grundläggande studier av Biodiesel NOx-påverkan
NOx-bildning vid dieselförbränning sker främst via värmemekanismen, där kväve från förbränningsluften oxideras vid hög temperatur. Högre förbränningstemperaturer eller längre uppehållstid vid höga temperaturer leder till ökad NOx, och grundläggande studier om biodiesels effekt på NOx-utsläpp har fokuserat på hur biodiesel påverkar dessa faktorer., Forskning har visat att högre förbränningstemperaturer eller uppehållstider vid temperatur kan härröra från: (1) förbränningseffekter som uppstår i cylindern som ett direkt resultat av skillnader i bränslekemi (Mueller et al., 2009) och (2) motorresponseffekter, t.ex. ändringar i tidsschemat som orsakas av biodiesels olika mekaniska egenskaper eller ändringar i parameterinställningar som orsakas av motorns kontrollsystems reaktion på biodiesel (Eckerle et al., 2008).,
den omfattande studien av Mueller och medarbetare (2009) utvärderade många möjliga mekanismer som har föreslagits för att förklara hur sojabaserad biodieselförbränning påverkar NOx-utsläpp. En tidig hypotes var att närvaron av syre i biodiesel minskar i-cylinder sot produktion. Eftersom sot är en mycket effektiv värme radiator, kan minskningen av sot öka flamtemperaturen och därmed öka NOx (Cheng et al., 2006)., Genom att mäta strålningsvärmeförluster visar Mueller och medarbetare att strålningsvärmeöverföringen spelar en viktig roll i flamtemperaturen.det påverkar därför NOx-utsläpp men är inte direkt korrelerat till ökningar i NOx som observerats för B100.
Mueller och medarbetare (2009) visade också att förbränning vid lätt motorbelastning sker snabbare för biodiesel än för kolväten och att topptemperaturerna för bulkgas är högre och inträffar tidigare i motorcykeln., Eftersom NOx-produktionen gynnas vid högre temperaturer och dess termiska bildning sker vid reaktionshastigheter som är jämförbara med typiska motorförbränningstider, producerar de tidigare och varmare reaktionsscenarierna från B100 mer NOx. Men Mueller et al. kunde inte uppvisa liknande förbränningseffekter vid högre belastningar där mest NOx produceras, vilket tyder på att denna effekt inte är den främsta orsaken till det högre NOx som är förknippat med biodiesel.,
en annan tidig hypotes är att de dubbelbindningar som finns i biodiesel kan orsaka en högre adiabatisk flamma temperatur, vilket leder till en högre temperatur vid flammen framför diffusionsflamman. Denna hypotes överensstämmer med resultat som visar högre nivåer av NOx-utsläpp för biodiesel från mer omättade råvaror (McCormick et al., 2001). Cheng och medarbetare (2006) presenterar resultat av jämviktsberäkningar för metyloleat som motbevisar denna hypotes., Ban-Weiss och medarbetare (2007) utförde dock beräkningar av adiabatisk flamtemperatur baserat på kemiska kinetiska modeller och fann signifikanta effekter i samband med ombildning. Mueller och medarbetare (2009) granskade dessa beräkningar men fann att adiabatiska flamtemperaturer för biodiesel var lägre än för dieselliknande molekyler och drog slutsatsen att denna effekt inte kan orsaka högre NOx.,
vid höga belastningar, där de flesta NOx bildas, visar Mueller och medarbetare att biodiesel—och eventuellt andra oxygenerade bränslen-gör att reaktionsblandningen har en stökiometri närmare ett syreekvivalensförhållande på 1 och därmed har en högre flametemperatur. Denna förändring sker under förblandad autoignition och i den stående förblandade autoignition zonen nära lågan lyft-off längd. Närvaron av bränslesyre i dessa rika zoner ökar luft-bränsleförhållandet, vilket leder till betydligt högre temperaturer och ökad NOx under höga belastningsförhållanden.,
en annan bränslekemi effekt kan vara en förbättring av bildandet av prompt (eller Fenimore) nej, som kan stå för upp till 30% av NOx-bildning under vissa förhållanden (Miller & Bowman, 1989). Prompt NO bildas genom reaktion av radikala kolvätearter med kväve, vilket i slutändan leder till bildandet av NO. Hess och medarbetare (2005) noterade att omättade föreningar kan bilda högre nivåer av radikaler under pyrolys och förbränning. De undersökte potentialen hos radikala scavenging antioxidant tillsatser för att minska NOx., Några, men inte alla, testade antioxidanter visade sig minska NOx-utsläpp för motorn som analyserades.
