En nyutvecklad analysmetod kan detektera hydroxylradikaler (OH) med en aldrig tidigare skådad känslighet. Eftersom OH är en kritisk komponent i de förbränningsprocesser som driver de flesta fordon, det nya tillvägagångssättet kan främja utvecklingen av nya typer av motorer och bränslen som skulle vara mer effektiva och miljövänliga.

"I USA., förbränning producerar 60 procent av vår el och driver 90 procent av marktransporter och nästan all luftfart, "sa ledande forskare, Shengkai Wang, postdoktor i maskinteknik vid Stanford University. "Möjligheten att undersöka förbränningsprocesser och förstå dem på en mer grundläggande nivå skulle underlätta utvecklingen av nästa generations förbränningsstrategier som kan öka effektiviteten och minska föroreningar, " han sa.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver , Wang och Ronald K. Hanson, professor i maskinteknik vid Stanford, rapportera ett spektroskopibaserat tillvägagångssätt som detekterade nivåer av OH-radikaler minst fyra gånger lägre än den tidigare bästa metoden som användes för att analysera OH. Bland hundratals molekylära enheter som är involverade i förbränningsreaktioner, OH är det viktigaste eftersom det avgör om och hur snabbt bränslet kommer att brinna.

"OH är extremt svårt att mäta, särskilt i de dynamiska och bullriga miljöerna vid bränsleförbränning, eftersom den är mycket reaktiv och förekommer i mycket låga koncentrationer, "sade Wang." Vår strategi banar väg för praktisk upptäckt av OH i delar per miljard intervall. "

Den nya metoden kan också vara användbar för tillämpningar som att studera atmosfärisk kemi, där OH är en nyckelspelare i bildandet och utarmningen av ozon, Sa Wang.

Framsteg för bränsle och motorteknik

En flaskhals för att kommersialisera nya typer av motorer eller optimerade bränslen är att deras förbränningskemi inte helt förstås på grund av brist på känsliga analysmetoder. För att lösa det här problemet, Wang och hans kollega utvecklade en teknik som kallas frekvensmodulationsspektroskopi med hjälp av ultraviolett (UV) ljus.

Spektroskopi fungerar genom att lysa en laserstråle genom testgasen, där molekyler delvis absorberar ljuset. Analys av ljuset som lämnar gasprovet kan avgöra exakt vilka molekyler, och deras kvantiteter, var närvarande. Dock, spektroskopisk mätning av OH är inte en trivial uppgift. De extremt låga mängder OH som finns i förbränningsreaktioner, i kombination med höga reaktionstemperaturer och olika bullerkällor, såsom mekaniska vibrationer och gasturbulens, göra praktisk upptäckt av OH mycket svårt.

Istället för att använda en laservåglängd, frekvensmodulationsspektroskopi undersöker skillnaderna i ljusabsorption mellan flera våglängder, vilket gör att eventuellt brus bland avläsningarna kan subtraheras. Metoden flyttar också signalen från OH -absorption till en högre frekvens, därigenom elimineras varje lågfrekvent drift som utmanar OH-mätning.

"Den allmänna idén om frekvensmodulationsspektroskopi har funnits ett tag, men vi är de första som visar dess tillämpbarhet för att detektera OH vid detta specifika våglängdsområde, "sade Wang." En anledning till att detta inte har gjorts tidigare är att den UV-källa av hög kvalitet som är nödvändig för att mäta OH-absorption blev tillgänglig för nyligen. "

Forskarna testade sitt nya tillvägagångssätt genom att studera förbränningsreaktionen av ett representativt bränsle, iso-oktan, i en kontrollerad reaktor. De kunde uppnå en minsta detekterbar absorbans på 3,0 X 10 ^-4 vid en temperatur på 1330 K. Detta motsvarar att detektera 85 delar per miljard OH över 15 cm optisk längd och är fyra gånger bättre än den bästa skivan som tidigare rapporterats.

Som ett nästa steg, forskarna planerar att införliva bättre optiska komponenter, som de säger skulle kunna förbättra känsligheten med en annan storleksordning. De vill också göra utrustningen mer bärbar så att den kan transporteras på en vagn till olika specialiserade testanläggningar. Ett bärbart system skulle också tillåta dem att använda metoden för att göra mätningar i praktiska motorförhållanden och för att så småningom anpassa metoden för att göra mätningar i realistiska motorer och förbrännare.