Stikstofoxiden (NOx) zijn enkele van de belangrijkste verontreinigende stoffen in onze atmosfeer - ze dragen bij aan de vorming van smog, zure regen en ozon op leefniveau. Daarom, verbrandingsonderzoekers en motorfabrikanten werken sinds de jaren tachtig om te begrijpen hoe deze gassen tijdens verbranding worden geproduceerd, zodat ze manieren kunnen vinden om ze te verminderen.

In een nieuw overzichtsartikel gepubliceerd in Vooruitgang in energie- en verbrandingswetenschap , Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en de Technische Universiteit van Denemarken leggen uit hoe ze meer dan een decennium aan verbrandingsstudies hebben gesynthetiseerd om een ​​nieuw overkoepelend model te creëren van hoe stikstofoxiden worden geproduceerd.

"Ons begrip van hoe deze verontreinigende stoffen in verschillende motoromgevingen worden geproduceerd, is dramatisch verdiept." - Stephen Klippenstein, Scheikundige van Argonne

"NOx-productie is een van de grootste zorgen voor motorbedrijven, " zei Argonne chemicus Stephen Klippenstein, een auteur van de krant. "Ons begrip van hoe deze verontreinigende stoffen in verschillende motoromgevingen worden geproduceerd, is dramatisch verdiept."

Een breed scala aan verschillende chemische interacties vindt plaats in het mengsel van brandstof en lucht in een motor, en het nieuwe model identificeert verschillende routes naar NOx-vorming.

In één traject, genaamd prompt NO (stikstofmonoxide), atmosferische stikstof combineert met koolstof om een ​​intermediair te vormen van één koolstof- en twee stikstofatomen, die uiteindelijk combineren met zuurstof om stikstofmonoxide te vormen. In een ander pad, thermische NO genoemd, stikstofmonoxide wordt rechtstreeks geproduceerd uit stikstof en zuurstof. Bij een derde, genaamd brandstof NEE, een verbinding van stikstof, koolstof en zuurstof vormen de tussenstap op weg naar stikstofmonoxide.

"Het is altijd een beetje een gokspel geweest om deze paden samen te stellen om een ​​model te creëren dat experimentele waarnemingen nauwkeurig reproduceert, " zei Argonne chemicus Branko Ruscic, een andere auteur van de studie. "Echter, omdat zoveel wetenschappers van over de hele wereld informatie bijdragen over verschillende segmenten van het grotere geheel, we zijn dichter dan ooit bij een model dat echt de realiteit weergeeft."

Volgens Klippenstein een van de belangrijkste kenmerken van het verbrandingsproces - temperatuur - maakt een groot verschil in de hoeveelheid geproduceerde NOx. "De temperatuur beïnvloedt de levensduur van de moleculen in de mix, " zei hij. "In staat zijn om het gedrag van sommige extreem kortlevende moleculen nauwkeurig te modelleren en te voorspellen, is van cruciaal belang voor het bepalen van de routes van de reactie."

"Als je je motor op een lagere temperatuur kunt laten draaien, kunt u de vorming van een groot deel van de NOx vermijden, " hij voegde toe.

Een andere factor in het verbrandingsproces die de NOx-productie dramatisch beïnvloedt, is wat onderzoekers de rijkdom van het brandstofmengsel noemen - dat wil zeggen, de verhouding van brandstof tot lucht als verbranding plaatsvindt in de motor. Motoren die rijker lopen, hebben moleculen met meer methylgroepen, Rusic zei, die de neiging hebben om de vorming van NOx te bevorderen.

"We komen op een punt waar we de NOx-productie redelijk goed begrijpen, "zei Ruscic. "Het is echt een goed voorbeeld van de triomf van gemeenschapswetenschap."

"Het is alsof je een legpuzzel in elkaar zet waarvan sommige stukjes lijken te passen, maar nog niet zijn geverfd, " zei Klippenstein. "Het is onze rol om erachter te komen hoe we nog een paar stukken kunnen schilderen, zodat onze medewerkers het plaatje beter kunnen samenstellen."

De studie, "Het modelleren van stikstofchemie bij verbranding, " verscheen op 22 februari in Vooruitgang in energie- en verbrandingswetenschap .