Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben voor het eerst belangrijke chemische mechanismen geïdentificeerd die bijdragen aan de fundamentele kennis van verbrandingschemie en kunnen leiden tot schonere verbranding in motoren.

Sandia-onderzoeker Nils Hansen en voormalig postdoctoraal aangestelde Kai Moshammer richtten zich op oxidatie bij lage temperatuur van koolwaterstoffen en andere alternatieve brandstoffen. Ze identificeerden belangrijke chemische tussenproducten, die relevant zijn voor oxidatiereacties bij temperaturen in het bereik van 400 tot 600 K (260 tot 620 graden Fahrenheit). De chemische aard van de tussenproducten en hun concentraties verschaffen nieuwe details over de chemische processen die betrokken zijn bij zelfontbranding.

Zelfontbranding is een chemisch proces waarbij een brandstof-luchtmengsel spontaan ontbrandt. Het wordt gewoonlijk door theorie verklaard door een reeks zichzelf in stand houdende en versnellende kettingvertakkende reacties. Het is van het grootste belang voor het begrijpen van kloppen in motoren met vonkontsteking.

Hansen en Moshammer behoorden tot een multi-institutioneel team van onderzoekers wiens werk werd gepubliceerd in een paper met de titel, "Ontrafeling van de structuur en chemische mechanismen van sterk geoxygeneerde tussenproducten bij de oxidatie van organische verbindingen." De onderzoekers richtten zich op het verdiepen van de inzichten in de oxidatiechemie bij lage temperatuur van koolwaterstoffen en andere alternatieve brandstoffen.

"We kunnen vandaag een verbrandingsmotor laten draaien zonder de details van de chemie te kennen, "Zei Hansen. "Echter, deze nieuwe kennis levert nieuwe inzichten op waar nieuwe verbrandingsmodellen op gericht moeten zijn. Het zou uiteindelijk de ontwikkeling van schonere en efficiëntere verbrandingsstrategieën in de toekomst mogelijk moeten maken."

Hansen en Moshammer gebruikten massaspectrometrie met moleculaire bundels om de chemische tussenproducten te ontdekken. De moleculaire bundel bevriest de chemie en is te vergelijken met de Duitse autobahn.

"In de moleculaire bundel, alle moleculen worden in een vacuüm gezogen om in dezelfde richting en met dezelfde snelheid te vliegen, er zijn dus geen aanrijdingen zoals op de autobahn, ' zei hij. 'Als we de moleculen op deze manier isoleren, het stelt ons in staat om ze te scheiden op basis van hun gewicht en dus hun moleculaire samenstelling."

Gedetailleerde informatie uit de natuur halen

Het direct extraheren van gedetailleerde moleculaire informatie uit ontstekende mengsels is een moeilijke en uitdagende taak, vooral vanwege de grote temperatuurschommelingen en de lage moleculaire concentraties van belangrijke tussenproducten.

"Zelfs na een paar decennia van onderzoek over dit onderwerp, deze sterk geoxygeneerde moleculen waren nog nooit eerder gezien, ’ legt Hansen uit.

Yiguang-ju, hoogleraar en directeur van Duurzame Energie aan de Princeton University, zei dat dit werk duidelijk de vorming van geoxygeneerde tussenproducten onthult door de toevoegingsprocessen van meerdere zuurstofmoleculen. "De zuurstofrijke tussenproducten zijn van cruciaal belang om de ontsteking bij lage temperatuur te beïnvloeden, koele vlam, milde vlam- en klopvorming in verbrandingsmotoren, ' zei Ju.

Straalroerreactor ontworpen om onderzoek te doen

Hansen benadrukte dat deze ontdekkingen zijn gedaan door experimenten die zich richten op chemie, terwijl de effecten van mengen tot een minimum worden beperkt, turbulentie en grote temperatuur- en concentratiegradiënten.

Om het werk uit te voeren, de Sandia-onderzoekers ontwierpen een apparaat dat een jet-geroerde reactor wordt genoemd, die het best kan worden omschreven als een kwartsreactor waaraan continu onverbrande brandstof-oxidatiemengsels worden toegevoegd via vier kleine sproeiers om een ​​homogeen mengsel te creëren dat vervolgens wordt ontstoken met externe warmte. Met deze aanpak, de onderzoekers vermijden grote ruimtelijke en temporele veranderingen in de concentraties van de belangrijkste tussenproducten en temperaturen en de reactor kan gemakkelijk worden gemodelleerd. De onderzoekers gebruikten vervolgens moleculaire bundelbemonstering en massaspectrometrie met hoge resolutie om gascomponenten uit de reactor te identificeren.

"Onze aanhoudende interesse in oxidatieprocessen bij lage temperaturen leidde tot dit onderzoek, Hansen zei. "Terwijl de eerste onderzoeken zich concentreerden op kleine brandstoffen zoals dimethylether (DME, CH3OCH3), we zijn uiteindelijk verhuisd naar groter, meer praktisch relevante brandstoffen, zoals heptaan, en ontdekte 'per ongeluk' een signaal dat niet verklaard kon worden door de bekende chemische mechanismen. We wilden validatiedoelen bieden voor modelontwikkelingen in de vorm van moleculaire identificatie en concentratie."

Eerder onderzoek identificeerde reacties en tussenproducten die hielpen bij het voorspellen van ontstekingskenmerken van individuele brandstoffen. Sandia's werk heeft aangetoond dat het begrip van deze processen door de wetenschappelijke gemeenschap niet volledig is en dat aanvullende reacties en tussenproducten moeten worden overwogen. Dit werk zal helpen bij het ontwikkelen van modellen met betere voorspellende mogelijkheden, en heeft gevolgen die verder gaan dan verbranding.

"Dit is fundamenteel chemisch kinetisch onderzoek dat ook van invloed kan zijn op klimaatrelevante troposferische aërosolvorming, ' zei Hansen.

Paul Wenberg, de R. Stanton Avery hoogleraar Atmospheric Chemistry and Environmental Science and Engineering aan Caltech, zei dat dit onderzoek ook een schat aan nieuwe gegevens en inzicht biedt in de oxidatieprocessen die betrokken zijn bij de oxidatie van organische moleculen in de atmosfeer. Bijvoorbeeld, de kennis van hoeveel zuurstofatomen worden toegevoegd na de vorming van de eerste radicaal, hoe de structuren van de organische substraten de paden veranderen, en of deze chemie kan concurreren met bimoleculaire processen is essentieel om te voorspellen of deze chemie belangrijk is bij de veel koudere temperaturen die relevant zijn voor de atmosfeer.

"De uiteindelijke impact van deze ontdekkingen in auto-oxidatie op ons begrip van luchtvervuiling is onduidelijk, Wennberg zei. "We weten dat het inademen van deeltjes een bedreiging voor de volksgezondheid is, maar hoe giftig de deeltjes die door auto-oxidatie ontstaan ​​zijn en hoe lang deze verbindingen in de atmosfeer blijven bestaan, is op dit moment eenvoudigweg niet bekend."

Het gebruik van massaspectrometrie om deze tussenproducten te detecteren is slechts de eerste stap in dit onderzoek.

"In de toekomst, we zullen nieuwe experimentele technieken en capaciteiten moeten ontwikkelen die een ondubbelzinnige toewijzing van de moleculaire structuur mogelijk maken, " zei Hansen. "We zullen tweedimensionale massaspectrometrische technieken en microgolfspectroscopie testen als analytische instrumenten om de exacte chemische structuren te vinden."