Estudos Fundamentais de Biodiesel NOx Impacto
de formação de NOx, diesel, a combustão ocorre principalmente através do mecanismo térmico, onde o nitrogênio do ar de combustão é oxidado a uma temperatura alta. Temperaturas de combustão mais elevadas ou tempo de residência mais longo em altas temperaturas levam ao aumento dos NOx, e estudos fundamentais sobre o efeito do biodiesel nas emissões de NOx têm focado em como o biodiesel afeta esses fatores., A pesquisa mostrou que temperaturas de combustão mais elevadas ou tempos de residência à temperatura podem originar biodiesel a partir de: (1) Efeitos de combustão que ocorrem no cilindro como resultado direto de diferenças na química dos combustíveis (Mueller et al., 2009) e (2) Efeitos de resposta do motor, tais como alterações no timing causadas pelas diferentes propriedades mecânicas do biodiesel ou alterações nas definições de parâmetros causadas pela resposta do sistema de controlo do motor ao biodiesel (Eckerle et al., 2008).,
o estudo abrangente de Mueller e colegas de trabalho (2009) avaliou muitos mecanismos possíveis que foram propostos para explicar como a combustão de biodiesel derivado de soja afeta as emissões de NOx. Uma hipótese inicial era que a presença de oxigênio no biodiesel reduz a produção de fuligem no cilindro. Como a fuligem é um radiador de calor altamente eficaz, a redução da fuligem pode aumentar a temperatura da chama e, assim, aumentar os NOx (Cheng et al., 2006)., Ao medir a perda de calor radiante, Mueller e colegas de trabalho mostram que a transferência de calor radiante desempenha um papel significativo na temperatura da chama; portanto, afeta as emissões de NOx, mas não está diretamente correlacionada com o aumento de NOx observado para B100.Mueller and coworkers (2009) also showed that, at light engine load, combustion occurs faster for biodiesel than for hydrocarbons and that peak bulk gas temperatures are higher and occur earlier in the engine cycle., Uma vez que a produção de NOx é favorecida a temperaturas mais elevadas e a sua formação térmica ocorre a taxas de reação comparáveis aos tempos típicos de combustão do motor, os cenários de reação mais antigos e mais quentes de B100 produzem mais NOx. No entanto, Mueller et al. não foram capazes de demonstrar efeitos de combustão semelhantes a cargas mais elevadas em que é produzido o maior número de NOx, sugerindo que este efeito não é a principal razão para o maior número de NOx associado ao biodiesel.,
outra hipótese inicial é que as ligações duplas presentes no biodiesel podem causar uma maior temperatura adiabática da chama, levando a uma maior temperatura na frente da chama de difusão. Esta hipótese é consistente com os resultados que mostram níveis mais elevados de emissões de NOx para o biodiesel proveniente de matérias-primas mais insaturadas (McCormick et al., 2001). Cheng and coworkers (2006) present results of equilibrium calculations for methyl oleate that refute this hypothesis., No entanto, Ban-Weiss e colegas de trabalho (2007) realizaram cálculos da temperatura da chama adiabática com base em modelos cinéticos químicos e encontraram impactos significativos associados com a não-maturação. Mueller e colegas de trabalho (2009) revisitaram estes cálculos, mas descobriram que as temperaturas adiabáticas da chama para o biodiesel eram mais baixas do que para as moléculas do tipo diesel e concluíram que este efeito não pode ser a causa de NOx mais elevados.,
Em altas cargas, onde a maioria dos NOx é formado, Mueller e colegas de trabalho mostram que o biodiesel—e, possivelmente, outros combustíveis oxigenados—faz com que reage a mistura para ter uma estequiometria mais perto de oxigênio equivalência proporção de 1 e, portanto, ter uma maior temperatura de chama. Esta alteração ocorre durante a auto-ignição pré-misturada e na zona de auto-ignição Standing pré-misturada próxima do comprimento do lift-off da chama. A presença de oxigénio no combustível nestas zonas ricas aumenta a razão ar / combustível, conduzindo a temperaturas significativamente mais elevadas e ao aumento dos NOx em condições de carga elevada.,
