fundamentele Studies naar de impact van biodiesel NOx
NOx-vorming bij de verbranding van diesel vindt voornamelijk plaats via het thermische mechanisme, waarbij stikstof uit de verbrandingslucht bij hoge temperatuur wordt geoxideerd. Hogere verbrandingstemperaturen of langere verblijftijd bij hoge temperaturen leiden tot hogere NOx-emissies, en fundamentele studies naar het effect van biodiesel op NOx-emissies hebben zich toegespitst op de wijze waarop biodiesel deze factoren beïnvloedt., Onderzoek heeft aangetoond dat hogere verbrandingstemperaturen of verblijfstijden bij temperatuur voor biodiesel kunnen ontstaan uit: (1) verbrandingseffecten die optreden in de cilinder als direct gevolg van verschillen in brandstofchemie (Mueller et al., 2009) en (2) effecten van de motorrespons, zoals veranderingen in de timing als gevolg van de verschillende mechanische eigenschappen van biodiesel of veranderingen in de parameterinstellingen als gevolg van de reactie van het motorbesturingssysteem op biodiesel (Eckerle et al., 2008).,
in de uitgebreide studie van Mueller and coworkers (2009) werden vele mogelijke mechanismen geëvalueerd die zijn voorgesteld om uit te leggen hoe soja-afgeleide biodieselverbranding NOx-emissies beïnvloedt. Een vroege hypothese was dat de aanwezigheid van zuurstof in biodiesel vermindert in-cilinder roet productie. Omdat roet een zeer effectieve warmtestraler is, kan de vermindering van roet de vlamtemperatuur verhogen en dus NOx verhogen (Cheng et al., 2006)., Door het meten van het stralingswarmteverlies tonen Mueller en zijn collega ‘ s aan dat de overdracht van stralingswarmte een belangrijke rol speelt bij de vlamtemperatuur; het beïnvloedt dus de NOx-uitstoot, maar is niet direct gecorreleerd met de toename van NOx die voor B100 wordt waargenomen.
Mueller and coworkers (2009) toonden ook aan dat bij lichte motorbelasting de verbranding van biodiesel sneller plaatsvindt dan van koolwaterstoffen en dat de piektemperatuur van bulkgas hoger is en eerder in de motorcyclus optreedt., Aangezien de NOx-productie de voorkeur geniet bij hogere temperaturen en de thermische vorming ervan plaatsvindt bij reactiesnelheden die vergelijkbaar zijn met de typische verbrandingstijden van de motor, produceren de eerdere en warmere reactiescenario ‘ s van B100 meer NOx. Echter, Mueller et al. niet in staat waren vergelijkbare verbrandings-effecten aan te tonen bij hogere belastingen waar de meeste NOx wordt geproduceerd, wat erop wijst dat dit effect niet de belangrijkste reden is voor de hogere NOx in verband met biodiesel.,een andere vroege hypothese is dat de dubbele bindingen in biodiesel een hogere adiabatische vlamtemperatuur kunnen veroorzaken, wat leidt tot een hogere temperatuur aan de voorkant van de diffusievlam. Deze hypothese is consistent met de resultaten die hogere niveaus van NOx-emissies voor biodiesel uit meer sterk onverzadigde grondstoffen laten zien (McCormick et al., 2001). Cheng and coworkers (2006) presenteren resultaten van evenwichtsberekeningen voor methyloleaat die deze hypothese weerleggen., Ban-Weiss and coworkers (2007) voerden echter berekeningen uit van de adiabatische vlamtemperatuur op basis van chemische kinetische modellen en vonden significante effecten geassocieerd met onverzadiging. Mueller and coworkers (2009) herbekeken deze berekeningen, maar vond dat adiabatische vlamtemperaturen voor biodiesel waren lager dan voor diesel-achtige moleculen en concluderen dat dit effect niet de oorzaak van hogere NOx.,bij hoge belastingen, waar de meeste NOx wordt gevormd, tonen Mueller en collega ‘ s aan dat biodiesel—en mogelijk andere zuurstofhoudende brandstoffen—ervoor zorgt dat het reagerende mengsel een stoichiometrie heeft die dichter bij een zuurstof equivalentieverhouding van 1 ligt en dus een hogere vlamtemperatuur heeft. Deze verandering treedt op tijdens voorgemengde auto-ontsteking en in de staande voorgemengde auto-ontsteking zone in de buurt van de vlamliftlengte. De aanwezigheid van brandstofzuurstof in deze rijke zones verhoogt de lucht-brandstofverhouding, wat leidt tot aanzienlijk hogere temperaturen en verhoogde NOx onder hoge belastingomstandigheden.,
een ander scheikundig effect in de splijtstof zou de versterking kunnen zijn van de vorming van prompt (of Fenimore) NO, die onder bepaalde omstandigheden tot 30% van de NOx-vorming kan uitmaken (Miller & Bowman, 1989). Prompt NO wordt gevormd door reactie van radicale koolwaterstofsoorten met stikstof, wat uiteindelijk leidt tot de vorming van NO. Hess and coworkers (2005) merkte op dat onverzadigde verbindingen hogere niveaus van radicalen kunnen vormen tijdens pyrolyse en verbranding. Zij onderzochten het potentieel van radicale antioxidantadditieven om NOx te verminderen., Sommige, maar niet alle geteste antioxidanten bleken de NOx-emissies voor de onderzochte motor te verminderen.
