineres enhver lavfrekvent drift, der udfordrer OH-måling.

"Den generelle idé om frekvensmodulationsspektroskopi har eksisteret i et stykke tid, men vi er de første til at demonstrere dets anvendelighed til at detektere OH ved dette særlige bølgelængdeområde, "sagde Wang." En af grundene til, at dette ikke er blevet gjort før, er, at UV-laserkilden af ​​høj kvalitet, der er nødvendig for at måle OH-absorption, blev tilgængelig for nylig. "

Forskerne testede deres nye tilgang ved at studere forbrændingsreaktionen af ​​et repræsentativt brændstof, iso-oktan, i en kontrolleret reaktor. De var i stand til at opnå en minimum påviselig absorbans på 3,0 X 10 ^-4 ved en temperatur på 1330 K. Dette svarer til at detektere 85 dele pr. milliard OH over 15 cm optisk længde og er fire gange bedre end den bedste rekord, der tidligere er rapporteret.

Som et næste trin, forskerne planlægger at inkorporere bedre optiske komponenter, som de siger kunne forbedre følsomheden med en anden størrelsesorden. De vil også gøre udstyret mere bærbart, så det kan transporteres på en vogn til forskellige specialiserede testfaciliteter. Et bærbart system ville også give dem mulighed for at bruge metoden til at foretage målinger under praktiske motorforhold og til sidst tilpasse metoden til at foretage målinger i realistiske motorer og forbrændere.