This work investigates the effect of biodiesel fuels on the soot particle morphology and nanostructure in both a constant volume combustion chamber (CVCC) and a small-bore (0.498 l) single cylinder compression ignition engine. These parameters are essential for the understanding of the soot formation process itself and for optimization of the performance of exhaust aftertreatment systems. Moreover, measures, in order to lower the health impact and meet emission regulations, can be gained from these parameters. The experiments were conducted with three different kinds of biodiesel fuels. Namely, waste cooking oil (WCO), Jatropha oil and Karanja oil were used. All those fuels were derived by transesterification process. Even though the chemical principle to produce those fuels is the same they all exhibit, due to their different feedstock, dissimilar physical characteristics especially in kinematic viscosity, lower heating value and cetane number. In contrast, the elemental composition of the fuels (hydrogen, carbon, and oxygen) is comparable. For comparison, standard diesel fuel was selected.
Background information about production and feedstocks of biodiesel fuels, soot formation mechanisms, the importance of the soot nanostructure itself, as well as commonly used parameters to describe the carbon layer arrangement inside the soot particles is provided in chapter 2. The theory behind the flame image analysis used for the CVCC experiment and the exhaust gas measurement later used in the experiment with the compression ignition engine is given in this chapter. To investigate the nanostructure parameters of the diesel soot high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) images were taken. The methodology for analyzing those images is described in chapter 3. Among them also in other works used principles for analyzing the primary particle size, fringe length, and tortuosity a newly developed code to measure the fringe spacing, based on a two-dimensional fast Fourier transform (2D-FFT), is described in this chapter. Also described in this chapter is the algorithm used for the flame image analysis.
Chapter 4 continues with a detailed description of the tested fuels and their physical characteristics and chemical composition. Subsequently, the conducted experiments are described. For both experiments, the injection pressures were changed from 40 over 80 to 120 MPa. In case of the CVCC experiment, the soot sampling was conducted in the flame and in addition highspeed imaging of the combustion was conducted to visualize high temperature and soot formation regions by correlated color temperature and hue value analysis. The soot sampling conditions for the engine experiment were an indicated mean effective pressure (IMEP) of 0.5 MPa and an injection timing of -5$^\circ$ after top dead center (aTDC) at 1200 rpm. Further, also the exhaust gas composition was analyzed. Therefore, the injection timing was swept in six steps from -15$^\circ$ aTDC to -3$^\circ$ aTDC.
The CVCC experiment unveiled a correlation between lower heating value, injection pressure, and primary particle size for the biodiesel fuels. It was shown that there is an approximately linear relationship between lower heating value and primary particle size, especially at 80 and 120 MPa injection pressure. The experiment has also shown, that there is a connection between the nanostructure parameters fringe length, tortuosity and spacing in this early stage of oxidation. In case of the experiment with the small-bore compression ignition engine, it could be shown, that there is a connection between the soot particle morphology, kinematic viscosity, and hydrocarbon emissions in case of the engine experiment. The analysis of the TEM images unveiled that the higher hydrocarbon emissions caused by wall wetting of the more viscous fuels led to an adsorption of the vapor hydrocarbon phase and the unburned fuel on the circumference of the soot particles. This organic fraction caused coalescence in case of the higher viscous fuels Jatropha and Karanja whereas for diesel and WCO agglomeration was dominating. The organic fraction as also found to cause a larger primary particle size in case of Karanja and Jatropha compared to WCO.
The work closes with a summary of the findings in this work as well as recommendations for the application of biodiesel fuels in compression ignition engines and future works in this field in chapter 5. It was found, that WCO among the tested biodiesel fuels the best alternative to the standard diesel fuel. Moreover, Jatropha could be, if used in large bore engines, a promising alternative. However, therefore, modifications at the injection system, to lower the wall wetting, are needed. Suggested measures are smaller orifices of the injector to lower the liquid tip of the spray. Also preheating of the fuels prior injection might deliver the desired spray characteristics. Biodiesel derived from Karanja oil was observed to have due to its high viscosity and with that connected insufficient mixture preparation drawbacks in hydrocarbon emissions. Those are also causing, as the vapor hydrocarbon phase gets adsorbed by the particles, coalescence of the primary particles. This consequently leads to a decreased particle surface and therefore inferior oxidation characteristics of the soot.
본 연구는 정적 연소실(CVCC)과 소형 단기통(0.498 L) 압축착화엔진에서 바이오 디젤 연료가 그을음(Soot) 입자 형태 및 나노 구조에 미치는 영향을 조사하였다. 해당 인자들에 대한 연구는 그을음 형성 과정 자체를 이해하고 배기 가스 후처리 장치의 성능을 최적화하는데 필수적이다. 또한, 건강에 유해한 환경 오염 문제를 해소하고 배출 규제를 충족하기 위한 조치도 이러한 인자들을 분석함으로써 가능해질 수 있다. 실험은 폐식용유(WCO), 자트로파(Jatropha) 오일, 카란자(Karanja) 오일을 대상으로 실시되었으며, 이 연료들의 공통점은 모두 에스테르 교환반응(Transesterification)을 이용해 가공되어졌다는 것이다. 이렇게 연료를 생산하는 화학적 원리가 모두 같다 하더라도 이들 연료는 원재료가 달라 특히 동적 점성도, 비열 및 세탄가에서 서로 다른 물리적 특성을 보여 준다. 그럼에도 불구하고 연료의 구성 요소(수소, 탄소, 산소)는 비교가 가능하다. 비교를 위해 표준 디젤 연료를 이용한 실험 또한 수행되었다.
