Υπολογιστική μελέτη της χημείας της καύσης μεθανίου και αερίου σύνθεσης: επίδραση της προσθήκης ιχνοστοιχείων οξειδίων αζώτου και θείου, εφαρμογές σε ναυτικούς κινητήρες

Abstract

The present thesis investigates the effects of the addition of nitrogen oxides (NOx) and sulphur dioxides (SOx) trace species on the ignition and combustion of methane (CH4) and syngas (CO-H2), at conditions representative of marine engine operation. In particular, the thesis includes the computational study of the effect of NOx - SOx addition on methane ignition, on syngas and methane combustion in Perfectly Stirred Reactor conditions, and on methane preximed laminar flame, the development and optimization of a skeletal chemical kinetic mechanism for methane combustion, its extension with NOx-SOx submechanisms and reactions associated with the interactions of nitrogen (N) and sulphur (S), the assessment of the assembled optimized skeletal mechanism against experimental data for syngas and methane combustion, and finally the experimental validation of part of the present numerical results with first experiments in a compressed natural gas (CNG) Otto engine. Further, to undertake numerical studies in marine engines implementing enhanced chemical kinetic schemes for the effective description of chemistry and a deeper understanding of combustion, an integrated software tool was developed by coupling the KIVA-3vr2 Computational Fluid Dynamics (CFD) code with the CHEMKIN-II chemical kinetics code. The couped code enables the solution of the mass and energy conservation equations in every computational cell using enhanced chemical kinetic schemes, which results in a more accurate computation of source terms in the overall mass and energy conservation equations. The present study includes computational results for a two-stroke marine Diesel engine. In particular, the temporal evolution of combustion is characterized by means of the pressure and rate of heat release traces, as well as in terms of the spatial distribution of the hydroxyl radical (OH), methane (CH4) and formaldehyde (CH2O), at representative time instants. With reference to experimental data, the new results demonstrate a significant improvement regarding the rate of heat release evolution, in comparison to results based on the one step chemistry approach. The main motivation for the present research is the environmental protection from pollutant emissions generated by the marine industry. In this context, the International Maritime Organization (IMO) and state authorities have imposed regulations, which are stricter in specific areas (Emission Control Areas - ECAs). These regulations dictate the decrease of NOx and SOx emissions from marine engines. To this end, the study of combustion, of the interaction of NOx - SOx, as well as of their effect on ignition and combustion in conditions pertinent to marine engine operation, is essential for undestanding the associated engine thermochemistry, as well as for marine engine combustion and emissions control. Understanding the chemistry of pollutant production requires, among others, a comprehensive understanding of the largely interwined chemical pathways associated with marine engine combustion. In this context, an accurate prediction of NOx - SOx effect on marine engine combustion requires a hierarchical approach, starting from the study of combustion of low carbon fuels, in particular, syngas and methane. Further, it can be argued that, even in the case of higher