Grundlagenstudien zur Biodiesel-NOx-Wirkung
Die NOx-Bildung bei der Dieselverbrennung erfolgt primär über den thermischen Mechanismus, bei dem Stickstoff aus der Verbrennungsluft bei hoher Temperatur oxidiert wird. Höhere Verbrennungstemperaturen oder längere Verweilzeiten bei hohen Temperaturen führen zu erhöhtem NOx, und grundlegende Studien zur Wirkung von Biodiesel auf NOx-Emissionen haben sich darauf konzentriert, wie Biodiesel diese Faktoren beeinflusst., Untersuchungen haben gezeigt, dass höhere Verbrennungstemperaturen oder Verweilzeiten bei Temperatur für Biodiesel entstehen können aus: (1) Verbrennungseffekten, die im Zylinder als direkte Folge von Unterschieden in der Kraftstoffchemie auftreten (Mueller et al., 2009) und (2) Motorreaktionseffekte, wie z. B. zeitliche Änderungen, die durch die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von Biodiesel verursacht werden, oder Änderungen der Parametereinstellungen, die durch die Reaktion des Motorsteuerungssystems auf Biodiesel verursacht werden (Eckerle et al., 2008).,
Die umfassende Studie von Mueller und Kollegen (2009) bewertete viele mögliche Mechanismen, die vorgeschlagen wurden, um zu erklären, wie sich die Verbrennung von Biodiesel aus Soja auf die NOx-Emissionen auswirkt. Eine frühe Hypothese war, dass das Vorhandensein von Sauerstoff in Biodiesel die Rußproduktion im Zylinder reduziert. Da Ruß ein hochwirksamer Wärmestrahler ist, kann die Verringerung des Rußes die Flammentemperatur erhöhen und somit den NOx erhöhen (Cheng et al., 2006)., Durch die Messung des Strahlungswärmeverlusts zeigen Mueller und Kollegen, dass die Strahlungswärmeübertragung eine bedeutende Rolle bei der Flammentemperatur spielt; Daher beeinflusst es NOx-Emissionen, korreliert jedoch nicht direkt mit den für B100 beobachteten NOx-Anstiegen.
Mueller and coworkers (2009) zeigten auch, dass bei geringer Motorlast die Verbrennung bei Biodiesel schneller erfolgt als bei Kohlenwasserstoffen und dass die Spitzengastemperaturen höher sind und früher im Motorzyklus auftreten., Da die NOx-Produktion bei höheren Temperaturen begünstigt wird und ihre thermische Bildung bei Reaktionsraten erfolgt, die mit typischen Verbrennungszeiten des Motors vergleichbar sind, erzeugen die früheren und heißeren Reaktionsszenarien von B100 mehr NOx. Jedoch, Müller et al. waren nicht in der Lage, ähnliche Verbrennungseffekte bei höheren Lasten zu zeigen, wo die meisten NOx produziert wird, was darauf hindeutet, dass dieser Effekt nicht der Hauptgrund für die höhere NOx im Zusammenhang mit Biodiesel ist.,
Eine weitere frühe Hypothese ist, dass die in Biodiesel vorhandenen Doppelbindungen eine höhere adiabatische Flammentemperatur verursachen können, was zu einer höheren Temperatur an der Flammenfront der Diffusionsflamme führt. Diese Hypothese steht im Einklang mit den Ergebnissen, die höhere NOx-Emissionen für Biodiesel aus stärker ungesättigten Rohstoffen zeigen (McCormick et al., 2001). Cheng und Kollegen (2006) präsentieren Ergebnisse von Gleichgewichtsberechnungen für Methyloleat, die diese Hypothese widerlegen., Ban-Weiss und Kollegen (2007) führten jedoch Berechnungen der adiabatischen Flammentemperatur basierend auf chemischen kinetischen Modellen durch und fanden signifikante Auswirkungen im Zusammenhang mit einer Ungesättigung. Mueller und Kollegen (2009) überarbeiteten diese Berechnungen, stellten jedoch fest, dass die adiabatischen Flammentemperaturen für Biodiesel niedriger waren als für dieselähnliche Moleküle, und kamen zu dem Schluss, dass dieser Effekt nicht die Ursache für einen höheren NOx sein kann.,
Bei hohen Belastungen, bei denen die meisten NOx gebildet werden, zeigen Müller und Kollegen, dass Biodiesel—und möglicherweise andere sauerstoffhaltige Brennstoffe—dazu führt, dass das reagierende Gemisch eine Stöchiometrie aufweist, die näher an einem Sauerstoffäquivalenzverhältnis von 1 liegt und daher eine höhere Flammentemperatur aufweist. Diese Änderung tritt während der vorgemischten Autoignition und in der stehenden vorgemischten Autoignitionszone nahe der Flammenlift-Off-Länge auf. Das Vorhandensein von Kraftstoffsauerstoff in diesen reichen Zonen erhöht das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, was zu deutlich höheren Temperaturen und erhöhtem NOx unter hohen Lastbedingungen führt.,
Ein weiterer brennstoffchemischer Effekt könnte die Verstärkung der Bildung von promptem (oder Fenimore) NO sein, das unter bestimmten Bedingungen bis zu 30% der NOx-Bildung ausmachen kann (Miller & Bowman, 1989). Das NO wird durch Reaktion radikaler Kohlenwasserstoffarten mit Stickstoff gebildet, was letztendlich zur Bildung von NO führt. Hess und Kollegen (2005) stellten fest, dass ungesättigte Verbindungen während der Pyrolyse und Verbrennung höhere Radikale bilden können. Sie untersuchten das Potenzial von antioxidativen Additiven zur Radikalfindung zur Reduzierung von NOx., Es wurde gezeigt, dass einige, aber nicht alle getesteten Antioxidantien die NOx-Emissionen für den zu analysierenden Motor reduzieren.
