podstawowe badania wpływu Nox biodiesla
powstawanie NOx w spalaniu oleju napędowego następuje głównie za pośrednictwem mechanizmu termicznego, w którym azot z powietrza spalania jest utleniany w wysokiej temperaturze. Wyższe temperatury spalania lub dłuższy czas przebywania w wysokich temperaturach prowadzą do wzrostu NOx, a podstawowe badania nad wpływem biodiesla na emisje NOx skupiły się na tym, jak biodiesel wpływa na te czynniki., Badania wykazały, że wyższe temperatury spalania lub czas przebywania w temperaturze może pochodzić dla biodiesla z: (1) efekty spalania, które występują w cylindrze jako bezpośredni wynik różnic w chemii paliwa (Mueller et al., 2009) i (2) efekty reakcji silnika, takie jak zmiany w czasie spowodowane różnymi właściwościami mechanicznymi biodiesla lub zmiany ustawień parametrów spowodowane reakcją układu sterowania silnikiem na biodiesel (Eckerle et al., 2008).,
kompleksowe badanie Muellera i współpracowników (2009) oceniło wiele możliwych mechanizmów, które zaproponowano w celu wyjaśnienia, w jaki sposób spalanie biodiesla pochodzącego z soi wpływa na emisję NOx. Wczesna hipoteza była taka, że obecność tlenu w biodieslu zmniejsza produkcję sadzy w cylindrach. Ponieważ sadza jest bardzo skutecznym grzejnikiem, zmniejszenie sadzy może zwiększyć temperaturę płomienia, a tym samym zwiększyć NOx (Cheng et al., 2006)., Mierząc straty promieniowania cieplnego, Mueller i współpracownicy pokazują, że radiacyjny transfer ciepła odgrywa znaczącą rolę w temperaturze płomienia; w związku z tym wpływa na emisję NOx, ale nie jest bezpośrednio skorelowany ze wzrostem NOx obserwowanym dla B100.
Mueller i współpracownicy (2009) wykazali również, że przy niewielkim obciążeniu silnika spalanie następuje szybciej w przypadku biodiesla niż w przypadku węglowodorów, a szczytowe temperatury gazu masowego są wyższe i występują wcześniej w cyklu silnika., Ponieważ produkcja NOx jest preferowana w wyższych temperaturach, a jej tworzenie termiczne odbywa się z szybkością reakcji porównywalną z typowymi czasami spalania w silniku, wcześniejsze i cieplejsze scenariusze reakcji B100 wytwarzają więcej NOx. Jednak Mueller et al. nie były w stanie wykazać podobnych efektów spalania przy wyższych obciążeniach, gdzie powstaje najwięcej NOx, co sugeruje, że efekt ten nie jest główną przyczyną wyższych NOx związanych z biodieslem.,
inną wczesną hipotezą jest to, że podwójne wiązania obecne w biodiesel może powodować wyższą temperaturę płomienia adiabatycznego, co prowadzi do wyższej temperatury w płomieniu przed płomieniem dyfuzyjnym. Hipoteza ta jest zgodna z wynikami wykazującymi wyższe poziomy emisji NOx dla biodiesla z bardziej wysoko nienasyconych surowców (McCormick et al., 2001). Cheng i współpracownicy (2006) przedstawiają wyniki obliczeń równowagi oleinianu metylu, które obalają tę hipotezę., Jednak Ban-Weiss i współpracownicy (2007) przeprowadzili obliczenia adiabatycznej temperatury płomienia na podstawie chemicznych modeli kinetycznych i odkryli znaczące skutki związane z nienasyceniem. Mueller i współpracownicy (2009) zrewidowali te obliczenia, ale stwierdzili, że adiabatyczne temperatury płomienia dla biodiesla były niższe niż dla cząsteczek podobnych do oleju napędowego i doszli do wniosku, że ten efekt nie może być przyczyną wyższych NOx.,
przy dużych obciążeniach, gdzie powstaje większość NOx, Mueller i współpracownicy pokazują, że biodiesel—i ewentualnie inne paliwa utlenione—powoduje, że reagująca mieszanina ma stechiometrię bliżej stosunku równoważności tlenu 1, a tym samym ma wyższą temperaturę płomienia. Zmiana ta występuje podczas wstępnie zmieszanego autoognicji oraz w strefie stojącej wstępnie zmieszanego autoognicji w pobliżu długości podnoszenia płomienia. Obecność tlenu paliwa w tych bogatych strefach zwiększa stosunek powietrza do paliwa, co prowadzi do znacznie wyższych temperatur i wzrostu NOx w warunkach dużego obciążenia.,
innym efektem chemicznym paliwa może być wzmocnienie tworzenia się prompt (lub Fenimore) NO, które może stanowić do 30% tworzenia NOx w pewnych warunkach (Miller & Bowman, 1989). Prompt NO powstaje w wyniku reakcji rodnikowych gatunków węglowodorów z azotem, ostatecznie prowadząc do powstania NO. Hess i współpracownicy (2005) zauważyli, że związki nienasycone mogą tworzyć wyższe poziomy rodników podczas pirolizy i spalania. Badali potencjał rodnikowych dodatków przeciwutleniających do redukcji NOx., Wykazano, że niektóre, ale nie wszystkie, przeciwutleniacze zmniejszają emisję NOx dla analizowanego silnika.
