Research on acoustic agglomeration phenomenon by using alternative fuels in a compression ignition engine to reduce particle pollution

Abstract

IC engines are a major contributor to the particulate emissions in the urban areas. These emissions comprise a complex mixture of microscopic particles, which are an important deteriorating factor in human health and air quality. Alternative fuels with higher oxygen content and lower C/H ratios help in reducing particle emissions, while most work carried out on the concept of acoustic agglomeration focuses on its applications in industrial emissions. The application of acoustic agglomeration on the particles emitted from IC engine exhaust is largely unexplored. This dissertation bridges the gap between integrating alternative fuel strategies and acoustic agglomeration technology. The Introduction presents the formulation of the problem, object, and importance of the dissertation, aim, and tasks of the work. It provides the scientific novelty, theoretical and practical value of experiment results, and the list of published scientific publications by the author. The First Chapter reviews various alternative fuels. It focuses on the importance of blending fuels to achieve better results. A lower C/H ratio and higher levels of oxygen content are identified to influence the emissions at similar loads equally. Also, the chapter presents the literature review on the concept of acoustic agglomeration and the results of some of the previous research. The Second Chapter consists of the methodological and theoretical parts of the dissertation. An innovative computational model for acoustic agglomeration has been developed, considering the acoustic wake effect and orthokinetic collision as the predominant first-order effects. The engine setup and the in-house-built acoustic chamber specifications are also presented, along with the different types of alternative fuels used and calculations of their blended properties. The results of the computational and experimental analysis are presented in the Third Chapter. It explains the computational behaviour of particles under the acoustic influence and compares the experimental results on particle emission of selected alternative fuel mixtures to that of diesel fuel. Also, it studies and compares the impact of agglomeration on the particles is studied and compared, presents the influence of exhaust gas recirculation on the particles, and studies the impact of a frequency change on the agglomeration of particles. Five scientific papers were published on the subject of the doctoral dissertation: three in publications of the Web of Science database with citation index and two in Conference Proceedings publications of the Web of Science database.

IC (angl. internal combustion – vidaus degimo) varikliai yra pagrindinis kietųjų dalelių išmetimo šaltinis miestuose. Šias išmetamąsias daleles sudaro sudėtingas mikroskopinių dalelių mišinys, kuris yra svarbus žmonių sveikatą ir oro kokybę neigiamai veikiantis veiksnys. Alternatyvūs degalai, kuriuose yra daugiau deguonies ir mažesnis C/H santykis, padeda sumažinti išmetamų kietųjų dalelių kiekį. Nors dauguma darbų, atliktų nagrinėjant akustinės aglomeracijos koncepciją, yra skirti jai taikyti pramoninių išmetamųjų teršalų srityje. Akustinės aglomeracijos taikymas iš vidaus degimo variklių išmetamų dujų kietosioms dalelėms iš esmės yra neištirta sritis. Šioje disertacijoje užpildoma spraga tarp alternatyviųjų degalų strategijų ir akustinės aglomeracijos technologijos integravimo. Įvadiniame skyriuje pateikiama problemos formuluotė, darbo objektas ir svarba, darbo tikslas ir uždaviniai. Pateikiamas mokslinis naujumas, eksperimentų metu gautų rezultatų teorinė ir praktinė vertė, autoriaus paskelbtų mokslinių publikacijų sąrašas. Pirmajame skyriuje apžvelgiami įvairūs alternatyvieji degalai. Jame daugiausia dėmesio skiriama degalų maišymo svarbai siekiant geresnių rezultatų. Nustatyta, kad mažesnis C/H santykis ir didesnis deguonies kiekis turi vienodą įtaką išmetamųjų teršalų kiekiui esant panašioms apkrovoms. Taip pat pateikiama literatūros apie akustinės aglomeracijos koncepciją apžvalga ir kai kurių ankstesnių tyrimų rezultatai. Antrąjį skyrių sudaro metodologinė ir teorinė disertacijos dalis. Sukurtas naujoviškas akustinės aglomeracijos skaičiavimo modelis, kuriame dominuojančiais pirmosios eilės efektais laikomi akustinio sužadinimo efektas ir ortokinetinė sąveika. Taip pat pateikiama variklio sąranka, įmonėje sukurtos akustinės kameros specifikacija bei naudoti įvairių rūšių alternatyvieji degalai ir jų mišinių savybių skaičiavimai. Skaičiavimo ir eksperimentinės analizės rezultatai pateikiami 3 skyriuje. Toliau aiškinamas dalelių, veikiamų akustinio poveikio, elgsenos skaičiavimas. Pasirinktų alternatyviųjų degalų mišinių dalelių emisijos eksperimentiniai rezultatai lyginami su dyzelinių degalų emisijos eksperimentiniais rezultatais. Tiriamas ir lyginamas aglomeracijos poveikis dalelėms. Pateikiama išmetamųjų dujų recirkuliacijos įtaka dalelėms. Taip pat tiriamas dažnio pokyčio poveikis dalelių aglomeracijai. Disertacijos tema paskelbti 5 moksliniai straipsniai: 3 – Web of Science duomenų bazės leidiniuose su citavimo todikliu; 2 – Web of Science duomenų bazės konferencijų straipsnių rinkiniuose.