Morphology and nano-structure of soot in diesel spray and in engine exhaust

Rohani, Behzad,Bae, Choongsik Elsevier 2017 Fuel Vol.203 No.-

<P><B>Abstract</B></P> <P>This work investigates how morphology and nano-structure of the soot particles produced in a diesel spray flame evolve due to the rise in the temperature/pressure caused by the piston motion. The soot particles were sampled from the exhaust line of a diesel engine and were compared to the soot particles directly sampled from the spray flame of the same injector, in a constant volume chamber. Analysis of the high resolution transmission electron microscope (HRTEM) images acquired from the soot samples at two axial locations in the spray flame shows that the soot aggregates grow in size, become longer, more fractal and attain lower surface to volume ratio along the spray axis. However, the soot particles produced in the spray flame become smaller, shorter, less fractal, more compact and attain higher surface to volume ratio when emitted from the engine. This is discussed to be due to the increase in the oxidation rate by temperature rise caused by piston motion, and the consequent oxidation induced fragmentation of the soot aggregates. The effect of oxidation is also evident on the size of the soot primary particles, as the engine-out soot is found to have smaller primary particles compared to the soot initially produced in the spray flame. Nano-structural analysis shows that the crystallite size in the engine-out soot is increased compared to the soot originally produced in the spray flame. This suggests that among two possible effects of temperature on diesel soot crystallite size, being crystallite size increase due to enhanced graphitization from one hand, and crystallite size reduction due to oxidation enhancement from the other hand, the former effect is dominant and the soot particles become structurally more ordered under the effect of temperature rise caused by piston motion.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> Soot was sampled in two locations in diesel spray flame and also at engine exhaust. </LI> <LI> Morphological and nano-structural analysis was done by TEM image processing. </LI> <LI> Soot particles become larger and more fractal along the spray axis. </LI> <LI> Engine-out particulates become smaller and less fractal compared to spray soot. </LI> <LI> Engine-out particulates become nano-structurally more ordered compared to spray soot. </LI> </UL> </P>

오프셋印刷用 傳統 松烟墨의 開發에 관한 實驗的 硏究

박문열 한국서지학회 2013 서지학연구 Vol.54 No.-

The purpose of this experimental study is to development of Korean traditional pine pitch soot ink for offset printing. The major findings are as follows:(1) Korean traditional inks have been classified into pine-pitch ink and oil-pitch ink by the type of their main ingredient, soot. It has been known that pine-pitch ink is appropriate for block printing, while oil-pitch ink is suitable for printing with movable types. (2) To develop Korean traditional pine pitch soot ink for offset printing, various types of PS(pre-sensitized) plates which imitated manuscripts, woodblocks, wooden and metal type plates were produced, and a special pine pitch soot ink was made from mixing traditional pine pitch soot ink and ink softener such as soybean oil, castor oil, etc. Using those PS plates and a special pine pitch soot ink, this study compared and examined offset printed materials which were printed trially on printing papers and Korean traditional mulberry papers. (3) The study confirms that the materials printed with special pine pitch soot ink were shown a much higher quality than other materials using existed soot ink when they were printed on Korean traditional mulberry papers by offset printing method. This result suggest that this special pine pith soot ink can be possible to make original state reproduction or existing state reproduction having affinity and durability but without flotation. (4) It is necessary to progress the studies to develop various Korean traditional pine pitch soot ink for offset printing and to find new ink softeners which have a higher material affinity with offset printing, pine-pitch soot ink and Korean traditional mulberry papers. According to these following studies, the manufacturing method of Korean traditional oil pitch soot ink will be excepted to restore and industrialize. 본 硏究는 代替本의 製作에 필요한 오프셋印刷用 傳統 松煙墨의 개발을 위한 實驗的 考察로, 그 結果를 要約하면 다음과 같다. (1) 傳統 墨은 主成分인 炭粉의 종류에 따라 松烟墨과 油煙墨으로 나누어지며, 版印刷에는 松烟墨이 적합하고 活字印刷에는 油煙墨이 적합한 것으로 알려져 왔다. (2) 오프셋印刷用 傳統 松烟墨의 개발을 위하여 筆寫本․木版本․木活字本․金屬活字本 등 각종 版本의 書影을 PS版으로 제작하고 傳統 松烟墨과 柔軟劑를 배합한 特殊 松烟墨으로 印刷用紙와 傳統 韓紙 등에 實驗用으로 印刷한 오프셋印刷物을 다각도로 比較․檢討하였다. (3) 전통 松烟墨에 大豆油․蓖麻油 등의 柔軟劑를 배합한 特殊 松烟墨으로 傳統 韓紙에 오프셋印刷를 할 경우 旣存의 잉크墨을 이용한 오프셋印刷보다 훨씬 高品質의 印刷가 가능하며, 따라서 代替本의 製作에 있어서도 浮遊感이 없고 親和力과 耐久力이 강한 原狀複製나 現狀複製가 충분히 可能하다. (4) 오프셋印刷에 적합한 다양한 傳統 松烟墨의 製造法의 개발은 물론 오프셋印刷와 傳統 松烟墨 및 傳統 韓紙 등 物性間의 親和力이 더욱 높은 柔軟劑를 찾는 後續 硏究가 절실하며, 이러한 硏究를 통해 傳統 松烟墨의 製造法이 완벽하게 復元되고 産業化될 수 있기를 기대하는 바이다.

