Etudes fondamentales de L’Impact du Biodiesel sur les NOx
la formation de NOx dans la combustion du diesel se produit principalement par le mécanisme thermique, où l’azote de l’air de combustion est oxydé à haute température. Des températures de combustion plus élevées ou un temps de séjour plus long à des températures élevées entraînent une augmentation des NOx, et des études fondamentales sur l’effet du biodiesel sur les émissions de NOx se sont concentrées sur la façon dont le biodiesel affecte ces facteurs., La recherche a montré que des températures de combustion plus élevées ou des temps de résidence à la température peuvent provenir du biodiesel: (1) les effets de combustion qui se produisent dans la bouteille en raison directe des différences dans la chimie du carburant (Mueller et al., 2009) et (2) les effets de réponse du moteur, tels que les changements de synchronisation causés par les différentes propriétés mécaniques du biodiesel ou les changements de paramètres causés par la réponse du système de commande du moteur au biodiesel (Eckerle et al., 2008).,
L’étude approfondie de Mueller and coworkers (2009) a évalué de nombreux mécanismes possibles qui ont été proposés pour expliquer comment la combustion du biodiesel dérivé du soja affecte les émissions de NOx. Une première hypothèse était que la présence d’oxygène dans le biodiesel réduisait la production de suie en bouteille. Parce que la suie est un radiateur de chaleur très efficace, la réduction de la suie pourrait augmenter la température de la flamme et donc augmenter les NOx (Cheng et al., 2006)., En mesurant la perte de chaleur rayonnante, Mueller et ses collègues montrent que le transfert de chaleur rayonnante joue un rôle important dans la température de la flamme; par conséquent, il affecte les émissions de NOx mais n’est pas directement corrélé aux augmentations de NOx observées pour B100.
Mueller et coworkers (2009) ont également montré que, à faible charge du moteur, la combustion se produit plus rapidement pour le biodiesel que pour les hydrocarbures et que les températures maximales des gaz en vrac sont plus élevées et surviennent plus tôt dans le cycle du moteur., Étant donné que la production de NOx est favorisée à des températures plus élevées et que sa formation thermique se produit à des vitesses de réaction comparables aux temps de combustion typiques du moteur, les scénarios de réaction plus tôt et plus chauds du B100 produisent plus de NOx. Cependant, Mueller et coll. n’ont pas été en mesure de montrer des effets de combustion similaires à des charges plus élevées où le plus de NOx est produit, ce qui suggère que cet effet n’est pas la principale raison de la hausse des NOx associée au biodiesel.,
Une autre hypothèse précoce est que les doubles liaisons présentes dans le biodiesel peuvent provoquer une température de flamme adiabatique plus élevée, conduisant à une température plus élevée au front de flamme de la flamme de diffusion. Cette hypothèse est conforme aux résultats montrant des niveaux plus élevés d’émissions de NOx pour le biodiesel provenant de matières premières plus fortement insaturées (McCormick et al., 2001). Cheng et ses collègues (2006) présentent des résultats de calculs d’équilibre pour l’oléate de méthyle qui réfutent cette hypothèse., Cependant, Ban-Weiss et coworkers (2007) ont effectué des calculs de température de flamme adiabatique basés sur des modèles cinétiques chimiques et ont trouvé des impacts significatifs associés à l’insaturation. Mueller et ses collègues (2009) ont revu ces calculs, mais ont constaté que les températures de flamme adiabatique pour le biodiesel étaient inférieures à celles des molécules de type diesel et concluent que cet effet ne peut pas être la cause d’une augmentation des NOx.,
à des charges élevées, où la plupart des NOx sont formés, Mueller et ses collègues montrent que le biodiesel—et éventuellement d’autres carburants oxygénés—fait que le mélange réagissant a une stœchiométrie plus proche d’un rapport d’équivalence d’oxygène de 1 et, par conséquent, a une température de flamme plus élevée. Ce changement se produit pendant l’auto-inflammation prémélangée et dans la zone d’auto-inflammation prémélangée debout près de la longueur de décollage de la flamme. La présence d’oxygène combustible dans ces zones riches augmente le rapport air / carburant, ce qui entraîne des températures nettement plus élevées et une augmentation des NOx dans des conditions de charge élevée.,
un autre effet de la chimie du combustible pourrait être l’amélioration de la formation de no prompt (ou Fenimore), qui peut représenter jusqu’à 30% de la formation de NOx dans certaines conditions (Miller& Bowman, 1989). Prompt No est formé par réaction d’espèces d’hydrocarbures radicalaires avec de l’azote, conduisant finalement à la formation de NO. Hess et coworkers (2005) ont noté que les composés insaturés peuvent former des niveaux plus élevés de radicaux pendant la pyrolyse et la combustion. Ils ont étudié le potentiel des additifs antioxydants piégeant les radicaux pour réduire les NOx., Certains antioxydants testés, mais pas tous, ont permis de réduire les émissions de NOx du moteur analysé.