carbon fuels (as surrogates of liquid marine fuels), the reactions of NOx and SOx with C1-C3 species are rate-determining steps. In the above context, the first step of the present thesis has been the development of a reliable detailed assembled chemical kinetic mechanism, which includes all essential elementary reactions necessary for a complete and accurate description of combustion. Here, the objective is to generate reliable results in a wide range of condtions of temperature, pressure and values of equivalence ratio, representative of the conditions of marine engine operation. To this end, four detailed chemical kinetic mechanisms were assembled, incorporating hydrocarbon, NOx and SOx chemistry, and their interaction; their performance is assessed against experimental data of ignition delay times in shock tubes and speciation data in Jet Stirred Reactors (JSRs). Based on the above procedure, the best performing assembled mechanism was selected. This mechanism consists of the detailed mechanism "AramcoMech 2.0" (2016), corresponding to the H/C part, the NOx submechanism from the "CRECK C1-C3 high-temperature" mechanism including the enhancements made by Song et al. (2019), the SOx submechanism of Zhou et al. (2013), and finally the N-S interaction reactions from the work of Glarborg (2007). The assembled mechanism developed in the present study was used for quantifying the doping effects in the following cases: (a) CH4 ignition in conditions pertinent to marine engine operation, (b) syngas and methane combustion at PSR conditions, for conditions relevant for marine engines, and (c) CH4 premixed laminar flame in low and intermediate pressures (P=1 - 20.3 bar). The following conclusions have been drawn: •Irrespective of its added concentration, the effect of SO2 on ignition is insignificant for all conditions and mixture compositions considered. •At intermediate pressures (P=10 bar), the promoting effect of NOx is confirmed to deteriorate at increasing equivalence ratio. •The promoting effect of NO2 doping is more pronounced in comparison to NO doping at intermediate pressures. •At high pressures (P=90 bar), the promoting effect of NO doping is comparable to the corresponding NO2 doping effect; this is important in terms of implementing EGR in marine engines because ignition concerns high pressures, while the percentage of NO in NOx is higher than 90%. •For syngas and methane combustion at PSR conditions, no significant effect of NO-SO2 doping has been identified, for all conditions (P, T, φ) and doping concentations (100-1000 ppm) considered. •A distinct decelaration of syngas combustion has been observed for addition of 500 and 1000 ppm SO2 in stoichiometric and rich mixtures, at intermediate and high pressures (P=10 bar, 120 bar). •For poor syngas mixtures and intermediate pressures, the addition of NO or NO2 promotes combustion, in the entire temperature range considered (Τ=800-1200 Κ), while in high pressures the promoting effect is present for T>1050 K. •For stoichiometric and rich syngas mixtures, the effect of NO and NO2 addition switches between decelaration and acceleration as a function of temperature, for both intermediate and high pressure (P=10 bar, 120 bar). •For methane combustion at PSR conditions, a distinct decelaration of CH4 consumption is observed by the addition of 500 and 1000 ppm SO2, for all conditions (P, T, φ) considered. •The addition of NO or NO2 promotes CH4 consumption for T>900 K, for all pressures (P=10 bar, 120 