디젤 엔진의 0D Soot 모델 개발 Part. 2: Soot 모델링

이영복(Youngbok Lee),이용주(Yongjoo Lee),문선영(Sunyoung Moon),민경덕(Kyoungdoug Min),이승하(Seungha Lee),노영준(Youngjun Roh) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

환경 오염 문제에 대한 관심으로 각국은 차량에서 배출되는 유해물질들에 대한 규제를 더욱 강화하고 있다. NOx와 함께 디젤 엔진의 주요 배기 배출 물질 중 하나인 soot은 연료 스프레이에서의 비균질한 혼합기 형성으로 인해 생성된다. 현재 대부분의 디젤 차량들은 엔진에서 배출되는 soot을 여과하기 위해 DPF (Diesel Particulate Filter)를 장착하고 있다. 하지만 배기 온도를 상승시켜 DPF를 재생하는 과정에서 열에너지의 배기손실로 인한 연비 악화가 따르며, 이를 막기 위해 엔진 배출 soot을 저감 시켜 DPF 재생 횟수를 최소화할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 engine-out soot을 실시간으로 예측하기 위한 0-D soot 모델을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 semi-empirical soot 모델은 디젤엔진의 연소 과정 중 soot의 생성과 산화를 모두 고려하며, 특히 soot의 생성과 큰 연관이 있다고 알려진 lift-off length에서의 당량비를 스프레이 모델을 통해 계산하여 soot 생성모델의 주요 인자로 활용하였다. 이 외에 soot 생성의 근원이 되는 연료의 분사량과 soot 생성 기간을 대표하는 연소구간을 soot 생성 모델에 활용하였다. Soot 산화 모델에는 Nagle 과 Strickland-Constable이 제시한 산화율을 주요 인자로 활용하였다. 개발된 soot 모델은 냉각수온도/흡기온도 등의 환경 조건 변화가 포함된 정상상태 실험에서 결정계수 0.9 이상의 예측 결과를 보여주었으며 WLTC (Worldwide harmonized Light-duty vehicles Test Cycles) 과도상태 실험에서 soot 배출 누적량을 10% 이내로 예측하였다. 본 연구에서 개발한 soot 모델을 활용하여 엔진 배출 soot 최소화를 위한 실시간 제어 전략에 활용할 수 있으며 강화되고 있는 RDE (Real Driving Emission) 규제에 대응하기 위한 엔진 개발 및 실도로 시험에 소요되는 시간과 노력을 절약할 수 있다.