2장에서는 바이오 디젤 연료의 공급원과 그 처리과정, 그을음의 형성 매커니즘, 그을음 나노 구조의 중요성에 대한 배경지식과 함께 그을음 입자의 탄소층 배열을 나타내는데 사용되는 통상적인 인자들이 소개된다. 이 장에서는 또한 정적 연소실 실험에서의 화염 이미지 분석과 압축 착화 엔진을 사용한 실험에서의 배기가스 측정에 적용된 배경 이론이 소개된다. 나노 구조 해석을 위한 인자들의 특성을 살펴보기 위하여 고해상도 투과현미경(High-Resolution Transmission Electron Microscopy;HRTEM) 이미지가 취득 되었으며 3장에서는 이렇게 취득된 이미지를 분석하는 방법론이 제시되어 있다. 또한, 해당 장에서는 기본 입자 크기와 프린지(fringe) 길이 및 비틀림 정도(tortuosity)의 측정과 분석을 위하여 2차원 고속 푸리에변환(2D-FFT)이 적용된 새롭게 개발된 프로그래밍 코드 또한 소개된다. 이와 더불어 화염 이미지 분석에 사용된 알고리즘도 소개되어 있다.
4장에서는 시험된 연료들의 물성치와 화학조성에 대해 자세히 소개하고 있으며, 이를 바탕으로 수행된 실험들에 대한 내용이 제시된다. 엔진 및 정적 연소실 실험 모두에서 분사압 조건은 40 MPa, 80 MPa, 120 MPa로 설정되었다. 정적 연소실 실험의 경우 화염면에서 그을음 입자의 샘플링이 이루어졌고 이와 동시에 고온의 그을음 생성 영역을 시각화 하기 위하여 고속카메라를 이용한 이미지 취득이 이루어졌다. 엔진 실험은 IMEP 0.5 MPa의 부하 조건과 -5$^\circ$ ATDC의 분사시기 조건 및 1200 rpm의 엔진 속도 조건에서 수행되었으며 해당 운전조건에서 그을음 입자의 포집이 수행되었다. 이와 함께, 배기 가스의 성분 분석 또한 이루어졌으며 분사 시기 조건은 -15$^\circ$ ATDC로부터 -3$^\circ$ ATDC까지 6단계로 설정되었다.
정적 연소실 실험을 통해 바이오 디젤 연료가 적용된 경우의 저위 발열량(LHV)과 분사압 및 평균 입자 크기간 상관관계가 밝혀졌다. 80 MPa과 120 MPa의 분사압 조건에서는 연료의 저위 발열량과 평균 입자 크기가 거의 선형적인 비례 관계를 나타내었으며, 나노구조 상에서의 프린지 길이와 비틀림 정도 및 간격은 초기 산화(Oxidation) 과정과 관계가 있는 것으로 나타났다. 엔진 실험 결과를 통해서는 그을음 입자의 형태와 동점성도 및 탄화수소 배출 특성 간의 상관관계가 드러났다. 고점성 연료들의 벽면 적심(Wall wetting)으로 인한 높은 탄화수소 배출은 기상의 탄화수소들의 그을음 입자 둘레로의 흡착으로 이어지게 된다는 사실을 TEM 이미지 분석을 통해 밝혔다. 이러한 유기물들은 높은 점성 연료인 자트로파 오일과 카란자 오일에서는 서로 융합되어 하나의 큰 입자를 형성하는 특성을 보인 반면, 표준 디젤과 WCO에서는 소규모 입자들의 집합체로 나타났다. 유기물들을 WCO가 적용된 경우보다 카란자 오일과 자트로파 오일이 적용된 경우가 더 큰 평균 입자 크기를 가지는 것으로 확인되었다.
본 논문은 연구를 통해 밝혀진 사실들에 대한 요약과 이를 바탕으로 압축착화엔진에 바이오 디젤 연료를 적용하는데 있어서 고려 해야할 사안들에 대한 제언과 향후 발전된 연구 주제를 5장에서 제시하며 마무리된다. WCO는 표준 디젤연료를 대체할 수 있는 가장 최선의 대안 연료로 평가되었으며, 자트로파 오일의 경우 큰 보어 크기를 가지는 대형엔진에서 기존의 디젤 연료를 대체할 수 있는 가능성을 가진 것으로 보인다. 하지만 벽면 적심 현상을 해소하기 위한 연료 분사계의 설계 개선이 필요할 것으로 보이며 그 방안으로는 분무의 액상 도달 거리를 줄이기 위해 좁은 유로와 홀을 가지는 분사기가 적용되어야 할 것으로 보인다. 또한 연료가 분사되기 전 연료의 예열은 엔진에서 요구되는 분무의 특성을 갖추는데 도움이 될 수 있다. 카란자 오일의 경우 높은 점성과 이로 인한 불충분한 혼합기 형성시간으로 인해 탄화수소 배출에서 그 적용의 한계성이 드러났다. 이러한 특성은 기상의 탄화수소들이 그을음 입자로 흡수되어 큰 평균 크기를 가지는 입자들의 생성을 촉진하고 그 결과 입자의 부피 대비 표면적을 감소시켜 연소 후기 및 배기 후처리 장치 등에서 충분히 산화되지 못하고 배출되게 된다.