bar), stoichiometries (φ=0.5-2.0), and initial concentrations of NO, NO2 and NO-SO2 (100-1000 ppm) considered. •For PSR combustion, the addition of NO2 has a stronger acceleration effect in comparison to NO addition, for rich methane mixtures and initial doping concentrations of 500 and 1000 ppm, both for intermediate and high pressures. •No significant effect on laminar flame speed has been observed from the adittion of ΝΟ, ΝΟ-SO2 to CH4 mixtures, at low and intermediate pressures (P=1 - 20.3 bar). Regarding the validation of the optimized assembled skeletal chemical kinetic mechanism in combustion applications of neat mixtures and mixtures doped with NOx-SOx, the following conclusions were drawn from studying: (a) combustion of CH4 and syngas at PSR conditions, and (b) CH4 premixed laminar flame: •Improved performance of the optimized assembled skeletal chemical kinetic mechanism, in comparison to the assembled detailed mechanism Mech. I, for combustion of poor syngas mixtures (φ=0.1) at PSR conditions. •Very good performance of the optimized assembled skeletal chemical kinetic mechanism for combustion of a different fuel (syngas) than the fuel used to develop the particular mechanism (CH4). •Very good performance of the optimized assembled skeletal chemical kinetic mechanism for combustion of poor CH4 mixtures (φ=0.5) at PSR conditions. •Improved performance of the optimized assembled skeletal chemical kinetic mechanism, in comparison to the assembled detailed mechanism Mech. I, for premixed laminar flame of CH4 mixtures at low pressures (P=1 atm). •Satisfactory performance of the optimized assembled skeletal chemical kinetic mechanism for premixed laminar flame of CH4 mixtures at intermidiate pressures (P=10 atm, 20 atm). •Smooth coupling of the optimized skeletal mechanism with the NOx-SOx submechanisms and the reactions of N-S interactions. The present study also includes the experimental validation of representative cases pertinent to the effects of NOx addition; here, the effect of NO addition has been considered. Experiments were performed in an Otto engine operating with compressed natural gas (CNG), which has methane as its main component. The present experiments demonstrated increased final concentrations of NO2, for initial concentrations of NO of 300 ppm and 1000 ppm, for low load operating conditions (25%) and poor mixtures (λ=1.4). This finding is significant for ignition delay times, as well as for combustion development, suggesting the increased OH production, in accordance with the computational results of the present work, as well as the one of Mathieu et al. (2015). The present thesis is structured in eleven chapters as follows. In Chapter 1 detailed information regarding pollutatnt emissions from the marine industry, the relevant regulatory framework imposed by the International Maritime Organisation (IMO), as well as the measures that marine industry will follow in the upcoming years, are discussed. In Chapter 2 the assessment of the four assembled detailed chemical kinetic mechanisms and the selection of the best performing one is presented. The study of the effect of NOx - SOx addition on methane ignition is analyzed in Chapter 3. In Chapter 4 the study of the effect of NOx - SOx addition in syngas and methane combustion at PSR conditions is presented. The study of the effect of NOx - SOx addition on premixed laminar flame speed of methane mixtures at low and intermediate pressures is presented in Chapter 5. In Chapter 6 