선박용 디젤 엔진 수트의 발생원에 따른 구조적 특성 연구

강준,최재혁,윤성환,김수양,김준수,장하식,이원주 해양환경안전학회 2020 해양환경안전학회지 Vol.26 No.1

In this study, we analyzed the structural characteristics of soot, which is one of the anticipated regulatory substances of the IMO, and used a novel classification method to distinguish between exhaust soot and engine soot in marine engines. As an extension of a recent study on exhaust soot recycling, annealing was performed at 2,000 °C on engine soot to determine whether it could be recycled. Soot samples before and after annealing were analyzed using HR-TEM and Raman spectroscopy. The HR-TEM results showed that exhaust soot and engine soot had similar nanostructures; the exhaust soot has a spherical primary particle with a chain-like structure, whereas engine soot particles have amorphous structures. The Raman spectroscopy showed a D-peak and a G-peak for both exhaust soot and engine soot. However, the G/D ratio indicated that the value of exhaust soot was relatively higher than that of engine soot, which implies that the exhaust soot has a more graphitized structure. The analysis of annealed engine soot confirmed that graphitization proceeded without any problems, similar to the exhaust soot. This confirmed that both exhaust soot and engine soot generated by marine diesel engines could be recycled as graphite materials. 본 연구에서는 IMO의 향후 예상 규제 물질 중 하나인 수트를 선박용 엔진을 대상으로는 최초로 배기 수트와 엔진 수트로 구분하여 구조적 특성의 비교 분석을 시도하였다. 그리고 최근 발표되고 있는 배기 수트 재활용 연구의 연장선상에서 엔진 수트의 재활용 가능성 여부를 확인하기 위하여 2,000℃로 열처리를 시행하였고, 열처리 전·후의 수트를 고분해능 전자현미경과 라만분광법을 통해 분석하였다. 전자 현미경을 통한 분석 결과, 배기 수트와 엔진 수트는 유사한 형태의 나노 구조를 가지고 있으나, 배기 수트는 구형의 1차 입자가 체인형 결합구조를 가지고 있었고, 엔진 수트는 배기 수트에 비해 무정형한 구조가 확인되었다. 라만분광법 분석 결과, 배기 수트와 엔진 수트 모두 D peak(1,350cm⁻¹)와 G peak(1,580~1,600cm⁻¹)가 확인되었다. 다만, G/D ratio는 엔진 수트에 비해 배기 수트가 상대적으로 높게 나타나며, 이는 배기 수트가 더 흑연화 된 구조를 나타냄을 의미한다. 열처리 후의 분석 결과, 엔진 수트도 배기 수트와 유사하게 흑연화가 문제없이 진행됨을 확인하였고, 이를 통해 선박용 디젤엔진에서 발생하는 배기 수트와 엔진 수트 모두 흑연재료로 재활용이 가능함을 확인하였다.

오프셋印刷用 傳統 油烟墨의 開發에 관한 實驗的 硏究

박문열 한국서지학회 2013 서지학연구 Vol.55 No.-

The purpose of this experimental study is to development of Korean traditional oil pitch soot ink for offset printing. The major findings are as follows:(1) Korean traditional inks have been classified into pine pitch ink and oil pitch ink by the type of their main ingredient, soot. It has been known that pine pitch ink is appropriate for block printing, while oil pitch ink is suitable for printing with movable types. (2) To develop Korean traditional oil pitch soot ink for offset printing, various types of PS(pre-sensitized) plates which imitated manuscripts, woodblocks, wooden and metal type plates were produced, and a special oil pitch soot ink was made from mixing traditional oil pitch soot ink and ink softener such as soybean oil, perilla oil and castor oil, etc. Using those PS plates and a special oil pitch soot ink, this study compared and examined offset printed materials which were printed trially on printing papers and Korean traditional mulberry papers. (3) The study confirms that the materials printed with special oil pitch soot ink were shown a much higher quality than other materials using existed soot ink when they were printed on Korean traditional mulberry papers by offset printing method. This result suggest that this special oil pith soot ink can be possible to make original state reproduction or existing state reproduction having affinity and durability but without flotation. (4) It is necessary to progress the studies to develop various Korean traditional oil pitch soot ink for offset printing and to find new ink softeners which have a higher material affinity with offset printing, pine pitch soot ink and Korean traditional mulberry papers. According to these following studies, the manufacturing method of Korean traditional oil pitch soot ink will be excepted to restore and industrialize. 본 硏究는 代替本의 製作에 필요한 오프셋印刷用 傳統 油煙墨의 개발을 위한 實驗的 考察로, 그 結果를 要約하면 다음과 같다. (1) 傳統 墨은 主成分인 炭粉의 종류에 따라 松烟墨과 油煙墨으로 나누어지며, 版印刷에는 松烟墨이 적합하고 活字印刷에는 油煙墨이 적합한 것으로 알려져 왔다. (2) 오프셋印刷用 傳統 油煙墨의 개발을 위하여 筆寫本․木版本․木活字本․金屬活字本 등 각종 版本의 書影을 PS版으로 제작하고 傳統 油煙墨과 柔軟劑를 배합한 特殊 油煙墨으로 印刷用紙와 傳統 韓紙 등에 實驗用으로 印刷한 오프셋印刷物을 다각도로 比較․檢討하였다. (3) 전통 油煙墨에 大豆油․荏子油․蓖麻油 등의 柔軟劑를 배합한 特殊 油煙墨으로 傳統 韓紙에 오프셋印刷를 할 경우 旣存의 잉크墨을 이용한 오프셋印刷보다 훨씬 高品質의 印刷가 가능하며, 따라서 代替本의 製作에 있어서도 浮遊感이 없고 親和力과 耐久力이 강한 原狀複製나 現狀複製가 충분히 可能하다. (4) 오프셋印刷에 적합한 다양한 傳統 油煙墨의 製造法의 개발은 물론 오프셋印刷와 傳統 油煙墨 및 傳統 韓紙 등 物性間의 親和力이 더욱 높은 柔軟劑를 찾는 後續 硏究가 절실하며, 이러한 硏究를 통해 傳統 松烟墨의 製造法이 완벽하게 復元되고 産業化될 수 있기를 기대하는 바이다.

