Studi fondamentali di impatto Biodiesel NOx
La formazione di NOx nella combustione diesel avviene principalmente attraverso il meccanismo termico, dove l’azoto dall’aria di combustione viene ossidato ad alta temperatura. Temperature di combustione più elevate o tempi di permanenza più lunghi a temperature elevate portano ad un aumento degli NOx e studi fondamentali sull’effetto del biodiesel sulle emissioni di NOx si sono concentrati sul modo in cui il biodiesel influisce su questi fattori., La ricerca ha dimostrato che temperature di combustione più elevate o tempi di permanenza a temperatura possono originare per il biodiesel da: (1) effetti di combustione che si verificano nel cilindro come risultato diretto di differenze nella chimica del carburante (Mueller et al., 2009) e (2) effetti di risposta del motore, come cambiamenti nella temporizzazione causati dalle diverse proprietà meccaniche del biodiesel o cambiamenti nelle impostazioni dei parametri causati dalla risposta del sistema di controllo del motore al biodiesel (Eckerle et al., 2008).,
Lo studio completo di Mueller e colleghi (2009) ha valutato molti possibili meccanismi che sono stati proposti per spiegare come la combustione del biodiesel derivato dalla soia influisce sulle emissioni di NOx. Una prima ipotesi era che la presenza di ossigeno nel biodiesel riduce la produzione di fuliggine in bombola. Poiché la fuliggine è un radiatore di calore altamente efficace, la riduzione della fuliggine potrebbe aumentare la temperatura della fiamma e quindi aumentare NOx (Cheng et al., 2006)., Misurando la perdita di calore radiante, Mueller e colleghi mostrano che il trasferimento di calore radiante svolge un ruolo significativo nella temperatura della fiamma; quindi, influisce sulle emissioni di NOx ma non è direttamente correlato agli aumenti di NOx osservati per B100.
Mueller e colleghi (2009) hanno anche dimostrato che, a carico leggero del motore, la combustione avviene più velocemente per il biodiesel che per gli idrocarburi e che le temperature massime del gas di massa sono più alte e si verificano prima nel ciclo del motore., Poiché la produzione di NOx è favorita a temperature più elevate e la sua formazione termica avviene a velocità di reazione paragonabili ai tempi di combustione tipici del motore, gli scenari di reazione precedenti e più caldi di B100 producono più NOx. Tuttavia, Mueller et al. non sono stati in grado di mostrare effetti di combustione simili a carichi più elevati in cui viene prodotto il maggior numero di NOx, suggerendo che questo effetto non è la ragione principale per l’aumento di NOx associato al biodiesel.,
Un’altra ipotesi iniziale è che i doppi legami presenti nel biodiesel possano causare una maggiore temperatura della fiamma adiabatica, portando ad una temperatura più elevata sul fronte della fiamma della fiamma di diffusione. Questa ipotesi è coerente con i risultati che mostrano livelli più elevati di emissioni di NOx per il biodiesel da materie prime più altamente insature (McCormick et al., 2001). Cheng e colleghi (2006) presentano i risultati dei calcoli di equilibrio per l’oleato di metile che confutano questa ipotesi., Tuttavia, Ban-Weiss e colleghi (2007) hanno eseguito calcoli della temperatura della fiamma adiabatica basati su modelli cinetici chimici e hanno riscontrato impatti significativi associati all’insaturazione. Mueller e colleghi (2009) hanno rivisitato questi calcoli, ma hanno scoperto che le temperature della fiamma adiabatica per il biodiesel erano inferiori a quelle delle molecole simili al diesel e concludono che questo effetto non può essere la causa di NOx più elevati.,
A carichi elevati, dove si forma la maggior parte degli NOx, Mueller e colleghi mostrano che il biodiesel—e possibilmente altri combustibili ossigenati—fa sì che la miscela reagente abbia una stechiometria più vicina a un rapporto di equivalenza dell’ossigeno di 1 e, quindi, abbia una temperatura di fiamma più elevata. Questa modifica si verifica durante l’autoaccensione premiscelata e nella zona di autoaccensione premiscelata in piedi vicino alla lunghezza di spegnimento della fiamma. La presenza di ossigeno combustibile in queste zone ricche aumenta il rapporto aria-carburante, portando a temperature significativamente più elevate e ad un aumento di NOx in condizioni di carico elevato.,
Un altro effetto chimico del combustibile potrebbe essere il miglioramento della formazione di prompt (o Fenimore) NO, che può rappresentare fino al 30% della formazione di NOx in alcune condizioni (Miller& Bowman, 1989). Il prompt NO è formato dalla reazione di specie di idrocarburi radicali con azoto, portando infine alla formazione di NO. Hess e colleghi (2005) hanno notato che i composti insaturi possono formare livelli più elevati di radicali durante la pirolisi e la combustione. Hanno studiato il potenziale degli additivi antiossidanti radicali per ridurre gli NOx., Alcuni, ma non tutti, gli antiossidanti testati hanno dimostrato di ridurre le emissioni di NOx per il motore in analisi.