the validation of the optimized assembled skeletal chemical kinetic mechanism is presented. In Chapter 7 computational results using the code developed by coupling the CFD code with the chemical kinetics code are presented; an n-heptane reduced chemical kinetic mechanism is used. Present experimental results in an Otto engine operating with compressed natural gas (CNG) and the corresponding conclusions regarding the effect of NO addition are discussed in Chapter 8. The novelty of the present work is discussed in Chapter 9. In Chapter 10, the main conclusions of the present study are summarized. Suggestions for future work are presented in Chapter 11. Finally, the list of references is presented.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά την επίδραση της εισαγωγής ιχνοστοιχείων (trace species) οξειδίων του αζώτου (ΝΟx) και οξειδίων του θείου (SOx) στην έναυση και καύση αερίου σύνθεσης (syngas) και μεθανίου (CH4) σε συνθήκες αντιπροσωπευτικές της λειτουργίας ναυτικών κινητήρων. Συγκεκριμένα, η διατριβή περιλαμβάνει την υπολογιστική μελέτη της επίδρασης της εισαγωγής NOx - SOx στην έναυση του μεθανίου, στην καύση αερίου σύνθεσης και μεθανίου σε συνθήκες αντιδραστήρα τέλειας ανάμιξης (Perfectly Stirred Reactor - PSR), στη στρωτή φλόγα προανάμιξης μεθανίου, την ανάπτυξη και βελτιστοποίηση σκελετικού μηχανισμού καύσης μεθανίου, την επέκτασή του με υπομηχανισμούς δημιουργίας NOx, δημιουργίας SOx και αλληλεπίδρασης αζώτου (N) και θείου (S), την αξιολόγηση του συζευγμένου μηχανισμού με σύγκριση με υπολογιστικά δεδομένα του λεπτομερούς συζευγμένου μηχανισμού και πειραματικά δεδομένα για καύση αερίου σύνθεσης και μεθανίου, και τέλος την πειραματική πιστοποίηση τμήματος των αποτελεσμάτων με πρώτα πειράματα σε κινητήρα Otto που λειτουργεί με συμπιεσμένο φυσικό αέριο (compressed natural gas – CNG) ως καύσιμο. Επιπλέον, με στόχο τη μελέτη της καύσης σε ναυτικούς κινητήρες με χρήση αναβαθμισμένων σχημάτων χημικής κινητικής για την επαρκέστερη περιγραφή της χημείας και την κατανόηση του φαινομένου, πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη λογισμικού για τη σύζευξη του κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής KIVA-3vr2 με τον κώδικα χημικής κινητικής CHEMKIN-II. Ο συζευγμένος κώδικας παρέχει τη δυνατότητα επίλυσης των εξισώσεων διατήρησης μάζας και ενέργειας σε κάθε υπολογιστικό κελί με χρήση αναβαθμισμένων σχημάτων χημικής κινητικής, με αποτέλεσμα τον ακριβέστερο υπολογισμό των όρων πηγής στις συνολικές εξισώσεις διατήρησης μάζας και ενέργειας. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται πρώτα υπολογιστικά αποτελέσματα σε δίχρονο ναυτικό κινητήρα Diesel. Συγκεκριμένα, η χρονική εξέλιξη της καύσης χαρακτηρίζεται με τη χρονική ιστορία της πίεσης και του ρυθμού έκλυσης θερμότητας, καθώς και της χωρικής κατανομής της συγκέντρωσης των ενώσεων του υδροξυλίου (OH), του μεθανίου (CH4) και της φορμαλδεΰδης (CH2O) σε επιλεγμένες χρονικές στιγμές. Σε σύγκριση με πειραματικά δεδομένα, τα νέα αποτελέσματα καταδεικνύουν σημαντική βελτίωση αναφορικά με τη χρονική ιστορία του ρυθμού έκλυσης θερμότητας, σε σχέση με αντίστοιχα αποτελέσματα με χρήση χημείας ενός βήματος. Η παρούσα έρευνα έχει εφαλτήριο την προστασία του περιβάλλοντος από τους ρύπους που προέρχονται από τη ναυτιλιακή βιομηχανία. Στο πλαίσιο αυτό, ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός (International Maritime Organization - IMO) και οι αρμόδιες για θέματα περιβάλλοντος κρατικές υπηρεσίες έχουν θεσπίσει αυστηρούς κανονισμούς παγκοσμίως, οι οποίοι