디젤 엔진에서 생성된 크랭크케이스 수트의 재활용 가능성 연구

김수양,최재혁,노범석,김준수,강준,이원주 해양환경안전학회 2021 해양환경안전학회지 Vol.27 No.1

본 연구에서는 선박용 디젤 엔진에서 발생되는 크랭크케이스 수트(soot)의 재활용 가능성을 검토하기 위하여, 수트를 배기관에서 발생하는 수트와 크랭크케이스에서 발생한 수트로 분류하고, 열처리에 따른 수트의 구조적 특성을 분석하였다. 열처리는 아르곤 가스 분위기에서 2,000℃와 2,700℃로 열처리를 수행하였고, 샘플의 구조적 특성 분석을 위해 라만분광법(Raman spectroscopy)과 고분해능 전자현 미경(HRTEM)을 활용하였다. 또한, 취득한 HRTEM 이미지를 정량적으로 분석하기 위해 디지털 이미지 처리(Digital Image Processing) 기법을 활용하였다. 라만 분석 결과, 배기 수트와 2,700℃로 열처리한 수트에서 상대적으로 높은 G/D ratio가 나타났다. HRTEM 이미지에서는 두 수트 모두 유사한 형태의 흑연화된 나노 구조를 확인할 수 있었으나, 수트의 종류와 열처리 온도차에 따른 흑연화 정도의 차이를 정량 적으로 도출할 수 없는 한계가 있었다. 이에 Digital Image Processing을 통해 HRTEM 이미지의 fringe의 길이와 곡률을 정량적으로 분석하였으며, 라만 분석과 일치하는 결과를 도출할 수 있었다. 이는 배기 수트가 크랭크케이스 수트에 비해 더 흑연화 된 구조를 가지는 것을 의미하며, 더 높은 온도에서 열처리 할 경우 흑연의 구조로 더 잘 발달함을 의미한다. 본 연구의 결과로 크랭크케이스 수트 역시 배기 수트 와 마찬가지로 흑연계 재료로 재활용이 가능함을 확인하였다. In this study, we attempted to comparatively analyze the structural characteristics of soot generated from marine engines to review the possibility of recycling crankcase soot by classifying it as exhaust soot and crankcase soot. The annealing procedure was performed in an argon gas atmosphere at 2,000℃ and 2,700℃, and Raman spectroscopy and High-Resolution Transmission Electron Microscopy(HRTEM) were used to analyze the structural properties of the samples. Furthermore, digital image processing techniques were utilized to quantitatively analyze the acquired HRTEM images. The Raman analysis demonstrated a relatively high G/D ratio in the exhaust soot and annealing conditions at 2,700℃. In the HRTEM images, both soot were able to identify similar forms of graphite nanostructures, but there were limitations in that they could not quantitatively derive differences in the degree of graphite depending on the type of soot and annealing temperature. Thus, digital image processing quantitatively analyzed the length and tortuosity of the fringe of the HRTEM image, which is consistent with the Raman analysis. This meant that the exhaust soot had a more graphite structure than the crankcase soot, and that annealing at a higher temperature improved the graphite structure. This study confirmed that both the crankcase soot and exhaust soot can be recycled as a graphite materials.

Analytical Study on Soot Formation in a Diesel Engine

Sangsu Lee,Nakwon Sung,Jeongmin Lee,Hongsuk Kim 대한기계학회 2007 JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.21 No.1

The soot formation inside a diesel engine was studied by the analytical model. The soot is formed from gaseous carbon atoms by the phase change under the saturation condition. This soot model is implemented into the KIVA-3V code. From the results of the model, it is found that the fuel rich core of spray inside a flame is the main source of soot. The effect of injection timing is investigated by the soot model. When the injection timing is advanced, the formation of soot is suppressed because of high saturation pressure. The soot formation is increased when the injection timing is retarded mainly due to the decreased soot oxidation at low cylinder temperature.

