De nouvelles connaissances sur la façon de comprendre et, en fin de compte, de contrôler la chimie du comportement d'allumage et de la formation de polluants ont été découvertes dans des recherches menées par Sandia National Laboratories. La découverte finira par conduire à un produit plus propre, moteurs à combustion interne plus efficaces.

"Nos résultats permettront la conception de nouveaux carburants et de stratégies de combustion améliorées, " a déclaré Nils Hansen, Chercheur Sandia et auteur principal de la recherche. « Rendre la combustion plus propre et plus efficace aura un impact énorme, réduire la consommation d'énergie dans le monde."

L'oeuvre, qui se concentre sur la science chimique des mesures de flamme à basse pression, est présenté dans le Actes de l'Institut de la combustion et a été sélectionné comme article distingué dans Reaction Kinetics pour le 37e Symposium international sur la combustion. Les auteurs incluent Hansen, Xiaoyu He, l'ancienne stagiaire Sandia Rachel Griggs et l'ancienne postdoctorante Sandia Kai Moshammer, qui est maintenant à la Physikalisch-Technische Bundesanstalt en Allemagne. La recherche a été financée par l'Office of Science du ministère de l'Énergie.

Création d'un ensemble de données massif de flammes et de combustibles

L'équipe a combiné les résultats de mesures soigneusement contrôlées sur une large gamme de carburants en un seul ensemble de données catégorisées et annotées. Des corrélations entre les 55 flammes individuelles impliquant 30 combustibles différents ont ensuite été utilisées pour réduire l'incertitude, identifier les données incohérentes et démêler les effets de la structure du carburant sur les voies de combustion chimiques qui conduisent à des polluants nocifs. Une analyse initiale a examiné les relations entre les concentrations maximales d'intermédiaires chimiques qui jouent un rôle dans la croissance du poids moléculaire et la formation éventuelle de suie.

Hansen a dit que, à sa connaissance, c'est la première fois que des chercheurs examinent ces possibilités. En identifiant les incohérences, les nouvelles méthodes devraient conduire à terme à de meilleurs modèles de compréhension de la combustion. Typiquement, des expériences bien contrôlées aident à valider des modèles informatiques pour comprendre le processus de combustion et développer de nouvelles stratégies de combustion.

Les données des flammes prémélangées à basse pression sont généralement utilisées pour valider les mécanismes cinétiques chimiques de la combustion. Ces mécanismes détaillés fournissent ensuite la base pour comprendre la formation de polluants et prédire le comportement pour les applications de combustion.

Historiquement, les articles de recherche ont rapporté des données d'une seule flamme ou de quelques flammes, ainsi qu'un nouveau mécanisme pour un carburant spécifique. Cependant, l'approche mise au point par l'équipe de Hansen ouvre la voie à la mesure d'un grand nombre de flammes et à la publication de nombreux mécanismes qui ne sont généralement pas validés par d'autres données et mécanismes.

Hansen compare la découverte à la mise au jour d'un vieil artefact. Très peu de conclusions peuvent être tirées d'un seul artefact. Cependant, rassembler des milliers d'artefacts similaires crée une image historique plus complète.

"Notre travail révèle des informations typiquement cachées dans l'ensemble des données de flamme basse pression, " dit Hansen. " Par exemple, des cibles utiles pour la validation du modèle peuvent être glanées à partir d'une base de données de plus de 30, 000 points de données."

Analyser les flammes

Après avoir analysé les flammes, les chercheurs ont découvert que les propriétés corrélées fournissent de nouvelles cibles de validation accessibles uniquement lors de l'examen des structures chimiques d'un large éventail de flammes à basse pression.

Hansen a déclaré que les modèles chimico-cinétiques complets pour les systèmes de combustion sont de plus en plus utilisés comme base pour les modèles d'ingénierie qui prédisent les performances du carburant et les émissions pour la conception des chambres de combustion. Ces modèles sont souvent ambigus en raison du grand ensemble de paramètres utilisés pour informer le modèle, mais basé sur le synchrotron, mesure par spectrométrie de masse à ionisation monophotonique, pionnier dans le programme de physique chimique en phase gazeuse du DOE, a créé une vague sans précédent de données chimiques détaillées.

Avantages à long terme

Les travaux permettront à terme d'assembler des mécanismes chimiques plus précis pour décrire les processus de combustion, dit Hansen.

"Notre objectif est de mieux comprendre et in fine de maîtriser la chimie du comportement à l'allumage et la formation des polluants, " dit-il. " Par la suite, cela conduira à des moteurs à combustion interne propres et efficaces."

Hansen a déclaré que les découvertes de son équipe ouvrent une toute nouvelle voie de recherche au centre de recherche sur la combustion de Sandia.

"L'application d'outils de science des données et d'apprentissage automatique extrait encore plus d'informations à partir de grands ensembles de données, ", a-t-il déclaré. "Notre travail a ouvert grand la porte pour montrer que la science des données peut être appliquée à la recherche sur la combustion."