estudios fundamentales del impacto de NOx del Biodiesel
la formación de NOx en la combustión diesel ocurre principalmente a través del mecanismo térmico, donde el nitrógeno del aire de combustión se oxida a alta temperatura. Las temperaturas de combustión más altas o el tiempo de residencia más largo a altas temperaturas conducen a un aumento de NOx, y los estudios fundamentales sobre el efecto del biodiésel en las emisiones de NOx se han centrado en cómo el biodiésel afecta a estos factores., La investigación ha demostrado que las temperaturas de combustión más altas o los tiempos de residencia a temperatura pueden originarse para el biodiésel a partir de: (1) Los efectos de combustión que ocurren en el cilindro como resultado directo de las diferencias en la química del combustible (Mueller et al., 2009) y (2) Efectos de la respuesta del motor, como cambios en la sincronización causados por las diferentes propiedades mecánicas del biodiésel o cambios en la configuración de parámetros causados por la respuesta del sistema de control del motor al biodiésel (Eckerle et al., 2008).,
el estudio exhaustivo de Mueller and coworkers (2009) evaluó muchos mecanismos posibles que se han propuesto para explicar cómo la combustión de biodiesel derivado de la soja afecta las emisiones de NOx. Una hipótesis temprana fue que la presencia de oxígeno en el biodiesel reduce la producción de hollín en el cilindro. Debido a que el hollín es un radiador de calor altamente efectivo, la reducción en hollín podría aumentar la temperatura de la llama y, por lo tanto, aumentar el NOx (Cheng et al., 2006)., Al medir la pérdida de calor radiante, Mueller y sus compañeros de trabajo muestran que la transferencia de calor radiante juega un papel importante en la temperatura de la llama; por lo tanto, afecta las emisiones de NOx, pero no está directamente correlacionada con los aumentos de NOx observados para B100.
Mueller and coworkers (2009) también mostraron que, con la carga ligera del motor, la combustión ocurre más rápido para el biodiesel que para los hidrocarburos y que las temperaturas máximas del gas a granel son más altas y ocurren más temprano en el ciclo del motor., Dado que la producción de NOx se ve favorecida a temperaturas más altas y su formación térmica se produce a velocidades de reacción comparables a los tiempos típicos de combustión del motor, los escenarios de reacción más tempranos y más calientes de B100 producen más NOx. Sin embargo, Mueller et al. no fueron capaces de mostrar efectos de combustión similares a cargas más altas donde se produce la mayor cantidad de NOx, lo que sugiere que este efecto no es la razón principal del mayor NOx asociado con el biodiésel.,
otra hipótesis temprana es que los dobles enlaces presentes en el biodiesel pueden causar una temperatura de llama adiabática más alta, lo que lleva a una temperatura más alta en el frente de la llama de difusión. Esta hipótesis es consistente con los resultados que muestran niveles más altos de emisiones de NOx para el biodiésel de materias primas más insaturadas (McCormick et al., 2001). Cheng and coworkers (2006) presentan resultados de cálculos de equilibrio para el oleato de metilo que refutan esta hipótesis., Sin embargo, Ban-Weiss y colaboradores (2007) realizaron cálculos de la temperatura de la llama adiabática basados en modelos cinéticos químicos y encontraron impactos significativos asociados con la insaturación. Mueller y sus compañeros de trabajo (2009) revisaron estos cálculos, pero encontraron que las temperaturas de llama adiabáticas para el biodiesel eran más bajas que para las moléculas similares al diesel y concluyeron que este efecto no puede ser la causa de mayores NOx.,
a altas cargas, donde se forma la mayoría de los NOx, Mueller y sus compañeros de trabajo muestran que el biodiesel—y posiblemente otros combustibles oxigenados—hace que la mezcla reactiva tenga una estequiometría más cercana a una relación de equivalencia de oxígeno de 1 y, por lo tanto, tenga una temperatura de llama más alta. Este cambio ocurre durante la autoignición premezclada y en la zona de autoignición premezclada de pie cerca de la longitud de despegue de la llama. La presencia de oxígeno combustible en estas zonas ricas aumenta la relación aire-combustible, lo que lleva a temperaturas significativamente más altas y un aumento de NOx en condiciones de alta carga.,
otro efecto químico del combustible podría ser la mejora de la formación de prompt (o Fenimore) NO, que puede representar hasta el 30% de la formación de NOx bajo algunas condiciones (Miller & Bowman, 1989). El NO inmediato se forma por la reacción de especies de hidrocarburos radicales con nitrógeno, lo que en última instancia conduce a la formación de NO. Hess y compañeros de trabajo (2005) señalaron que los compuestos insaturados pueden formar niveles más altos de radicales durante la pirólisis y la combustión. Investigaron el potencial de los aditivos antioxidantes de eliminación de radicales para reducir el NOx., Se demostró que algunos antioxidantes probados, pero no todos, reducen las emisiones de NOx para el motor bajo análisis.
