Ny insikt om hur man förstår och i slutändan kontrollerar kemin i antändningsbeteende och föroreningar har upptäckts i forskning som leds av Sandia National Laboratories. Upptäckten kommer så småningom att leda till renare, effektivare förbränningsmotorer.

"Våra resultat kommer att möjliggöra design av nya bränslen och förbättrade förbränningsstrategier, sa Nils Hansen, Sandia -forskare och huvudförfattare till forskningen. "Att göra förbränningen renare och mer effektiv kommer att ha en enorm inverkan, minska energianvändningen runt om i världen. "

Arbetet, som fokuserar på den kemiska vetenskapen om lågtrycksmätningar av låga, finns med i Förbränningsinstitutets handlingar och valdes ut som en framstående artikel i Reaction Kinetics för det 37:e internationella symposiet om förbränning. Författare inkluderar Hansen, Xiaoyu He, före detta Sandia praktikant Rachel Griggs och före detta Sandia postdoktorn Kai Moshammer, som nu är på Physikalisch-Technische Bundesanstalt i Tyskland. Forskningen finansierades av Department of Energy's Office of Science.

Skapa en massiv dataset med lågor och bränslen

Teamet kombinerade resultatet från noggrant kontrollerade mätningar på ett brett spektrum av bränslen i en enda kategoriserad och kommenterad datauppsättning. Korrelationer mellan de 55 enskilda flammorna med 30 olika bränslen användes sedan för att minska osäkerheten, identifiera inkonsekventa data och ta bort effekterna av bränslestrukturen på kemiska förbränningsvägar som leder till skadliga föroreningar. En första analys övervägde samband mellan toppkoncentrationer av kemiska mellanprodukter som spelar en roll för molekylviktstillväxt och eventuell sotbildning.

Hansen sa att såvitt han vet, det är första gången som forskare tittar på dessa möjligheter. Genom att identifiera inkonsekvenser, de nya metoderna ska i slutändan leda till bättre modeller för att förstå förbränning. Vanligtvis, välkontrollerade experiment hjälper till att validera datormodeller för att förstå förbränningsprocessen och att utveckla nya förbränningsstrategier.

Data från lågtrycks förblandade lågor används vanligtvis för att validera kemiska kinetiska mekanismer vid förbränning. Dessa detaljerade mekanismer utgör sedan grunden för att förstå bildandet av föroreningar och förutsäga beteende för förbränningstillämpningar.

Historiskt sett, forskningsrapporter rapporterade data från en enda låga eller några få lågor, tillsammans med en ny mekanism för ett specifikt bränsle. Dock, det tillvägagångssätt som Hansens team banat väg för att mäta ett stort antal lågor och publicera ett flertal mekanismer som vanligtvis inte korsvalideras med andra data och mekanismer.

Hansen jämför upptäckten med upptäckten av en gammal artefakt. Mycket få slutsatser kan dras av en enda artefakt. Dock, att sammanföra tusentals liknande artefakter skapar en mer komplett historisk bild.

"Vårt arbete avslöjar information som vanligtvis döljs i ensemblen av lågtrycksflamdata, "Sa Hansen." Till exempel användbara mål för modellvalidering kan hämtas från en databas med mer än 30, 000 datapunkter."

Analysera lågor

Efter att ha analyserat lågorna, forskare fann att korrelerade egenskaper ger nya valideringsmål som endast är tillgängliga när man undersöker de kemiska strukturerna hos en bred uppsättning lågtryckslågor.

Hansen sa att de omfattande kemisk-kinetiska modellerna för förbränningssystem i allt högre grad används som grund för tekniska modeller som förutsäger bränsleprestanda och utsläpp för förbränningsmotordesign. Dessa modeller är ofta tvetydiga på grund av den stora uppsättning parametrar som används för att informera modellen, men synkrotronbaserad, enkelfotonjoniseringsmasspektrometrimätning, banbrytande i DOE:s program för kemisk fysik för gasfas, har skapat en oöverträffad ökning av detaljerade kemiska data.

Långsiktiga fördelar

Arbetet kommer så småningom att hjälpa till att sätta ihop mer exakta kemiska mekanismer för att beskriva förbränningsprocesser, Sa Hansen.

"Vårt mål är att bättre förstå och i slutändan kontrollera kemin för antändningsbeteende och föroreningar, "sa han." Därefter detta kommer att leda till rena och effektiva förbränningsmotorer. "

Hansen sa att hans teams resultat låser upp en helt ny väg för forskning vid Sandias förbränningsforskningsanläggning.

"Genom att använda datavetenskap och verktyg för maskininlärning extraheras ännu mer information från stora datamängder, "sa han." Vårt arbete har öppnat porten för att visa att datavetenskap kan tillämpas på förbränningsforskning. "