NOx kan ook worden verhoogd door een mechanische of elektronische systeemrespons op de eigenschappen van biodiesel. Van Gerpen en zijn medewerkers hebben gesteld dat NOx kan toenemen als gevolg van een verschuiving in de brandstofinjectietijden veroorzaakt door de hogere bulkmodulus van samendrukbaarheid (of geluidssnelheid) van biodiesel ten opzichte van petroleumdiesel (Tat & Van Gerpen, 2003; Monyem et al., 2001)., Dit verschil in eigenschappen kan een snellere overdracht van de drukgolf van de brandstofpomp naar de injectienaald veroorzaken. Deze veranderde overdracht veroorzaakte een eerdere naaldlift en een kleine vooruitgang in de injectietijd die een fractie van de NOx-toename zou kunnen verklaren. Szybist and Boehman (2003) onderzocht ook dit effect. Ze vonden dat soja B100 een 1° vooruitgang in injectie timing en een bijna 4° vooruitgang in het begin van de verbranding produceert., Het bulk modulus-effect lijkt van toepassing te zijn op pomplijn-mondstuk en unit injectiesystemen, maar niet op hogedruk common rail systemen waarbij de “snelle overdracht van een drukgolf” niet optreedt.
Eckerle en collega ‘ s (2008) onderzochten de motorrespons van mechanische en elektronische regelsystemen op biodiesel meer in het algemeen. Uit hun studie blijkt dat biodieselverbranding bij hoge snelheden en belastingen geen invloed heeft op NOx in vergelijking met conventionele dieselbrandstof wanneer diffusievlamverbranding dominant is., De lagere volumetrische energie-inhoud van biodiesel leidt echter tot veranderingen in de EGR-stroom en andere parameters, waardoor de NOx onder deze omstandigheden met 3 tot 4% toeneemt. Bij lagere snelheden en lichtere belastingen, wanneer voorgemengde verbranding dominant is, hebben de chemische effecten van de biodieselverbranding de NOx met ongeveer 5% doen toenemen. Biodiesel zorgde er echter ook voor dat de motorparameters zodanig veranderden dat de NOx verminderde, zodat het netto-effect minder dan 1% bedroeg. Het effect van biodiesel op NOx was minder dan het effect van een variatie van het aromatische gehalte van dieselbrandstof van 31,4% tot 8,4%., Het is duidelijk dat het effect van biodiesel op de NOx-emissies in hoge mate zal afhangen van het ontwerp van de motor, de architectuur van het controlesysteem en de kalibratie; deze factoren zijn waarschijnlijk verantwoordelijk voor de brede waaier van NOx-emissie-effecten die bij volledige motortests zijn waargenomen.
bestaande motoren kunnen zo worden gekalibreerd dat zij geen negatief effect hebben op de emissie van biodiesel. Zoals verwacht kan vertragende inspuittijd de NOx verminderen, met enige vermindering van de effectiviteit voor de vermindering van deeltjesemissies en enige vermindering van het brandstofverbruik., Bijvoorbeeld, in studies uitgevoerd door Ortech (1995) en door Stotler and Human (1995), resulteerde het vertragen van de timing in een vermindering van de NOx-emissies en een toename van de PM-emissies van B20 tot ongeveer 4% boven het basisdieselniveau. FEV Engine Technology (1994) onderzocht injectie timing, injectiedruk en EGR voor verschillende soja biodiesel mengsels met diesel in vergelijking met die voor conventionele diesel. Relatief lage mengniveaus van 10% tot 30% soja – methylester reageerden beter op motorparameterveranderingen op de motorkaart dan hoge mengsels van 50% en 100%., Voor deze lagere niveaus van biodieselmengsel was het mogelijk om NOx te verlagen bij vaste niveaus van PM, maar niet om tegelijkertijd PM en NOx te verminderen door middel van motortijd-en drukveranderingen. Ierland en collega ‘ s (2009) toonden aan dat het mogelijk was om de brandstofefficiëntie te verhogen en de PM-niveaus onder die van petroleumdiesel te houden, terwijl NOx wordt verminderd door de motorkalibratie te wijzigen om de EGR-tarieven en de voortschrijdende motortijd te verhogen. Optimalisatie van motorkalibraties voor gebruik op biodiesel kan een belangrijk gebied van toekomstig onderzoek zijn.