Nye kemiske mekanismer identificeret på vej til renere, mere effektiv forbrænding

Sandia National Laboratories forskere har identificeret vigtige kemiske mekanismer for første gang, der tilføjer den grundlæggende viden om forbrændingskemi og kan føre til renere forbrænding i motorer.

Sandia-forsker Nils Hansen og tidligere postdoc-udnævnte Kai Moshammer fokuserede på lavtemperaturoxidation af kulbrinter og andre alternative brændstoffer. De identificerede vigtige kemiske mellemprodukter, som er relevante for oxidationsreaktioner ved temperaturer i området 400 til 600 K (260 til 620 grader Fahrenheit). Den kemiske natur af mellemprodukterne og deres koncentrationer giver nye detaljer om de kemiske processer, der er involveret i selvantændelse.

Selvantændelse er en kemisk proces, hvor en brændstof-luftblanding spontant antændes. Det er almindeligvis forklaret af teori gennem et sæt af selvopretholdende og accelererende kæde-forgreningsreaktioner. Det er vigtigst for at forstå banke i gnisttændingsmotorer.

Hansen og Moshammer var blandt et multi-institutionelt team af forskere, hvis arbejde blev offentliggjort i et papir med titlen, "Optrævling af strukturen og kemiske mekanismer af højt oxygenerede mellemprodukter i oxidation af organiske forbindelser." Forskerne fokuserede på at uddybe indsigten i lavtemperaturoxidationskemi af kulbrinter og andre alternative brændstoffer.

"Vi kan køre en forbrændingsmotor i dag uden at kende detaljerne i kemien, " sagde Hansen. "Men, denne nye viden giver ny indsigt, som bør være målrettet af nye forbrændingsmodeller. Det skulle i sidste ende give mulighed for udvikling af mere rene og effektive forbrændingsstrategier i fremtiden."

Hansen og Moshammer brugte molekylærstrålemassespektrometri til at opdage de kemiske mellemprodukter. Den molekylære stråle fryser kemien og kan sammenlignes med den tyske autobahn.

"I den molekylære stråle, alle molekylerne bliver suget ind i et vakuum for at flyve i samme retning og med samme hastighed, så der er ingen kollisioner ligesom på autobahn, " sagde han. "Når vi isolerer molekylerne på denne måde, det giver os mulighed for at adskille dem efter deres vægt og dermed deres molekylære sammensætning."

Udtrække detaljerede oplysninger fra naturen

At udtrække detaljeret molekylær information direkte fra antændende blandinger er en vanskelig og udfordrende opgave, især på grund af store temperaturudsving og de lave molekylære koncentrationer af nøglemellemprodukter.

"Selv efter et par årtiers forskning om dette emne, disse stærkt oxygenerede molekyler var aldrig set før, " forklarer Hansen.

Yiguang Ju, professor og direktør for bæredygtig energi ved Princeton University, sagde, at dette arbejde tydeligt afslører dannelsen af ​​oxygenerede mellemprodukter gennem de multiple oxygenmolekylers additionsprocesser. "De iltede mellemprodukter er afgørende for at påvirke lavtemperaturantænding, kølig flamme, mild flamme- og bankedannelse i forbrændingsmotorer, " sagde Ju.

Jet-omrørt reaktor designet til at udføre forskning

Hansen understregede, at disse opdagelser blev gjort ved eksperimenter, der fokuserer på kemi og samtidig minimerer virkningerne af blanding, turbulens og store temperatur- og koncentrationsgradienter.

For at udføre arbejdet, Sandia-forskerne designet en enhed kaldet en jet-omrørt reaktor, som bedst beskrives som en kvartsreaktor, hvori uforbrændte brændstof-oxidationsmiddelblandinger kontinuerligt tilsættes gennem fire små dyser for at skabe en homogen blanding, der derefter antændes med ekstern varme. Med denne tilgang, forskerne undgår store rumlige og tidsmæssige ændringer i koncentrationerne af de vigtigste mellemprodukter og temperaturer, og reaktoren kan let modelleres. Forskerne brugte derefter molekylærstråleprøvetagning og højopløsningsmassespektrometri til at identificere gaskomponenter fra reaktoren.

"Vores vedvarende interesse for lavtemperatur-oxidationsprocesser førte til denne forskning, " sagde Hansen. "Mens de første undersøgelser fokuserede på små brændstoffer såsom dimethylether (DME, CH3OCH3), vi flyttede til sidst til større, mere praktisk relevante brændstoffer, såsom heptan, og 'ved et uheld' opdagede et signal, der ikke kunne forklares gennem de kendte kemiske mekanismer. Vi ønskede at levere valideringsmål for modeludvikling i form af molekylær identifikation og koncentration."

Tidligere forskning identificerede reaktioner og mellemprodukter, der hjalp med at forudsige antændelsesegenskaber for individuelle brændstoffer. Sandias arbejde har vist, at det videnskabelige samfunds forståelse af disse processer ikke er fuldstændig, og at yderligere reaktioner og mellemprodukter skal overvejes. Dette arbejde vil hjælpe med at udvikle modeller med bedre forudsigelsesevner, og har konsekvenser ud over forbrænding.

"Dette er grundlæggende kemisk kinetikforskning, der også kan påvirke klimarelevant troposfærisk aerosoldannelse, sagde Hansen.

Paul Wennberg, R. Stanton Avery professor i atmosfærisk kemi og miljøvidenskab og teknik ved Caltech, sagde, at denne forskning også giver et væld af nye data og indsigt i oxidationsprocesserne involveret i oxidationen af ​​organiske molekyler i atmosfæren. For eksempel, viden om, hvor mange oxygener, der tilsættes efter dannelsen af ​​det første radikal, hvordan strukturerne af de organiske substrater ændrer veje, og hvorvidt denne kemi kan konkurrere med bimolekylære processer er afgørende for at forudsige, om denne kemi er vigtig ved de meget koldere temperaturer, der er relevante for atmosfæren.

"Den endelige effekt af disse opdagelser inden for autooxidation på vores forståelse af luftforurening er uklar, " sagde Wennberg. "Vi ved, at indånding af partikler er en trussel mod folkesundheden, men hvor giftige partiklerne skabt via autooxidation er, og hvor længe disse forbindelser forbliver i atmosfæren, vides simpelthen ikke på nuværende tidspunkt."

Brugen af ​​massespektrometri til at detektere disse mellemprodukter er kun det første skridt i denne forskning.

"I fremtiden, vi bliver nødt til at udvikle nye eksperimentelle teknikker og kapaciteter, der vil give mulighed for en utvetydig tildeling af den molekylære struktur, " sagde Hansen. "Vi vil teste todimensionelle massespektrometriske teknikker og mikrobølgespektroskopi som analytiske værktøjer for at finde de nøjagtige kemiske strukturer."