Nella ricerca condotta dai Sandia National Laboratories sono state scoperte nuove intuizioni su come comprendere e infine controllare la chimica del comportamento di accensione e della formazione di inquinanti. La scoperta alla fine porterà a più pulito, motori a combustione interna più efficienti.

"I nostri risultati consentiranno la progettazione di nuovi combustibili e migliori strategie di combustione, "ha detto Nils Hansen, Ricercatore Sandia e autore principale della ricerca. "Rendere la combustione più pulita ed efficiente avrà un impatto enorme, ridurre il consumo di energia in tutto il mondo."

Il lavoro, che si concentra sulla scienza chimica delle misurazioni della fiamma a bassa pressione, è presente nel Atti dell'Istituto della Combustione ed è stato selezionato come illustre paper in Reaction Kinetics per il 37th International Symposium on Combustion. Gli autori includono Hansen, Xiaoyu He, l'ex stagista di Sandia Rachel Griggs e l'ex candidato post-dottorato di Sandia Kai Moshammer, che ora è al Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Germania. La ricerca è stata finanziata dall'Office of Science del Dipartimento di Energia.

Creazione di un enorme set di dati di fiamme e combustibili

Il team ha combinato l'output di misurazioni attentamente controllate su un'ampia gamma di combustibili in un unico set di dati classificato e annotato. Le correlazioni tra le 55 singole fiamme che coinvolgono 30 diversi combustibili sono state quindi utilizzate per ridurre l'incertezza, identificare dati incoerenti e districare gli effetti della struttura del carburante sui percorsi di combustione chimica che portano a inquinanti nocivi. Un'analisi iniziale ha preso in considerazione le relazioni tra le concentrazioni di picco degli intermedi chimici che giocano un ruolo nella crescita del peso molecolare e nell'eventuale formazione di fuliggine.

Hansen ha detto che a sua conoscenza, questa è la prima volta che i ricercatori hanno esaminato queste possibilità. Individuando le incongruenze, i nuovi metodi alla fine dovrebbero portare a modelli migliori per comprendere la combustione. Tipicamente, esperimenti ben controllati aiutano a convalidare modelli informatici per comprendere il processo di combustione e sviluppare nuove strategie di combustione.

I dati delle fiamme premiscelate a bassa pressione vengono generalmente utilizzati per convalidare i meccanismi cinetici chimici nella combustione. Questi meccanismi dettagliati forniscono quindi la base per comprendere la formazione di inquinanti e prevedere il comportamento per le applicazioni di combustione.

Storicamente, i documenti di ricerca riportavano dati da una singola fiamma o da poche fiamme, insieme a un nuovo meccanismo per un carburante specifico. Però, l'approccio sperimentato dal team di Hansen apre la strada alla misurazione di un gran numero di fiamme e alla pubblicazione di numerosi meccanismi che di solito non sono convalidati in modo incrociato con altri dati e meccanismi.

Hansen paragona la scoperta al ritrovamento di un vecchio manufatto. Pochissime conclusioni possono essere tratte da un singolo artefatto. Però, mettere insieme migliaia di manufatti simili crea un quadro storico più completo.

"Il nostro lavoro rivela informazioni tipicamente nascoste nell'insieme di dati di fiamma a bassa pressione, "Ha detto Hansen. "Per esempio, obiettivi utili per la convalida del modello possono essere raccolti da un database con più di 30, 000 punti dati."

Analizzando le fiamme

Dopo aver analizzato le fiamme, i ricercatori hanno scoperto che le proprietà correlate forniscono nuovi obiettivi di convalida accessibili solo quando si esaminano le strutture chimiche di un'ampia serie di fiamme a bassa pressione.

Hansen ha affermato che i modelli chimico-cinetici completi per i sistemi di combustione sono sempre più utilizzati come base per modelli ingegneristici che prevedono le prestazioni del carburante e le emissioni per la progettazione del combustore. Questi modelli sono spesso ambigui a causa dell'ampio insieme di parametri utilizzati per informare il modello, ma a base di sincrotrone, misurazione della spettrometria di massa a ionizzazione a singolo fotone, pioniere nel programma di fisica chimica in fase gassosa del DOE, ha creato un'ondata senza precedenti di dati chimici dettagliati.

Benefici a lungo termine

Il lavoro alla fine aiuterà ad assemblare meccanismi chimici più accurati per descrivere i processi di combustione, ha detto Hansen.

"Il nostro obiettivo è comprendere meglio e in definitiva controllare la chimica del comportamento di accensione e la formazione di inquinanti, ", ha detto. "Successivamente, questo porterà a motori a combustione interna puliti ed efficienti".

Hansen ha affermato che i risultati del suo team aprono una strada completamente nuova per la ricerca presso il Combustion Research Facility di Sandia.

"L'applicazione di strumenti di data science e di apprendimento automatico estrae ancora più informazioni da grandi set di dati, " ha detto. "Il nostro lavoro ha aperto le porte alla dimostrazione che la scienza dei dati può essere applicata alla ricerca sulla combustione".