είναι αυστηρότεροι σε συγκεκριμένες περιοχές ελέγχου των ρύπων (Emission Control Areas - ECAs). Οι κανονισμοί αυτοί έχουν θεσπίσει τη μείωση της εκπομπής οξειδίων του αζώτου (NOx) και οξειδίων του θείου (SOx) από τους ναυτικούς κινητήρες. Για τους παραπάνω λόγους, η μελέτη του φαινομένου της καύσης, των αλληλεπιδράσεων των οξειδίων του αζώτου (ΝΟx) και του θείου (SOx), αλλά και της επίδρασης αυτών στα φαινόμενα της έναυσης και της καύσης σε συνθήκες αντιπροσωπευτικές ναυτικών κινητήρων, είναι απαραίτητη για την κατανόηση των σχετικών φαινομένων, αλλά και για τον έλεγχο της διεργασίας της καύσης και των εκπομπών ρύπων από ναυτικούς κινητήρες. Η κατανόηση της χημείας παραγωγής των ρύπων απαιτεί, μεταξύ άλλων, την κατανόηση των περίπλοκων χημικών οδών (chemical pathways) που σχετίζονται με την καύση σε ναυτικούς κινητήρες. Σε αυτό το πλαίσιο, η ακριβής πρόβλεψη των επιδράσεων των NOx-SOx στα φαινόμενα καύσης των ναυτικών κινητήρων απαιτεί μια ιεραρχική προσέγγιση, ξεκινώντας από τη μελέτη καυσίμων με χαμηλό αριθμό ατόμων άνθρακα, συγκεκριμένα, αέριο σύνθεσης (syngas, CO - H2) και μεθάνιο (CH4). Περαιτέρω, θεωρείται ότι, ακόμη και για καύσιμα με υψηλό αριθμό ατόμων άνθρακα, αντιπροσωπευτικά ναυτιλιακών καυσίμων, τα φαινόμενα της επίδρασης των NOx-SOx σχετίζονται κυρίως με τις αντιδράσεις των χημικών ενώσεων που περιέχουν C1-C3 άτομα άνθρακα (χημεία χημικών ενώσεων C1-C3). Στο παραπάνω πλαίσιο, αρχικό στάδιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η κατασκευή ενός αξιόπιστου συζευγμένου λεπτομερούς μηχανισμού, ο οποίος περιλαμβάνει όλες εκείνες τις χημικές αντιδράσεις που απαιτούνται για την πλήρη περιγραφή του φαινομένου της καύσης, με σκοπό τη δυνατότητα απόδοσης αξιόπιστων αποτελεσμάτων σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο εύρος συνθηκών πίεσης, θερμοκρασίας και λόγου ισοδυναμίας καυσίμου-αέρα, αντιπροσωπευτικό των συνθηκών λειτουργίας ναυτικών κινητήρων. Για τον σκοπό αυτόν, ενσωματώθηκαν σε τέσσερις λεπτομερείς μηχανισμούς της βιβλιογραφίας, οι οποίοι αφορούν στην παραγωγή και καταστροφή των υδρογονανθράκων (χημεία H/C), υπομηχανισμοί χημικής κινητικής, που αφορούν σε: (α) δημιουργία NOx, (β) δημιουργία SOx, και (γ) αλληλεπιδράσεις ενώσεων αζώτου (N) και θείου (S). Σε δεύτερο στάδιο, οι συζευγμένοι λεπτομερείς μηχανισμοί αξιολογήθηκαν έναντι πειραματικών δεδομένων για τα πρότυπα προβλήματα: (i) έναυσης ομογενούς μίγματος – χρόνος καθυστέρησης έναυσης, και (ii) αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης (Jet Stirred Reactor – JSR) – προφίλ συγκεντρώσεων χημικών ενώσεων συναρτήσει της θερμοκρασίας (speciation data). Από την παραπάνω διαδικασία προκρίθηκε τελικά ένας συζευγμένος λεπτομερής μηχανισμός χημικής κινητικής ο οποίος αναπαράγει το σύνολο των πειραματικών δεδομένων που εξετάστηκαν, με καλή ακρίβεια. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός αποτελείται από τον λεπτομερή μηχανισμό χημικής κινητικής της χημείας H/C "AramcoMech 2.0" (2016), τον υπομηχανισμό ΝΟx προερχόμενο από τον μηχανισμό "CRECK C1-C3 high-temperature" με τις μετατροπές που έγιναν το 2019 από τους Song et al. (2019), τον υπομηχανισμό SΟx που προέκυψε από την εργασία των Zhou et al. (2013), και τέλος τις αντιδράσεις που αφορούν στην αλληλεπίδραση N-S από την εργασία του Glarborg (2007). Ο μηχανισμός που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε στην παρούσα εργασία για τη μελέτη της επίδρασης της εισαγωγής ιχνοστοιχείων (trace species) NOx-SOx στις ακόλουθες περιπτώσεις: (α) έναυση CH4 σε συνθήκες ναυτικών