Los científicos investigan el origen de la ocurrencia estocástica de superknock en motores propulsados ​​por combustibles de hidrógeno/metano

La ciencia

Los motores de combustión interna turboalimentados de pequeña cilindrada se pueden “golpear” sin sufrir daños permanentes. El golpe ocurre cuando el combustible se enciende antes de lo esperado. Mucho más dañino es el «super-knock». A diferencia de la detonación normal, la superdetonación es causada por una onda de detonación debido a un circuito de retroalimentación entre la liberación de calor asociada con la llama y la presión dentro de un cilindro del motor. Un combustible alternativo, el hidrógeno, tiene un mayor riesgo de superdetonación que otros combustibles debido a la forma en que los motores deben operar para funcionar de manera eficiente con hidrógeno. Una solución son los combustibles hechos de una mezcla de hidrógeno y metano. Agregar metano al combustible de hidrógeno puede suavizar la combustión y reducir algunos tipos de emisiones. La combustión en los motores es extremadamente compleja, por lo que los investigadores deben estudiar las reacciones del combustible de hidrógeno/metano para ayudar en el diseño del motor.

El impacto

El uso de mezclas de hidrógeno y metano como combustibles en motores de combustión interna es una de las estrategias más prometedoras para reducir las emisiones de dióxido de carbono. Una preocupación con la quema de estos combustibles en motores de encendido por chispa es la transición de un mecanismo de combustión «deseable» a la formación de una onda de detonación. En la combustión deseable, la onda de combustión del combustible (llamada deflagración) se propaga alejándose de la fuente de ignición por chispa. En condiciones inadecuadas, esta combustión puede dar lugar a la formación de una onda detonante. Esta ola consume rápidamente todo el combustible y da como resultado un fuerte pico de presión llamado superdetonación en los motores. Para evitar la superdetonación, los científicos estudiaron las causas del cambio de deflagración a detonación. Esta investigación ayudará a allanar el camino para el uso de alternativas viables a los combustibles fósiles en los motores de combustión interna.

Resumen

Los investigadores investigaron el impacto de la química de reacción no térmica en la propagación de los frentes de combustión para un H_dos-CH₄ mezcla de combustible que se quema en el aire dentro de un dominio limitado, lo que representa un cilindro de motor idealizado. Trabajos previos han demostrado que en algunos ambientes de combustión, H + CH₃ y H + OH recombinación radical-radical y el H + O_dos Las reacciones de asociación de moléculas radicales pueden formar intermedios de estado excitado de larga duración (como CH₄*,H_dosoh oh_dos*) que puede sufrir reacciones posteriores con H, O, OH y O_dos antes de someterse a la estabilización por colisión (para CH₄H_dosoh oh_dos). El equipo internacional dirigido por Sandia National Laboratories incluyó reacciones «termomoleculares» no térmicas en el modelo, estudiando en particular los efectos de tales reacciones en la recombinación radical-radical y la asociación radical-molécula. El equipo utilizó el código S3D de simulación numérica directa (DNS), con una resolución espacial de 1 micrómetro, lo que demuestra que la inclusión de la química de reacción no termalizada influye en los flujos de reacción química durante las altas presiones de H_dos-CH₄ combustión y la transición de frentes de deflagración a frentes de detonación de alta presión y movimiento rápido.

Por otro lado, la inclusión del análisis de modo de explosión química (CEMA), una herramienta de diagnóstico de llama computacional confiable para detectar sistemáticamente especies importantes y reacciones formadas durante la combustión, indicó que, independientemente de la presencia de reactividad no térmica, la temperatura y la concentración de oxígeno siguen siendo las dos variables más dominantes que afectan la formación de detonación en H_dos/CH₄-mezclas de aire en las condiciones pertinentes del motor. Los investigadores señalan que esta observación particular puede cambiar con diferentes H_dos/CH₄ mezclar proporciones. El modelo propuesto por los investigadores aparece en la imagen de arriba. Primero, una llama encendida por chispa se propaga hacia afuera con velocidad ‘S_F‘ acompañado por una onda de presión que viaja a la velocidad ‘a’, donde a es mucho mayor que S_F (un >> S_F). Sin reacciones termomoleculares, el gas no quemado cerca de la pared del cilindro se enciende espontáneamente antes de ser consumido por la llama encendida por chispa. Posteriormente, el frente de ignición emergente se propaga hacia el exterior con una velocidad ‘SSp’, de modo que permanece desacoplado de la onda de presión (SSp >> a), lo que lleva a la formación normal de la detonación. Sin embargo, en presencia de reacciones termoleculares, se produce la coalescencia entre el frente de llama provocado por la chispa y la onda de presión, siendo ‘a’ aproximadamente tan grande como ‘S_F.’ La sincronización perfecta entre la onda de presión y el frente de llama impulsado por la chispa da como resultado la transición de la deflagración a la detonación, es decir, superdetonación sin ignición espontánea en el gas final sin quemar. Los investigadores proponen que su química de reacción no térmica debe incluirse al modelar la combustión de H_dos-CH₄ mezclas para predecir con precisión aspectos importantes del comportamiento de la llama.

Financiación

El trabajo en los Laboratorios Nacionales Sandia fue apoyado por la Oficina de Ciencias (DOE) del Departamento de Energía, Ciencias Básicas de la Energía, División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias, así como por la Computación a exaescala Proyecto, un esfuerzo de colaboración de la Oficina de Ciencias del DOE y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear. El trabajo en los Laboratorios Nacionales de Argonne fue apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE, la Oficina de Ciencias de la Energía Básica, la División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias. Dos de los investigadores recibieron apoyo como parte del Consorcio Argonne-Sandia en Química de Combustión a Alta Presión. Uno de los investigadores también agradece el apoyo de la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Jiangsu. El trabajo en la Universidad de Connecticut fue apoyado por la Computación a exaescala Proyecto.