Nieuwe inzichten over hoe de chemie van het ontstekingsgedrag en de vorming van verontreinigende stoffen te begrijpen en uiteindelijk te beheersen, zijn ontdekt in onderzoek onder leiding van Sandia National Laboratories. De ontdekking zal uiteindelijk leiden tot schonere, efficiëntere verbrandingsmotoren.

"Onze bevindingen zullen het ontwerp van nieuwe brandstoffen en verbeterde verbrandingsstrategieën mogelijk maken, " zei Nils Hansen, Sandia-onderzoeker en hoofdauteur van het onderzoek. "Het schoner en efficiënter maken van de verbranding zal een enorme impact hebben, het verminderen van het energieverbruik over de hele wereld."

Het werk, die zich richt op de chemische wetenschap van lagedrukvlammetingen, is te zien in de Handelingen van het Verbrandingsinstituut en werd geselecteerd als een voorname paper in Reaction Kinetics voor het 37e Internationale Symposium over Combustion. Auteurs zijn onder andere Hansen, Xiaoyu Hij, voormalig Sandia stagiair Rachel Griggs en voormalig Sandia postdoctoraal aangestelde Kai Moshammer, die nu bij de Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Duitsland is. Het onderzoek werd gefinancierd door het Department of Energy's Office of Science.

Een enorme dataset van vlammen en brandstoffen maken

Het team combineerde de output van zorgvuldig gecontroleerde metingen op een breed scala aan brandstoffen in een enkele gecategoriseerde en geannoteerde dataset. Correlaties tussen de 55 afzonderlijke vlammen waarbij 30 verschillende brandstoffen betrokken waren, werden vervolgens gebruikt om de onzekerheid te verminderen, inconsistente gegevens identificeren en de effecten van de brandstofstructuur op chemische verbrandingsroutes die tot schadelijke verontreinigende stoffen leiden, ontrafelen. Een eerste analyse hield verband met relaties tussen piekconcentraties van chemische tussenproducten die een rol spelen bij de groei van het molecuulgewicht en de uiteindelijke vorming van roet.

Hansen zei dat naar zijn weten, dit is de eerste keer dat onderzoekers naar deze mogelijkheden kijken. Door inconsistenties op te sporen, de nieuwe methoden moeten uiteindelijk leiden tot betere modellen om verbranding te begrijpen. Typisch, goed gecontroleerde experimenten helpen bij het valideren van computermodellen om het verbrandingsproces te begrijpen en om nieuwe verbrandingsstrategieën te ontwikkelen.

Gegevens van voorgemengde lagedrukvlammen worden doorgaans gebruikt om chemische kinetische mechanismen bij verbranding te valideren. Deze gedetailleerde mechanismen vormen vervolgens de basis voor het begrijpen van de vorming van verontreinigende stoffen en het voorspellen van gedrag voor verbrandingstoepassingen.

historisch, onderzoekspapers rapporteerden gegevens van een enkele vlam of een paar vlammen, samen met een nieuw mechanisme voor een specifieke brandstof. Echter, de aanpak die door het team van Hansen is ontwikkeld, maakt de weg vrij voor het meten van een groot aantal vlammen en het publiceren van talrijke mechanismen die gewoonlijk niet worden geverifieerd met andere gegevens en mechanismen.

Hansen vergelijkt de ontdekking met het opgraven van een oud artefact. Uit een enkel artefact kunnen zeer weinig conclusies worden getrokken. Echter, door duizenden vergelijkbare artefacten samen te voegen, ontstaat een completer historisch beeld.

"Ons werk onthult informatie die typisch verborgen is in het geheel van lagedrukvlamgegevens, "Zei Hansen. "Bijvoorbeeld, bruikbare doelen voor modelvalidatie kunnen worden afgeleid uit een database met meer dan 30, 000 gegevenspunten."

Analyse van vlammen

Na analyse van de vlammen, onderzoekers ontdekten dat gecorreleerde eigenschappen nieuwe validatiedoelen opleveren die alleen toegankelijk zijn bij het onderzoeken van de chemische structuren van een brede reeks lagedrukvlammen.

Hansen zei dat de uitgebreide chemisch-kinetische modellen voor verbrandingssystemen steeds vaker worden gebruikt als basis voor technische modellen die de brandstofprestaties en emissies voor het ontwerp van de verbrandingskamer voorspellen. Deze modellen zijn vaak dubbelzinnig vanwege de grote set parameters die worden gebruikt om het model te informeren, maar op synchrotron gebaseerde, single-photon ionisatie massaspectrometrie meting, pionier in DOE's Gas Phase Chemical Physics-programma, heeft geleid tot een ongekende golf van gedetailleerde chemische gegevens.

Voordelen op lange termijn

Het werk zal uiteindelijk helpen om nauwkeurigere chemische mechanismen te verzamelen voor het beschrijven van verbrandingsprocessen, zei Hansen.

"Ons doel is om de chemie van het ontstekingsgedrag en de vorming van verontreinigende stoffen beter te begrijpen en uiteindelijk te beheersen, "zei hij. "Vervolgens, dit zal leiden tot schone en efficiënte verbrandingsmotoren."

Hansen zei dat de bevindingen van zijn team een ​​geheel nieuwe weg openen voor onderzoek bij Sandia's Combustion Research Facility.

"Door datawetenschap en machine learning-tools toe te passen, wordt nog meer informatie uit grote datasets gehaald, " zei hij. "Ons werk heeft de poort wijd geopend om aan te tonen dat gegevenswetenschap kan worden toegepast op verbrandingsonderzoek."