Nové chemické mechanismy identifikované na cestě k čistšímu, efektivnějšímu spalování

V. Pjakin, Otázky a odpovědi - speciální díl o GP a struktuře elit (z 7.8.2014) (Smět 2019).

Anonim

Odborníci společnosti Sandia National Laboratories identifikovali klíčové chemické mechanismy poprvé, které přispívají k základním znalostem o chemii spalování a mohou vést k čistějšímu spalování v motorech.

Sandiův výzkumník Nils Hansen a bývalý postdoktorský kandidát Kai Moshammer se zaměřili na oxidaci uhlovodíků a jiných alternativních paliv při nízkých teplotách. Identifikovali klíčové chemické meziprodukty, které jsou důležité pro oxidační reakce při teplotách v rozmezí 400 až 600 K (260 až 620 stupňů Fahrenheita). Chemická povaha meziproduktů a jejich koncentrace poskytují nové podrobnosti o chemických procesech, které se podílejí na samovznícení.

Samovznícení je chemický proces, při kterém se směs spalujícího vzduchu spontánně vznítí. To je obvykle vysvětleno teorií prostřednictvím souboru self-udržovat a urychlení řetěz-vetvování reakce. To je nejdůležitější pro pochopení klepání v zážehových motorech.

Hansen a Moshammer byli mezi multiinstitucionálním týmem výzkumníků, jejichž práce byla publikována v dokumentu nazvaném "Odhalování struktury a chemických mechanismů vysoce oxidovaných meziproduktů při oxidaci organických sloučenin". Výzkumníci se zaměřili na prohloubení poznatků o nízkoteplotní oxidační chemii uhlovodíků a dalších alternativních paliv.

"Dnes můžeme spustit motor s vnitřním spalováním, aniž bychom věděli o podrobnostech chemie, " řekl Hansen. "Tyto nové poznatky však poskytují nové poznatky, které by měly být zaměřeny na nové modely spalování. V budoucnu by to mělo umožnit vývoj čistších a účinnějších strategií spalování v budoucnu."

Hansen a Moshammer použili hmotnostní spektrometrii molekulového paprsku k objevení chemických meziproduktů. Molekulární paprsek zmrazuje chemii a může být srovnáván s německým dálničním můstkem.

"V molekulárním paprsku jsou všechny molekuly nasávány do vakua, aby létaly stejným směrem a rychlostí, takže nejsou žádné kolize stejně jako na dálnici, " řekl. "Když tyto molekuly izolujeme tímto způsobem, dovoluje nám je oddělit jejich hmotností a tím i molekulárním složením."

Získání detailních informací z přírody

Extrahování detailních molekulárních informací přímo ze vznícení směsí je obtížným a náročným úkolem zejména kvůli velkým kolísáním teploty a nízkým molekulárním koncentracím klíčových meziproduktů.

"I po několika desetiletích výzkumu na toto téma tyto vysoce oxidované molekuly nebyly nikdy dříve vidět, " vysvětluje Hansen.

Yiguang Ju, profesor a ředitel pro udržitelnou energii na Princetonské univerzitě, uvedl, že tato práce jasně odhaluje tvorbu okysličených meziproduktů prostřednictvím procesů přidávání více molekul kyslíku. "Okysličené meziprodukty jsou rozhodující pro ovlivnění zapálení při nízkých teplotách, chladném plameni, mírném plameni a klepání ve spalovacích motorech, " řekl Ju.

Jet-míchaný reaktor určený k výzkumu

Hansen zdůraznil, že tyto objevy byly provedeny experimenty, které se zaměřují na chemii a zároveň minimalizují účinky směšování, turbulence a velkých teplotních a koncentračních gradientů.

Aby vedli práci, vědci společnosti Sandia navrhli zařízení nazývané reaktor s tryskovým míchadlem, který je nejlépe popsán jako křemenný reaktor, do něhož jsou nepřetržitě přidávány nespalované směsi palivových oxidantů čtyřmi malými tryskami, aby se vytvořila homogenní směs, která se pak zapálí vnější teplo. Při tomto přístupu se výzkumníci vyhýbají velkým prostorovým a časovým změnám v koncentracích klíčových meziproduktů a teplot a reaktor lze snadno modelovat. Výzkumníci pak použili vzorkování molekulárních paprsků a hmotnostní spektrometrii s vysokým rozlišením pro identifikaci plynových složek z reaktoru.

"Náš trvalý zájem o nízkoteplotní oxidační procesy vedl k tomuto výzkumu, " řekl Hansen. "Zatímco první studie se zaměřily na malé palivové látky, jako je dimethylether (DME, CH3OCH3), nakonec jsme se přestěhovali do větších prakticky důležitějších paliv, jako je heptan, a" náhodně "zjistili signál, který nebyl vysvětlen známými chemickými mechanismy "Chtěli jsme poskytnout validační cíle pro vývoj modelů ve formě molekulární identifikace a koncentrace."

Předchozí výzkum identifikoval reakce a meziprodukty, které pomohly předpovídat vlastnosti vznícení jednotlivých paliv. Sandieho práce ukázala, že vědecká komunita není schopna pochopit tyto procesy a že je třeba uvažovat o dalších reakcích a meziproduktech. Tato práce pomůže vyvíjet modely s lepšími prediktivními schopnostmi a má důsledky spíše než spalování.

"Jedná se o zásadní výzkum chemické kinetiky, který může také ovlivnit klimatickou troposférickou tvorbu aerosolu, " řekl Hansen.

Paul Wennberg, profesor atmosférické chemie a environmentální vědy a inženýrství v oblasti Caltech, R. Stanton Avery, uvedl, že tento výzkum také poskytuje množství nových dat a nahlédnutí do oxidačních procesů spojených s oxidací organických molekul v atmosféře. Například znalost o tom, kolik kyslíků se přidá po vytvoření prvního radikálu, jak struktury organických substrátů mění dráhy a zda tato chemie může konkurovat bimolekulárním procesům, je nezbytná pro předpovídání, zda je tato chemie důležitá mnohem chladnější teploty důležité pro atmosféru.

"Konečný dopad těchto zjištění na autoxidaci na naše chápání znečištění ovzduší je nejasný, " uvedl Wennberg. "Víme, že dýchací částice jsou ohrožením veřejného zdraví, ale jak toxické jsou částice vytvořené autoxidací a jak dlouho tyto sloučeniny přetrvávají v atmosféře, není v tuto chvíli známo."

Použití hmotnostní spektrometrie k detekci těchto meziproduktů je pouze prvním krokem v tomto výzkumu.

"V budoucnu budeme muset vyvinout nové experimentální techniky a schopnosti, které by umožnily jednoznačné přiřazení molekulární struktury, " řekl Hansen. "Budeme testovat dvourozměrné hmotnostní spektrometrické techniky a mikrovlnnou spektroskopii jako analytické nástroje k nalezení přesných chemických struktur."

menu
menu