Att byta till förnybara bränslen kan avsevärt sänka avgasutsläppen av giftiga kväveoxider (NOx) samt minska de globala utsläppen av växthusgaser. Forskare vid KAUST har kombinerat datoranalys med laserbaserade NOx-koncentrationsmätningar för att förstå NOx-produktionsvägar i olika bränsletyper. Resultaten kan inspirera till nya sätt att minska NOx-utsläppen, säger forskarna.

Långt innan klimatförändringarna fokuserade global uppmärksamhet på fordonens koldioxidutsläpp, regulatorer klämde ner på NOx på grund av dess skadliga effekt på luftkvaliteten. "Att kontrollera utsläppen av kväveoxider fortsätter att vara en verklig utmaning, med ständigt skärpta restriktioner för bilar, lastbilar, och flyg, säger William Roberts, som leder KAUST Clean Combustion Research Center. "Vi tittar kontinuerligt på nya bränslen och försöker utveckla kemiska kinetiska mekanismer för att förutsäga NOx-bildning."

I den senaste studien, Roberts och hans kollegor undersökte NOx-utsläpp från alkoholbränslen, såsom etanol. Dessa förnybara bränslen har fått uppmärksamhet eftersom de är potentiellt kolneutrala, men de ger också lägre NOx-utsläpp än konventionella fossila bränslen. Kväveoxider kan produceras på olika sätt, som var och en dominerar ett annat förbränningsstadium, säger Myles Bohon, som bidrog till studien under sin doktorsexamen. innan han började på Technische Universität Berlin. "Genom att förstå dessa vägar och deras relativa betydelse, det blir lättare att utveckla NOx-reducerande tekniker, " säger Bohon.

Forskarna använde planar-laser-inducerad fluorescens (PLIF) för att mäta NOx-produktion genom hela lågan, jämföra alkoholbränslen med ett alkansurrogat av fossila bränslen. Tekniken hjälpte teamet att skilja icke-termiska NOx-produktionsvägar, som dominerar tidigt i lågan, från termiska NOx-produktionsvägar, som huvudsakligen förekommer i högtemperaturområdet efter flamman.

"Dessa typer av direkta mätningar är ganska svåra att genomföra, " säger Bohon. "Men de är viktiga eftersom de direkt visar skillnaderna i den icke-termiska NO-bildningen mellan de två bränsleklasserna." Så mycket som 50 procent mindre icke-termisk NO producerades i alkohollågorna, forskarna observerade. De utvecklade också en algoritm för att ytterligare peka ut de specifika skillnaderna i NOx-vägens bidrag mellan alkohol och alkanbränslen.

"Alkoholbränslen har definitivt tillämpningar i förbränningsmotorer, där alkoholer – i synnerhet etanol – tillsätts bensin, " säger Bohon. "Det finns mycket potential att använda bränsleblandningar för att minska NOx, " han lägger till.

KAUST-forskare fortsätter att förfina sin mekanistiska förståelse av NOx-produktion, validera sina modeller med laserbaserad diagnostik, att förutse, förstå och så småningom minska NOx-utsläpp, " säger Roberts.