κινητήρων, (β) καύση σε συνθήκες αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης (Perfectly Stirred Reactor - PSR) syngas και CH4 για συνθήκες ναυτικών κινητήρων, και (γ) στρωτή φλόγα προανάμιξης CH4 σε χαμηλές και ενδιάμεσες πιέσεις (P=1 - 20.3 bar). Προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα: •Η επίδραση του SO2 στην έναυση του CH4 είναι αμελητέα, ανεξάρτητα από την περιεκτικότητα με την οποία αυτό εισάγεται, για όλες τις συνθήκες και τις συνθέσεις των μιγμάτων που μελετήθηκαν. •Η εισαγωγή NOx μειώνει τους χρόνους καθυστέρησης έναυσης CH4. Σε ενδιάμεσες πιέσεις (τάξης 10 bar), η μείωση καθίσταται ασθενέστερη με αύξηση του λόγου ισοδυναμίας καυσίμου-αέρα (equivalence ratio – φ) στο αρχικό μίγμα. •Σε ενδιάμεσες πιέσεις, η εισαγωγή NO2 επιφέρει δραστικότερη μείωση του χρόνου καθυστέρησης έναυσης CH4, σε σύγκριση με την εισαγωγή NO. •Σε υψηλές πιέσεις (P=90 bar), η επίδραση της εισαγωγής είτε NO2 είτε NO στη μείωση του χρόνου καθυστέρησης έναυσης CH4 είναι ισοδύναμης δραστικότητας. •Στο πρόβλημα του αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης (PSR), για αρχικές συγκεντρώσεις εισαγωγής NO-SO2 100-1000 ppm, δεν παρατηρήθηκε καμία εμφανής επίδραση στην καύση syngas και CH4 από την αλληλεπίδραση των εισαγόμενων ιχνοστοιχείων, για όλες τις συνθήκες (P, T, φ) που εξετάστηκαν. •Σε συνθήκες PSR, παρατηρήθηκε εμφανής επιβράδυνση της κατανάλωσης syngas με εισαγωγή 500 και 1000 ppm SO2 σε στοιχειομετρικά και πλούσια μίγματα, για ενδιάμεσες και υψηλές πιέσεις (P=10 bar, 120 bar). •Σε συνθήκες PSR, σε φτωχά μίγματα syngas και ενδιάμεσες πιέσεις, η εισαγωγή NO ή NO2 επιταχύνει την καύση, σε όλο το μελετηθέν θερμοκρασιακό εύρος (Τ=800-1200 Κ), ενώ σε υψηλές πιέσεις (P=120 bar) η επιτάχυνση λαμβάνει χώρα για Τ>1050 Κ. •Σε συνθήκες PSR, σε στοιχειομετρικά και πλούσια μίγματα syngas, η επίδραση της εισαγωγής NO ή NO2 στην καύση εναλλάσσεται μεταξύ επιβράδυνσης και επιτάχυνσης σε συνάρτηση με την θερμοκρασία, καί στις δύο πιέσεις που εξετάστηκαν (P=10 bar, 120 bar). •Σε συνθήκες PSR, παρατηρείται εμφανής επιβράδυνση της κατανάλωσης CH4 με εισαγωγή SO2 συγκέντρωσης 500 και 1000 ppm σε φτωχά, στοιχειομετρικά και πλούσια μίγματα, για ενδιάμεσες και υψηλές πιέσεις (P=10, 120 bar). •Σε συνθήκες PSR, η εισαγωγή ΝΟ ή ΝΟ2 επιφέρει επιτάχυνση στην κατανάλωση του CH4 για θερμοκρασίες T>900 K, σε όλο το μελετηθέν εύρος πίεσης, στοιχειομετρίας (φ) και αρχικών συγκεντρώσεων NO, NO2, και NO-SO2. •Σε συνθήκες PSR, η εισαγωγή NO2 επιταχύνει περισσότερο την καύση σε σχέση με την εισαγωγή NO, για πλούσια μίγματα και αρχικές συγκεντρώσεις εισαγωγής 500, 1000 ppm, καί στις δύο πιέσεις που εξετάστηκαν (P=10 bar, 120 bar). •Δεν παρατηρήθηκε καμία επίδραση στην ταχύτητα στρωτής φλόγας προανάμιξης από την εισαγωγή ΝΟ, ΝΟ-SO2 σε χαμηλές και ενδιάμεσες πιέσεις (P=1 - 20.3 bar). Αναφορικά με την αξιολόγηση του βελτιστοποιημένου συζευγμένου σκελετικού μηχανισμού σε εφαρμογές καύσης καθαρών μιγμάτων και μιγμάτων με εισαγωγή NOx-SOx, προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα από τη μελέτη των προβλημάτων: (α) καύση syngas ή CH4 σε αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης (PSR), και (β) στρωτή φλόγα προανάμιξης μεθανίου: •Βελτιωμένη απόδοση του βελτιστοποιημένου συζευγμένου σκελετικού μηχανισμού σε σχέση με τον συζευγμένο λεπτομερή μηχανισμό Mech. I, για καύση φτωχών μιγμάτων (φ=0.1) syngas σε συνθήκες PSR. •Πολύ καλή συμπεριφορά του βελτιστοποιημένου συζευγμένου σκελετικού μηχανισμού για καύση που αφορά καύσιμο (syngas) διαφορετικό