Хотя современные двигатели легковых автомобилей чище, чем когда-либо прежде, их выхлопные газы все еще могут содержать значительное количество наноскопических частиц сажи, которые достаточно малы, чтобы проникнуть в легкие и кровоток. Эта новая компьютерная модель должна помочь автопроизводителям улучшить свои двигатели, чтобы уменьшить образование сажи.Бензиновые двигатели традиционно не ассоциируются с сажей — это проблема, обычно связанная с дизельными автомобилями. Но за последнее десятилетие, чтобы повысить топливную экономичность, производители сделали свои бензиновые двигатели более похожими на дизельные, применив технологию «прямого впрыска», при которой топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр двигателя.
«Иногда вы получаете богатые топливом карманы, в которых не хватает воздуха для полного сгорания, или иногда топливо ударяется о стенку цилиндра и образует очаг пожара», — сказал С. Мани Сарати из KAUST Clean Combustion Center, который был одним из руководителей работы. В обоих этих сценариях образуется сажа.Разработка того, как минимизировать образование сажи, является сложной задачей, потому что трудно увидеть внутри цилиндра двигателя, когда происходит сгорание топлива.
Сарати и его коллеги решили эту проблему, сжигая химически упрощенную смесь «суррогата бензина» в экспериментальной установке, называемой противоточным диффузионным пламенем. Посылая лазеры в открытое пламя, они могли отслеживать сажу и ее предшественники во время горения топлива. «Эти эксперименты ранее проводились с газообразным топливом, но это первый раз, когда они проводились с подходящим для бензина жидким топливом», — сказал Сарати.
Команда изменила состав топлива и наблюдала за образованием частиц, чтобы построить модель основных химических реакций, посредством которых частицы сажи образуются и растут. «Когда у нас есть эта базовая кинетическая модель, которая хорошо работает в простом пламени, мы можем использовать ее в симуляции двигателя», — пояснил Сарати. Моделирование сгорания двигателя — это, по сути, совокупность множества крошечных вспышек, которые объединены, чтобы дать полную картину того, как сажа образуется в двигателе.Производители автомобилей могут использовать модель Сарати в своих собственных симуляциях, чтобы проверить, могут ли такие изменения, как изменение геометрии двигателя или времени впрыска топлива, снизить образование сажи. «У нас также есть промышленные партнеры, которые используют эту модель, чтобы увидеть, как различные виды топлива и стратегии сгорания двигателей влияют на образование сажи», — сказал Сарати.
В будущих конструкциях двигателей эта модель поможет производителям минимизировать образование сажи еще до того, как двигатель сойдет с производственной линии.