outro efeito de química do combustível pode ser o aumento da formação de prompt (ou Fenimore) NO, que pode ser responsável por até 30% da formação de NOx sob algumas condições (Miller & Bowman, 1989). Prompt NO is formed by reaction of radical hydrocarbon species with nitrogen, ultimately leading to the formation of NO. Hess and Co-operators (2005) noted that unsaturated compounds may form higher levels of radicals during pyrolysis and combustion. Investigaram o potencial de eliminação de aditivos antioxidantes radicais para reduzir os NOx., Alguns, mas não todos, antioxidantes testados mostraram reduzir as emissões de NOx para o motor em análise.os NOx podem também ser aumentados através de uma resposta mecânica ou electrónica às propriedades do biodiesel. Van Gerpen e colaboradores postularam que a NOx pode aumentar como resultado de uma mudança na regulação da injecção de combustível, causada pelo aumento da massa módulo de compressibilidade (ou a velocidade do som) de biodiesel em relação ao diesel de petróleo (Tat & Van Gerpen, 2003; Monyem et al., 2001)., Esta diferença de propriedades pode causar uma transferência mais rápida da onda de pressão da bomba de combustível para a agulha injector. Esta transferência alterada causou uma elevação mais precoce da agulha e um pequeno avanço na regulação da injecção que pode explicar uma fracção do aumento de NOx. Szybist e Boehman (2003) também examinaram este efeito. Eles descobriram que a soja B100 produz um avanço de 1° no tempo de injeção e um avanço de quase 4° no início da combustão., O efeito do módulo de elasticidade A Granel parece ser aplicável aos sistemas de tubeira da linha de bomba e de injeção unitária, mas não aos sistemas ferroviários comuns de alta pressão nos quais não ocorre a “transferência rápida de uma onda de pressão”.
Eckerle e colegas de trabalho (2008) examinaram a resposta do motor dos sistemas de controlo mecânico e electrónico ao biodiesel de uma forma mais geral. Seu estudo mostra que, em altas velocidades e cargas, a combustão de biodiesel não tem impacto no NOx em relação ao combustível diesel convencional, quando a combustão de chama de difusão é dominante., No entanto, o teor energético volumétrico mais baixo do biodiesel provoca alterações no fluxo de EGR e noutros parâmetros, resultando num aumento de 3% a 4% do NOx nestas condições. A velocidades mais baixas e cargas mais leves, quando a combustão pré-misturada é dominante, os efeitos químicos da combustão do biodiesel causaram um aumento de NOx de cerca de 5%. No entanto, o biodiesel também causou a alteração dos parâmetros do motor de uma forma que reduziu o NOx, de modo que o efeito líquido foi inferior a 1%. O efeito do biodiesel sobre os NOx foi inferior ao efeito de variar o teor aromático do gasóleo de 31,4% para 8,4%., É evidente que o impacto do biodiesel nas emissões de NOx dependerá em grande medida da concepção do motor, da arquitectura do sistema de controlo e da calibração; estes factores são provavelmente responsáveis pela vasta gama de impactos das emissões de NOx que foram observados nos ensaios de motores em grande escala.é possível calibrar os motores existentes para que não tenham impacto negativo nas emissões em resposta ao biodiesel. Como esperado, retardar o tempo de injeção pode reduzir o NOx, com alguma perda de eficácia para a redução de partículas e alguma redução na economia de combustível., Por exemplo, em estudos realizados por Ortech (1995) e por Stotler e Human (1995), retardar o calendário resultou na redução das emissões de NOx e no aumento das emissões de partículas de B20 para cerca de 4% acima do nível do diesel de base. A tecnologia de motores FEV (1994) investigou o tempo de injeção, pressão de injeção e EGR para várias misturas de biodiesel de soja com diesel, em comparação com as para diesel convencional. Níveis relativamente baixos de mistura de 10% a 30% de éster metílico de soja foram mais sensíveis às alterações dos parâmetros do motor no mapa do motor do que misturas elevadas de 50% e 100%., Para estes níveis de mistura de biodiesel mais baixos, foi possível reduzir os NOx a níveis fixos de PM, mas não reduzir simultaneamente as PM e NOx utilizando o tempo do motor e as alterações de pressão. A Irlanda e os colegas de trabalho (2009) mostraram que era possível aumentar a eficiência do combustível e manter os níveis de partículas abaixo dos níveis do gasóleo de petróleo, reduzindo simultaneamente os NOx alterando a calibração do motor para aumentar as taxas de EGR e antecipar o tempo do motor. Otimização de calibrações de motores para operação em biodiesel pode ser uma área importante de pesquisa futura.