από το καύσιμο που χρησιμοποιήθηκε ως βάση για τη δημιουργία του (CH4). •Πολύ καλή απόδοση του βελτιστοποιημένου συζευγμένου σκελετικού μηχανισμού για καύση φτωχών μιγμάτων (φ=0.5) CH4 σε συνθήκες PSR. •Καλύτερη απόδοση του βελτιστοποιημένου συζευγμένου σκελετικού μηχανισμού σε σχέση με τον συζευγμένο λεπτομερή μηχανισμό Mech. I για εφαρμογές στρωτής φλόγας προανάμιξης CH4 σε χαμηλές πιέσεις (P=1 atm). •Ικανοποιητική απόδοση του βελτιστοποιημένου συζευγμένου σκελετικού μηχανισμού για εφαρμογές στρωτής φλόγας προανάμιξης CH4 σε ενδιάμεσες πιέσεις (P=10 atm, 20 atm). •Ομαλή σύζευξη του βελτιστοποιημένου σκελετικού μηχανισμού με τους υπο-μηχανισμούς NOx-SOx και τις αντιδράσεις αλληλεπίδρασης N-S. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής επιχειρήθηκε η πειραματική πιστοποίηση αντιπροσωπευτικών περιπτώσεων και συμπερασμάτων σχετικά με την επίδραση της προσθήκης NOx, συγκεκριμένα, NO. Τα πειράματα έγιναν σε κινητήρα Otto που λειτουργεί με συμπιεσμένο φυσικό αέριο (compressed natural gas – CNG) ως καύσιμο (με κύριο συστατικό το μεθάνιο). Τα πειράματα κατέδειξαν αυξημένες τελικές συγκεντρώσεις NO2 για αρχικές συγκεντρώσεις NO 300 ppm και 1000 ppm, σε συνθήκες λειτουργίας χαμηλού φορτίου (25%) για φτωχά μίγματα (λ=1.4). Το συγκεκριμένο εύρημα θεωρείται σημαντικό για τον χρόνο καθυστέρησης έναυσης αλλά και για την ανάπτυξη της καύσης, υποδηλώνοντας την αυξημένη παραγωγή ριζών ΟΗ, σε συμφωνία με τα υπολογιστικά αποτελέσματα της παρούσας διατριβής, και αυτά της εργασίας των Mathieu et al. (2015). Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελείται από έντεκα κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια λεπτομερής αναφορά στους αέριους ρύπους που προέρχονται από τη ναυτιλία, στους σχετικούς κανονισμούς που έχει θεσπίσει ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός, καθώς και στα μέτρα αντιμετώπισης στα οποία προσανατολίζεται να εφαρμόσει η ναυτιλιακή κοινότητα. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται αξιολόγηση των συζευγμένων μηχανισμών χημικής κινητικής και επιλογή του πλέον αξιόπιστου εξ αυτών. Η μελέτη της επίδρασης της εισαγωγής NOx - SOx στην έναυση του μεθανίου παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 3. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η μελέτη της επίδρασης της εισαγωγής NOx - SOx στην καύση μεθανίου και syngas σε συνθήκες αντιδραστήρα πλήρους ανάμιξης. Η μελέτη της επίδρασης της εισαγωγής NOx - SOx στην ταχύτητα διάδοσης στρωτής φλόγας προανάμιξης μιγμάτων CH4 σε ενδιάμεσες πιέσεις παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 5. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η αξιολόγηση του συζευγμένου βελτιστοποιημένου μηχανισμού μειωμένης τάξης. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται αποτελέσματα με χρήση του αναπτυχθέντος συζευγμένου κώδικα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής με κώδικα χημικής κινητικής, κάνοντας χρήση μηχανισμού χημικής κινητικής μειωμένης τάξης επτανίου. Πειραματικά αποτελέσματα της παρούσας διατριβής και τα αντίστοιχα συμπεράσματα αναφορικά με την επίδραση της εισαγωγής NO σε κινητήρα Otto με χρήση συμπιεσμένου φυσικού αερίου (CNG) ως καύσιμο παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 8. Στο Κεφάλαιο 9 αναλύεται η καινοτομία της παρούσας διατριβής. Τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα έρευνα συνοψίζονται στο Κεφάλαιο 10. Στο Κεφάλαιο 11 παρουσιάζονται οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Τέλος, παρατίθενται οι βιβλιογραφικές πηγές.