Van Gerpen i współpracownicy postulowali, że NOx może wzrosnąć w wyniku zmiany czasu wtrysku paliwa spowodowanej wyższym masowym modułem ściśliwości (lub prędkości dźwięku) biodiesla w stosunku do oleju napędowego z ropy naftowej (Tat & Van Gerpen, 2003; Monyem et al., 2001)., Ta różnica właściwości może spowodować szybsze przeniesienie fali ciśnienia pompy paliwa do igły wtryskiwacza. To zmienione przeniesienie spowodowało wcześniejsze uniesienie igły i niewielki postęp w czasie wstrzykiwania, który może stanowić ułamek wzrostu NOx. Efekt ten badali również Szybist i Boehman (2003). Okazało się, że soja B100 wytwarza 1° wyprzedzenie wtrysku i prawie 4° wyprzedzenie na początku spalania., Efekt modułu masowego wydaje się mieć zastosowanie do dysz linii pomp i układów wtrysku jednostkowego, ale nie do wysokociśnieniowych systemów common rail, w których nie występuje „szybkie przenoszenie fali ciśnienia”.
Eckerle i współpracownicy (2008) zbadali reakcję silników mechanicznych i elektronicznych układów sterowania na bardziej ogólny biodiesel. Ich badanie pokazuje, że przy dużych prędkościach i obciążeniach spalanie biodiesla nie ma wpływu na NOx w porównaniu z konwencjonalnym olejem napędowym, gdy dominuje spalanie płomieniem dyfuzyjnym., Jednak niższa objętościowa zawartość energetyczna biodiesla powoduje zmiany w przepływie EGR i innych parametrach, powodując wzrost NOx o 3% do 4% w tych warunkach. Przy niższych prędkościach i lżejszych obciążeniach, gdy dominuje spalanie mieszane, efekty chemii spalania biodiesla spowodowały wzrost NOx o około 5%. Biodiesel spowodował jednak również zmianę parametrów silnika w sposób obniżający NOx, tak że efekt netto wynosił mniej niż 1%. Wpływ biodiesla na NOx był mniejszy niż wpływ zmiany zawartości aromatycznej oleju napędowego z 31,4% do 8,4%., Oczywiście wpływ biodiesla na emisje NOx będzie w dużym stopniu zależał od konstrukcji silnika, architektury układu sterowania i kalibracji; czynniki te prawdopodobnie odpowiadają za szeroki zakres wpływu emisji NOx, który zaobserwowano w badaniach silników na pełną skalę.
istnieje możliwość kalibracji istniejących silników tak, aby nie miały negatywnego wpływu na emisję w reakcji na biodiesel. Zgodnie z oczekiwaniami, opóźniony czas wtrysku może zmniejszyć NOx, z pewną utratą skuteczności redukcji cząstek stałych i pewnym zmniejszeniem zużycia paliwa., Na przykład, w badaniach przeprowadzonych przez Ortech (1995) i przez Stotler and Human (1995), opóźnienie czasu spowodowało zmniejszenie emisji NOx i zwiększenie emisji PM z B20 do około 4% powyżej podstawowego poziomu oleju napędowego. FEV Engine Technology (1994) badała czas wtrysku, ciśnienie wtrysku i EGR dla różnych mieszanek biodiesla sojowego z olejem napędowym w porównaniu do konwencjonalnego oleju napędowego. Stosunkowo niskie poziomy mieszania 10% do 30% estru metylowego soi były bardziej wrażliwe na zmiany parametrów silnika na mapie silnika niż wysokie mieszanki 50% i 100%., W przypadku tych niższych poziomów mieszanek biodiesla możliwe było obniżenie NOx przy ustalonych poziomach cząstek stałych, ale nie jednoczesne zmniejszenie cząstek stałych i NOx przy użyciu zmian rozrządu i ciśnienia w silniku. Irlandia i współpracownicy (2009) wykazały, że możliwe jest zwiększenie efektywności paliwowej i utrzymanie poziomów PM poniżej poziomu oleju napędowego z ropy naftowej, przy jednoczesnym zmniejszeniu NOx poprzez zmianę kalibracji silnika w celu zwiększenia szybkości EGR i przyspieszenia rozrządu silnika. Optymalizacja kalibracji silnika do pracy na biodiesel może być ważnym obszarem przyszłych badań.