NOx kan också ökas genom ett mekaniskt eller elektroniskt system svar på egenskaperna hos biodiesel. Van Gerpen och medarbetare har postulerat att NOx kan öka till följd av en förskjutning av bränsleinsprutningstidpunkten orsakad av den högre bulkmodulen för kompressibilitet (eller ljudets hastighet) av biodiesel i förhållande till petroleumdiesel (Tat & Van Gerpen, 2003; Monyem et al., 2001)., Denna skillnad i egenskaper kan orsaka en snabbare överföring av bränslepumpens tryckvåg till injektionsnålen. Denna förändrade överföring orsakade tidigare nållyft och ett litet förskott i injektionstidpunkten som kan utgöra en bråkdel av NOx-ökningen. Szybist och Boehman (2003) undersökte också denna effekt. De fann att soja B100 producerar ett 1° förskott i injektionstid och ett nästan 4° förskott i förbränningens början., Bulkmodulseffekten verkar vara tillämplig på pumpledningsmunstycke och enhetsinsprutningssystem, men inte på högtrycks common rail-system där ”snabb överföring av en tryckvåg” inte uppstår.
Eckerle och medarbetare (2008) undersökte motorsvaret hos mekaniska och elektroniska kontrollsystem på biodiesel mer generellt. Deras studie visar att biodieselförbränning vid höga hastigheter och belastningar inte har någon inverkan på NOx i förhållande till konventionellt dieselbränsle när diffusionsflammeförbränning dominerar., Den lägre volymetriska energihalten i biodiesel medför dock förändringar av EGR-flödet och andra parametrar, vilket resulterar i en ökning av NOx med 3% till 4% under dessa förhållanden. Vid lägre hastigheter och lättare belastningar, när förblandad förbränning dominerar, orsakade biodieselförbränningskemieffekter NOx att öka med cirka 5%. Biodiesel orsakade emellertid också att motorparametrarna förändrades på ett sätt som minskade NOx, så att nettoeffekten var mindre än 1%. Effekten av biodiesel på NOx var mindre än effekten av att variera den aromatiska halten av dieselbränsle från 31,4% till 8,4%., Biodiesels inverkan på kväveoxidutsläppen kommer helt klart att vara mycket beroende av motorns konstruktion, styrsystemens arkitektur och kalibrering.dessa faktorer svarar sannolikt för det breda spektrum av NOx-utsläppseffekter som har observerats vid fullskaliga motorprovningar.
det är möjligt att kalibrera befintliga motorer så att de inte har några negativa utsläppseffekter som svar på biodiesel. Som förväntat kan retarderande injektionstid minska NOx, med viss förlust av effektivitet för PM-minskning och viss minskning av bränsleekonomin., Till exempel i studier utförda av Ortech (1995) och av Stotler och Human (1995) resulterade retardering av tidpunkten i minskade NOx-utsläpp och ökade PM-utsläpp från B20 till cirka 4% över basdieselnivån. FEV Engine Technology (1994) undersökte injektionstid, injektionstryck och EGR för olika sojabiodieselblandningar med diesel i jämförelse med de för konventionell diesel. Relativt låga blandningsnivåer på 10% till 30% soy methylester var mer mottagliga för motorparameterförändringar över motorkartan än höga blandningar av 50% och 100%., För dessa lägre biodieselblandningsnivåer var det möjligt att sänka NOx vid fasta nivåer av PM, men inte att samtidigt minska PM och NOx med hjälp av motortider och tryckförändringar. Irland och medarbetare (2009) visade att det var möjligt att öka bränsleeffektiviteten och hålla PM-nivåerna under petroleumdiesel, samtidigt som NOx minskas genom att motorns kalibrering ändras för att öka EGR-priserna och förskottsmotortiden. Optimering av motorkalibreringar för användning på biodiesel kan vara ett viktigt område för framtida forskning.