The 2D Measurement of Soot Diameter and Number Density in a Diesel Engine Using Laser Induced Methods

Lee, Myung-Jun,Yeom, Jung-Kuk,Ha, Jong-Yul,Chung, Sung-Sik The Korean Society of Mechanical Engineers 2001 JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.15 No.9

It is necessary to diagnose accurately the characteristics of soot formation and oxidation in a diesel engine. Whereas past measurement techniques for soot concentration give limited information for soot, laser-based two-dimensional imaging diagnostics have a potential to provide temporally and spatially superior resolved measurements of the soot distribution. The technique using laser sheet beam has been applied to an optically accessible diesel engine for the quantitative measurement of soot. The results provided the information for reduction of soot from the diesel engine. Both LIS (Laser Induced Scattering) and LII (Laser Induced Incandescence) techniques were used simultaneously in this study. The images of LIS and LII showed the quantitative distribution of the soot concentration in the diesel engine. In this study, several results were obtained by the simultaneous measurements of LIS and LII technique. The diameter and number density of soot in combustion chamber of the test engine were obtained from ATDC 20 degree to 110 degree. The soot diameter increased about 37% between ATDC 20 degree and 110 degree. The number density of soot, however, decreased significantly between ATDC 40 degree and 70 degree.

광학적 진단을 활용한 가솔린 직분사 인젝터의 soot 생성 계측 및 정량화

정종원(Jongwon Chung),김우재(Woojae Kim),김정현(Junghyun Kim),민경덕(Kyoungdoug Min) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

최근 전세계적으로 강화되고 있는 연비 규제와 배기 규제로 인해 고효율, 저배기 엔진에 대한 요구가 커지고 있다. 가솔린 엔진 분야에서는 연료를 흡기 포트에 분사하는 PFI 엔진 대신 연료를 연소실에 직접 분사하는 GDI 엔진을 사용하여 연비 향상을 꾀하고 있다. 그러나 기존 PFI 엔진에 비해 GDI 엔진의 경우 연소실 내에 연료를 직접 분사하기 때문에 soot 생성량이 증가하는 문제점이 발생한다. DISI 엔진에서 soot 생성 요인 인자를 분석하면 불균일한 혼합기 형성, 연료 액막에서 나오는 열분해, 그리고 인젝터 팁의 침전물 형성 등 크게 세 가지로 분류가 가능하다. 그 중에서도 액막 형성에 의한 열분해로 생성되는 soot의 경우 냉시동 조건에서 생성되는 soot 생성량의 약 60 % 이상의 비중을 차지한다. 액막 형성에 의한 soot 생성 특성을 분석하기 위해 이전 선행 연구에서 DBIEI (Diffused Back Illumination Extinction Imaging) 기법을 사용하여 soot 생성 특성을 분석하였다. 그러나 DBIEI 기법을 활용한 soot 계측의 경우, 해당 기법을 활용한 정량화 과정이 검증되지 않은 부분이 있다. 따라서 본 연구에서는 가솔린 직분사 인젝터의 soot 생성에 대해 DBIEI 기법을 이용하여 계측하고, 계측된 결과를 정량화 하는 과정을 설명하고자 한다. DBIEI 기법을 적용하는 동시에 soot 측정 장비를 활용하여 두 가지 방법이 soot 생성량을 계산하는 과정을 설명하고 비교하는 과정을 통해DBIEI 기법의 정량화 과정을 검증하였다.

백금 코팅 메탈필터소재의 Soot 산화반응에 대한 활성 연구

홍성창 ( Sung Chang Hong ),김성수 ( Sung Su Kim ),이상문 ( Sang Moon Lee ),장두훈 ( Du Hun Jang ),배세현 ( Se Hyun Bae ) 한국공업화학회 2011 공업화학 Vol.22 No.4

백금이 코팅된 메탈 필터 소재의 NOx, soot 산화반응의 안정성 및 활성에 대하여 연구하였다. NOx와 soot 산화실험은 독립 또는 동시에 반응시킨 조건으로 수행되었다. 그 결과, 백금이 코팅된 소재는 20%의 NO의 NO2로의 전환반응, 약 10%의 NOx 분해반응 그리고 soot의 완전산화반응이 진행됨을 보였다. Soot 산화반응은 NO2의 생성으로 인하여 반응온도가 더 저온으로(약 30 ℃) 이동할 수 있었다. 코팅 소재는 Pt/Al2O3 또는 Pt/TiO2 촉매보다 표면구조의 안정성 으로 인하여 열충격에 대한 내구성이 우수하였다. The activity and stability of the metal filter material Pt coated on NOx and soot oxidation were examined. The catalytic reaction test for NOx and soot were also performed independently and simultaneously. As a result, it showed the NO to NO2 shift reaction with 20% conversion, NOx decomposition (about 10%) and perfect soot oxidation on the material Pt coated proceeded. Onset temperature of soot oxidation shift to lower temperature (about 30 ℃) by generated NO2. The material also was less affected by thermal shock than Pt/Al2O3 or Pt/TiO2 catalysts due to its stability of surface structure.