NOx kann auch durch eine mechanische oder elektronische Systemantwort auf die Eigenschaften von Biodiesel erhöht werden. Van Gerpen und seine Mitarbeiter haben postuliert, dass NOx infolge einer Verschiebung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts aufgrund des höheren Massenmoduls der Kompressibilität (oder Schallgeschwindigkeit) von Biodiesel im Vergleich zu Erdöldiesel zunehmen kann (Tat & Van Gerpen, 2003; Monyem et al., 2001)., Dieser Unterschied in den Eigenschaften kann zu einer schnelleren Übertragung der Kraftstoffpumpendruckwelle auf die Injektornadel führen. Diese veränderte Übertragung verursachte einen früheren Nadelhub und einen kleinen Fortschritt im Injektionszeitpunkt, der einen Bruchteil des NOx-Anstiegs ausmachen könnte. Szybist und Boehman (2003) untersuchten diesen Effekt ebenfalls. Sie fanden heraus, dass Soja B100 einen 1° – Vorsprung beim Einspritzzeitpunkt und einen fast 4° – Vorsprung beim Beginn der Verbrennung erzeugt., Der Massenmoduleffekt scheint auf Pumpenleitungs-Düsen-und Einspritzsysteme anwendbar zu sein, nicht jedoch auf Common-Rail-Hochdrucksysteme, bei denen die „schnelle Übertragung einer Druckwelle“ nicht auftritt.
Eckerle and coworkers (2008) untersuchten die motorische Reaktion von mechanischen und elektronischen Steuerungssystemen auf Biodiesel allgemeiner. Ihre Studie zeigt, dass die Biodieselverbrennung bei hohen Geschwindigkeiten und Lasten keinen Einfluss auf NOx im Vergleich zu herkömmlichem Dieselkraftstoff hat, wenn die Diffusionsflammenverbrennung dominiert., Der niedrigere volumetrische Energiegehalt von Biodiesel bewirkt jedoch Änderungen des AGR-Durchflusses und anderer Parameter, was unter diesen Bedingungen zu einem Anstieg des NOx um 3% bis 4% führt. Bei niedrigeren Drehzahlen und leichteren Lasten, wenn die vorgemischte Verbrennung dominant ist, verursachten biodieselverbrennungschemische Effekte einen Anstieg des NOx um etwa 5%. Biodiesel führte jedoch auch dazu, dass sich die Motorparameter auf eine Weise änderten, die den NOx reduzierte, so dass der Nettoeffekt weniger als 1% betrug. Die Wirkung von Biodiesel auf NOx war geringer als die Wirkung einer Variation des aromatischen Gehalts an Dieselkraftstoff von 31,4% auf 8,4%., Offensichtlich werden die Auswirkungen von Biodiesel auf NOx-Emissionen stark von der Motorenkonstruktion, der Steuerungssystemarchitektur und der Kalibrierung abhängen; Diese Faktoren erklären wahrscheinlich die breite Palette von NOx-Emissionsauswirkungen, die bei Motorentests im vollen Maßstab beobachtet wurden.
Es ist möglich, vorhandene Motoren so zu kalibrieren, dass sie keine negativen Emissionsauswirkungen auf Biodiesel haben. Wie erwartet kann eine Verzögerung des Einspritzzeitpunkts den NOx reduzieren, mit einem gewissen Wirksamkeitsverlust für die PM-Reduzierung und einer gewissen Verringerung des Kraftstoffverbrauchs., In Studien, die von Ortech (1995) und von Stotler and Human (1995) durchgeführt wurden, führte die Verzögerung des Zeitpunkts beispielsweise zu reduzierten NOx-Emissionen und erhöhten PM-Emissionen von B20 auf etwa 4% über dem Basisdiesel. FEV Engine Technology (1994) untersuchte Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck und AGR für verschiedene Soja-Biodiesel-Mischungen mit Diesel im Vergleich zu denen für konventionellen Diesel. Relativ niedrige Mischungsniveaus von 10% bis 30% Sojamethylester reagierten stärker auf Motorparameteränderungen über die Motorkarte als hohe Mischungen von 50% und 100%., Für diese niedrigeren Biodieselmischwerte war es möglich, NOx bei festen PM-Werten zu senken, PM und NOx jedoch nicht gleichzeitig unter Verwendung von Motorzeit-und Druckänderungen zu reduzieren. Irland und Kollegen (2009) zeigten, dass es möglich war, die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen und den PM-Wert unter dem von Erdöldiesel zu halten, während der NOx reduziert wurde, indem die Motorkalibrierung geändert wurde, um die AGR-Raten zu erhöhen und die Motorsteuerung voranzutreiben. Die Optimierung von Motorkalibrierungen für den Betrieb mit Biodiesel kann ein wichtiger Bereich zukünftiger Forschung sein.