Les chercheurs du Sandia National Laboratories ont identifié pour la première fois des mécanismes chimiques clés qui s'ajoutent aux connaissances fondamentales de la chimie de la combustion et pourraient conduire à une combustion plus propre dans les moteurs.

Le chercheur de Sandia Nils Hansen et l'ancien postdoctorant Kai Moshammer se sont concentrés sur l'oxydation à basse température des hydrocarbures et d'autres carburants alternatifs. Ils ont identifié des intermédiaires chimiques clés, qui sont pertinents pour les réactions d'oxydation à des températures comprises entre 400 et 600 K (260 à 620 degrés Fahrenheit). La nature chimique des intermédiaires et leurs concentrations fournissent de nouveaux détails sur les processus chimiques impliqués dans l'auto-inflammation.

L'auto-inflammation est un processus chimique au cours duquel un mélange air-carburant s'enflamme spontanément. Il est généralement expliqué par la théorie à travers un ensemble de réactions en chaîne auto-entretenues et accélérées. Il est très important pour comprendre le cliquetis dans les moteurs à allumage commandé.

Hansen et Moshammer faisaient partie d'une équipe de chercheurs multi-institutions dont les travaux ont été publiés dans un article intitulé, "Démêler la structure et les mécanismes chimiques des intermédiaires hautement oxygénés dans l'oxydation des composés organiques." Les chercheurs se sont concentrés sur l'approfondissement des connaissances sur la chimie d'oxydation à basse température des hydrocarbures et d'autres carburants alternatifs.

"Nous pouvons faire fonctionner un moteur à combustion interne aujourd'hui sans connaître les détails de la chimie, " dit Hansen. " Cependant, ces nouvelles connaissances apportent de nouvelles perspectives qui devraient être ciblées par de nouveaux modèles de combustion. Cela devrait permettre à terme le développement de stratégies de combustion plus propres et plus efficaces à l'avenir. »

Hansen et Moshammer ont utilisé la spectrométrie de masse à faisceau moléculaire pour découvrir les intermédiaires chimiques. Le faisceau moléculaire gèle la chimie et peut être comparé à l'autoroute allemande.

"Dans le faisceau moléculaire, toutes les molécules sont aspirées dans le vide pour voler dans le même sens et à la même vitesse, donc il n'y a pas de collisions comme sur l'autoroute, " dit-il. " Quand nous isolons les molécules de cette façon, cela nous permet de les séparer par leur poids et donc leur constitution moléculaire."

Extraire des informations détaillées de la nature

L'extraction d'informations moléculaires détaillées directement à partir de mélanges enflammés est une tâche difficile et stimulante, en particulier en raison des grandes variations de température et des faibles concentrations moléculaires des intermédiaires clés.

« Même après quelques décennies de recherche sur ce sujet, ces molécules hautement oxygénées n'avaient jamais été vues auparavant, " explique Hansen.

Yiguang Ju, professeur et directeur de l'énergie durable à l'Université de Princeton, a déclaré que ce travail révèle clairement la formation d'intermédiaires oxygénés à travers les processus d'addition de plusieurs molécules d'oxygène. "Les intermédiaires oxygénés sont essentiels pour affecter l'allumage à basse température, flamme froide, formation légère de flammes et de cliquetis dans les moteurs à combustion interne, " dit Ju.

Réacteur à réaction conçu pour mener des recherches

Hansen a souligné que ces découvertes ont été faites par des expériences qui se concentrent sur la chimie tout en minimisant les effets de mélange, turbulence et grands gradients de température et de concentration.

Pour mener les travaux, les chercheurs de Sandia ont conçu un appareil appelé réacteur à jet agité, qui est mieux décrit comme un réacteur à quartz dans lequel des mélanges combustible-oxydant non brûlés sont ajoutés en continu par quatre petites buses pour créer un mélange homogène qui est ensuite enflammé avec de la chaleur externe. Avec cette approche, les chercheurs évitent les grands changements spatiaux et temporels dans les concentrations des intermédiaires clés et les températures et le réacteur peut être facilement modélisé. Les chercheurs ont ensuite utilisé l'échantillonnage par faisceau moléculaire et la spectrométrie de masse à haute résolution pour identifier les composants gazeux du réacteur.

"Notre intérêt persistant pour les procédés d'oxydation à basse température a conduit à cette recherche, " a déclaré Hansen. "Alors que les premières études se sont concentrées sur les petits carburants tels que l'éther diméthylique (DME, CH3OCH3), nous avons finalement déménagé à plus grand, des carburants plus pertinents sur le plan pratique, comme l'heptane, et « accidentellement » a détecté un signal qui n'était pas explicable par les mécanismes chimiques connus. Nous voulions fournir des cibles de validation pour le développement de modèles sous la forme d'identification moléculaire et de concentration."

Des recherches antérieures ont identifié des réactions et des intermédiaires qui ont aidé à prédire les caractéristiques d'allumage des carburants individuels. Les travaux de Sandia ont montré que la compréhension de ces processus par la communauté scientifique n'est pas complète et que des réactions et intermédiaires supplémentaires doivent être envisagés. Ce travail permettra de développer des modèles avec de meilleures capacités prédictives, et a des implications au-delà de la combustion.

« Il s'agit d'une recherche fondamentale en cinétique chimique qui peut également avoir un impact sur la formation d'aérosols troposphériques pertinents pour le climat, " a déclaré Hansen.

Paul Wennberg, le professeur R. Stanton Avery de chimie atmosphérique et de sciences et ingénierie de l'environnement à Caltech, a déclaré que cette recherche fournit également une mine de nouvelles données et un aperçu des processus d'oxydation impliqués dans l'oxydation des molécules organiques dans l'atmosphère. Par exemple, la connaissance du nombre d'oxygènes ajoutés suite à la formation du premier radical, comment les structures des substrats organiques modifient les voies, et si cette chimie peut rivaliser avec les processus bimoléculaires est essentiel pour prédire si cette chimie est importante aux températures beaucoup plus froides pertinentes pour l'atmosphère.

"L'impact final de ces découvertes dans l'autoxydation sur notre compréhension de la pollution de l'air n'est pas clair, " a déclaré Wennberg. "Nous savons que la respiration des particules est une menace pour la santé publique, mais la toxicité des particules créées par l'auto-oxydation et la durée de persistance de ces composés dans l'atmosphère ne sont tout simplement pas connues à l'heure actuelle. »

L'utilisation de la spectrométrie de masse pour détecter ces intermédiaires n'est que la première étape de cette recherche.

"À l'avenir, nous devrons développer de nouvelles techniques et capacités expérimentales qui permettraient une attribution sans ambiguïté de la structure moléculaire, " Hansen a déclaré. "Nous testerons les techniques de spectrométrie de masse bidimensionnelle et la spectroscopie micro-ondes en tant qu'outils analytiques pour trouver les structures chimiques exactes."