El NOx también se puede aumentar mediante una respuesta mecánica o electrónica del sistema a las propiedades del biodiesel. Van Gerpen y colaboradores han postulado que el NOx puede aumentar como resultado de un cambio en el tiempo de inyección de combustible causado por el mayor módulo de compresibilidad (o velocidad del sonido) del biodiesel en relación con el diesel de petróleo (Tat & Van Gerpen, 2003; Monyem et al., 2001)., Esta diferencia en las propiedades podría causar una transferencia más rápida de la onda de presión de la bomba de combustible a la aguja del inyector. Esta transferencia alterada causó una elevación más temprana de la aguja y un pequeño avance en el tiempo de inyección que podría explicar una fracción del aumento de NOx. Szybist y Boehman (2003) también examinaron este efecto. Encontraron que la soja B100 produce un avance de 1° en el tiempo de inyección y un avance de casi 4° en el inicio de la combustión., El efecto de módulo A Granel parece ser aplicable a los sistemas de inyección unitaria y de boquilla de línea de bomba, pero no a los sistemas common rail de alta presión en los que no se produce la «transferencia rápida de una onda de presión».
Eckerle and coworkers (2008) examinaron la respuesta del motor de los sistemas de control mecánicos y electrónicos al biodiesel en general. Su estudio muestra que, a altas velocidades y cargas, la combustión de biodiesel no tiene ningún impacto sobre los NOx en relación con el combustible diesel convencional cuando la combustión de llama de difusión es dominante., Sin embargo, el menor contenido volumétrico de energía del biodiésel provoca cambios en el flujo de EGR y otros parámetros, lo que da lugar a un aumento del 3% al 4% de NOx en estas Condiciones. A velocidades más bajas y cargas más ligeras, cuando la combustión premezclada es dominante, los efectos de la química de la combustión del biodiesel causaron que el NOx aumentara en aproximadamente un 5%. Sin embargo, el biodiésel también hizo que los parámetros del motor cambiaran de manera que se redujeran los NOx, de modo que el efecto neto fue inferior al 1%. El efecto del biodiésel sobre el NOx fue menor que el efecto de variar el contenido aromático del gasóleo del 31,4% al 8,4%., Es evidente que el impacto del biodiésel en las emisiones de NOx dependerá en gran medida del diseño del motor, la arquitectura del sistema de control y la calibración; estos factores probablemente explican la amplia gama de impactos en las emisiones de NOx que se han observado en los ensayos de motores a gran escala.
es posible calibrar los motores existentes para que no tengan un impacto negativo en las emisiones en respuesta al biodiésel. Como se esperaba, retardar el tiempo de inyección puede reducir el NOx, con cierta pérdida de efectividad para la reducción de PM y cierta reducción en el ahorro de combustible., Por ejemplo, en estudios realizados por Ortech (1995) y por Stotler y Human (1995), el retardo del tiempo resultó en una reducción de las emisiones de NOx y un aumento de las emisiones de PM de B20 a aproximadamente un 4% por encima del nivel base del diesel. Fev Engine Technology (1994) investigó el tiempo de inyección, la presión de inyección y la EGR para varias mezclas de biodiesel de soja con diesel en comparación con los del diesel convencional. Los niveles relativamente bajos de mezcla de 10% a 30% de éster metílico de soja fueron más sensibles a los cambios de los parámetros del motor en el mapa del motor que las mezclas altas de 50% y 100%., Para estos niveles más bajos de mezcla de biodiésel, fue posible reducir los NOx a niveles fijos de partículas, pero no reducir simultáneamente las partículas y los NOx mediante cambios de sincronización y presión del motor. Ireland and coworkers (2009) mostraron que era posible aumentar la eficiencia del combustible y mantener los niveles de PM por debajo de los del diesel de petróleo, mientras reducía los NOx cambiando la calibración del motor para aumentar las tasas de EGR y avanzar en la sincronización del motor. La optimización de las calibraciones de motores para el funcionamiento con biodiesel puede ser un área importante de investigación futura.