NOx può anche essere aumentato da una risposta meccanica o elettronica del sistema alle proprietà del biodiesel. Van Gerpen e collaboratori hanno postulato che gli NOx possono aumentare come risultato di uno spostamento dei tempi di iniezione del carburante causato dal più alto modulo di compressibilità (o velocità del suono) del biodiesel rispetto al diesel del petrolio (Tat & Van Gerpen, 2003; Monyem et al., 2001)., Questa differenza di proprietà potrebbe causare un trasferimento più rapido dell’onda di pressione della pompa del carburante all’ago dell’iniettore. Questo trasferimento alterato ha causato un precedente sollevamento dell’ago e un piccolo anticipo nella tempistica di iniezione che potrebbe rappresentare una frazione dell’aumento di NOx. Anche Szybist e Boehman (2003) hanno esaminato questo effetto. Hanno scoperto che la soia B100 produce un anticipo di 1° nei tempi di iniezione e un anticipo di quasi 4° nell’inizio della combustione., L’effetto bulk modulus sembra essere applicabile agli ugelli della linea pompa e ai sistemi di iniezione dell’unità, ma non ai sistemi common rail ad alta pressione in cui non si verifica il “trasferimento rapido di un’onda di pressione”.
Eckerle e colleghi (2008) hanno esaminato la risposta del motore dei sistemi di controllo meccanici ed elettronici al biodiesel più in generale. Il loro studio mostra che, a velocità e carichi elevati, la combustione del biodiesel non ha alcun impatto sugli NOx rispetto al gasolio convenzionale quando la combustione a fiamma di diffusione è dominante., Tuttavia, il minor contenuto energetico volumetrico di biodiesel causa modifiche al flusso EG e ad altri parametri, con un conseguente aumento di NOx dal 3% al 4% in queste condizioni. A velocità inferiori e carichi più leggeri, quando la combustione premiscelata è dominante, gli effetti chimici della combustione del biodiesel hanno causato un aumento di NOx di circa il 5%. Tuttavia, il biodiesel ha anche causato la modifica dei parametri del motore in modo da ridurre gli NOx, in modo che l’effetto netto fosse inferiore all ‘ 1%. L’effetto del biodiesel sugli NOx è stato inferiore all’effetto della variazione del contenuto aromatico del gasolio dal 31,4% all ‘ 8,4%., Chiaramente l’impatto del biodiesel sulle emissioni di NOx dipenderà fortemente dalla progettazione del motore, dall’architettura del sistema di controllo e dalla taratura; questi fattori probabilmente spiegano l’ampia gamma di impatti sulle emissioni di NOx osservati nelle prove su vasta scala sui motori.
È possibile calibrare i motori esistenti in modo che non abbiano alcun impatto negativo sulle emissioni in risposta al biodiesel. Come previsto, ritardare i tempi di iniezione può ridurre gli NOx, con una certa perdita di efficacia per la riduzione del PM e una certa riduzione del risparmio di carburante., Ad esempio, in studi condotti da Ortech (1995) e da Stotler e Human (1995), ritardare i tempi ha portato a ridurre le emissioni di NOx e ad aumentare le emissioni di PM da B20 a circa il 4% al di sopra del livello base del diesel. FEV Engine Technology (1994) ha studiato i tempi di iniezione, la pressione di iniezione e l’R per varie miscele di biodiesel di soia con diesel rispetto a quelle per il diesel convenzionale. I livelli relativamente bassi di miscelazione di 10% – 30% l’estere metilico della soia erano più rispondenti ai cambiamenti di parametro del motore sopra la mappa del motore che le alte miscele di 50% e di 100%., Per questi livelli più bassi di miscela di biodiesel, è stato possibile abbassare NOx a livelli fissi di PM, ma non ridurre contemporaneamente PM e NOx utilizzando la fasatura del motore e le variazioni di pressione. L’Irlanda e i colleghi (2009) hanno dimostrato che era possibile aumentare l’efficienza del carburante e mantenere i livelli di PM al di sotto di quelli del gasolio, riducendo al contempo gli NOx modificando la taratura del motore per aumentare i tassi di EG e far avanzare la fasatura del motore. L’ottimizzazione delle calibrazioni dei motori per il funzionamento su biodiesel può essere un’area importante della ricerca futura.