Les NOx peuvent également être augmentés par une réponse mécanique ou électronique du système aux propriétés du biodiesel. Van Gerpen et ses collaborateurs ont postulé que les NOx peuvent augmenter à la suite d’un changement dans la synchronisation de l’injection de carburant causé par le module de compressibilité (ou vitesse du son) plus élevé du biodiesel par rapport au diesel de pétrole (tat & Van Gerpen, 2003; Monyem et al., 2001)., Cette différence de propriétés pourraient provoquer un transfert plus rapide de la pompe à carburant onde de pression de l’aiguille d’injecteur. Ce transfert modifié a provoqué un soulèvement plus précoce de l’aiguille et une petite avance dans le moment de l’injection qui pourrait expliquer une fraction de l’augmentation des NOx. Szybist et Boehman (2003) ont également examiné cet effet. Ils ont constaté que le soja B100 produit une avance de 1° dans le calendrier d’injection et une avance de près de 4° dans le début de la combustion., L’effet de module de masse semble s’appliquer aux systèmes d’injection de tuyère et d’Unité de conduite de pompe, mais pas aux systèmes à rampe commune à haute pression dans lesquels le « transfert rapide d’une onde de pression” ne se produit pas.
Eckerle et coworkers (2008) ont examiné la réponse du moteur des systèmes de commande mécaniques et électroniques au biodiesel de manière plus générale. Leur étude montre que, à des vitesses et des charges élevées, la combustion du biodiesel n’a aucun impact sur les NOx par rapport au carburant diesel conventionnel lorsque la combustion par flamme de diffusion est dominante., Cependant, la teneur en énergie volumétrique plus faible du biodiesel entraîne des modifications du débit EGR et d’autres paramètres, ce qui entraîne une augmentation de 3% à 4% des NOx dans ces conditions. À des vitesses plus basses et à des charges plus légères, lorsque la combustion prémélangée est dominante, les effets chimiques de la combustion du biodiesel ont entraîné une augmentation des NOx d’environ 5%. Cependant, le biodiesel a également modifié les paramètres du moteur de manière à réduire les NOx, de sorte que l’effet net a été inférieur à 1%. L’effet du biodiesel sur les NOx était inférieur à celui de la variation de la teneur aromatique du carburant diesel de 31,4% à 8,4%., De toute évidence, l’impact du biodiesel sur les émissions de NOx dépendra fortement de la conception du moteur, de l’architecture du système de contrôle et de l’étalonnage; ces facteurs expliquent probablement le large éventail d’impacts sur les émissions de NOx qui ont été observés lors d’essais moteurs à grande échelle.
Il est possible de calibrer les moteurs existants afin qu’ils n’aient pas d’impact négatif sur les émissions en réponse au biodiesel. Comme prévu, retarder le moment de l’injection peut réduire les NOx, avec une certaine perte d’efficacité pour la réduction des particules et une certaine réduction de l’économie de carburant., Par exemple, dans des études réalisées par Ortech (1995) et par Stotler et Human (1995), le retard du calendrier a entraîné une réduction des émissions de NOx et une augmentation des émissions de particules de B20 à environ 4% au-dessus du niveau de base du diesel. Fev Engine Technology (1994) a étudié la synchronisation de l’injection, la pression d’injection et L’EGR pour divers mélanges de biodiesel de soja avec du diesel par rapport à ceux du diesel conventionnel. Des niveaux de mélange relativement faibles de 10% à 30% d’ester méthylique de soja étaient plus sensibles aux changements des paramètres du moteur sur la carte du moteur que des mélanges élevés de 50% et 100%., Pour ces niveaux inférieurs de mélange de biodiesel, il était possible de réduire les NOx à des niveaux fixes de particules, mais pas de réduire simultanément les particules et les NOx en utilisant les changements de calage et de pression du moteur. Ireland et coworkers (2009) ont montré qu’il était possible d’augmenter le rendement énergétique et de maintenir les niveaux de particules en dessous de celui du diesel à base de pétrole, tout en réduisant les NOx en modifiant l’étalonnage du moteur pour augmenter les taux D’EGR et avancer le calage du moteur. L’optimisation des étalonnages des moteurs pour le fonctionnement sur le biodiesel pourrait être un domaine important de recherche future.