Kväveoxider (NOx) är några av de viktigaste föroreningarna i vår atmosfär – de bidrar till bildandet av smog, surt regn och marknära ozon. På grund av detta, förbränningsforskare och motorföretag har arbetat sedan 1980-talet för att förstå hur dessa gaser produceras vid förbränning så att de kan hitta sätt att minska dem.

I en ny recensionsartikel publicerad i Framsteg inom energi och förbränningsvetenskap , forskare från det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory och Danmarks Tekniska Universitet förklarar hur de syntetiserade mer än ett decenniums förbränningsstudier för att skapa en ny övergripande modell för hur kväveoxider produceras.

"Vår förståelse för hur dessa föroreningar produceras i olika motormiljöer har fördjupats dramatiskt." — Stephen Klippenstein, Argonne kemist

"NOx-produktion är en av de största problemen för motorföretag, " sa Argonne kemisten Stephen Klippenstein, en författare till tidningen. "Vår förståelse för hur dessa föroreningar produceras i olika motormiljöer har fördjupats dramatiskt."

Ett brett spektrum av olika kemiska interaktioner förekommer inom blandningen av bränsle och luft i en motor, och den nya modellen identifierar flera olika vägar till NOx-bildning.

I en väg, kallas prompt NO (kvävemonoxid), atmosfäriskt kväve kombineras med kol för att bilda en mellanled av en kol- och två kväveatomer, som så småningom kombineras med syre för att bilda kvävemonoxid. I en annan väg, kallas termiskt NEJ, kvävemonoxid framställs direkt från kväve och syre. I en tredje, kallas bränsle NO, en förening av kväve, kol och syre utgör det mellanliggande steget på vägen till kvävemonoxid.

"Att försöka sätta ihop dessa vägar för att skapa en modell som exakt återger experimentella observationer har alltid varit lite av en gissningslek, " sa Argonne kemisten Branko Ruscic, en annan författare till studien. "Dock, eftersom så många forskare från hela världen bidrar med information om olika delar av den större bilden, vi är närmare än någonsin en modell som verkligen representerar verkligheten."

Enligt Klippenstein, en av de viktigaste egenskaperna hos förbränningsprocessen – temperaturen – gör stor skillnad i mängden NOx som produceras. "Temperaturen påverkar livslängden för molekylerna i blandningen, ", sa han. "Att kunna modellera och förutsäga beteendet hos vissa extremt kortlivade molekyler är av avgörande betydelse för att bestämma reaktionsvägarna."

"Om du kan köra din motor vid en lägre temperatur, du kan undvika bildandet av mycket av NOx, " han lade till.

En annan faktor i förbränningsprocessen som dramatiskt påverkar NOx-produktionen involverar vad forskare kallar bränsleblandningens rikedom – det vill säga, andelen bränsle till luft när förbränningen sker i motorn. Motorer som körs rikare kommer att ha molekyler med fler metylgrupper, Ruscic sa, som tenderar att främja bildningen av NOx.

"Vi kommer till en plats där vi förstår NOx-produktion ganska väl, " sa Ruscic. "Det är verkligen ett bra exempel på samhällsvetenskapens triumf."

"Det är som att lägga ett pussel där några av bitarna kan tyckas passa men ännu inte har målats, ", sa Klippenstein. "Det är vår roll att ta reda på hur man målar några fler bitar så att våra medarbetare kan sätta ihop bilden bättre."

Studien, "Modellera kvävekemi vid förbränning, "dök upp den 22 februari Framsteg inom energi- och förbränningsvetenskap .