Soot emitted by combustion engines is a dangerous environmental pollutant and it must be kept as low as possible also to meet emission limit regulations. PM reduction strategies include reformulation / modification of existing fuels by the use of fuel additives. The principle goal of the present work is to isolate and comprehend the effect of fuel’s additives on particulate emission. During this study a self-designed burner has been implemented and optimized to obtain a laminar diesel flame. Subsequently, the combustion of pure diesel fuels and diesel fuels additised with different ether compounds (oxymethylene dimethyl ethers, OMEs, and tripropylene glycol methyl ether, TPGME), inserted in increasing concentration, has been investigated by optical methods, namely laser-induced incandescence (for evaluation of soot volume fraction), elastic light scattering (for the characterization of soot aggregate size) and two-color pyrometry (for temperature estimation). The optical diagnostics have been combined with a non-optical one, the scanning mobility particle sizer that was employed for particles diameter evaluation. The role of the additives during the soot formation process was investigated on the burner set-up and on spray flames generated in a constant volume combustion chamber (the latest was employed only for soot concentration analysis). The results found show that the production of soot (i.e. soot volume fraction) is inhibited by the addition of oxygenated additives, especially OME with longer molecular chain. The reduction of soot concentration observed, compared to the pure diesel, goes up to a maximum of 36% for the long chain OME-diesel blend and 27% for the TPGME-diesel blend, in the laminar flame conditions. This trend has been confirmed by the measurements on spray flames where the conditions are more similar to a realistic diesel engine. In this case the amount of soot produced by the diesel additised with the oxygenated species decreases up to 88% for OME-diesel blend and 84% for the TPGME-diesel blend, compared to the neat diesel (in both cases the maximum soot drop was observed at higher temperature/pressure conditions). Soot aggregate size is also found to be affected by additives addition. In particular, the soot aggregate size obtained for OME-diesel blend is ~20% smaller than the one obtained for the pure diesel, while TPGME decreases aggregate size of ~13% compared to pure diesel. The same trend has been obtained from scanning mobility particle sizer measurements. On the contrary, soot temperature does not seem to vary significantly when additives are inserted. Overall, the burner implemented and the laminar flame obtained allowed a successful characterization of soot properties by using optical and non-optical diagnostics. Generally, the additive’s effect on soot concentration and morphology results to be in most cases proportional to the additive’s concentration and the number of C-O bonds in the additive’s molecule. Furthermore, the results of this study show that, although the effect of additives is observed during the whole combustion, the maximum reduction of soot concentration and size is achieved at the end of the combustion process. The additives seem to enhance the oxidation process due to their molecular structure that can release oxygen.

Der von Verbrennungsmotoren ausgestoßene Feinstaub (PM), der auch als Ruß bezeichnet wird, ist ein gefährlicher Umweltschadstoff und wird so gering wie möglich gehalten, um die Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Zu den Strategien zur Reduzierung von PM gehören die Neuformulierung/Modifizierung bestehender Kraftstoffe durch den Einsatz von Kraftstoffadditiven. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Wirkung der Kraftstoffadditive auf die Partikelemission zu isolieren und zu verstehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein selbst entworfener Brenner implementiert und optimiert, um eine laminare Dieselflamme zu erhalten. Anschließend wurde die Verbrennung von reinen Dieselkraftstoffen und Dieselkraftstoffen, die mit verschiedenen Etherverbindungen (Oxymethylendimethylether, OMEs, und Tripropylenglykolmethylether, TPGME), die in zunehmender Konzentration zugesetzt wurden, mit optischen Methoden, nämlich laserinduzierter Inkandeszenz (zur Auswertung des Rußvolumenanteils), elastischer Lichtstreuung (zur Charakterisierung der Rußaggregatgröße) und Zweifarb-Pyrometrie (zur Temperaturabschätzung) untersucht. Die optische Diagnostik wurde mit einer nicht-optischen kombiniert, dem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS), der zur Auswertung des Partikeldurchmessers eingesetzt wurde. Die Rolle der Additive während des Rußbildungsprozesses wurde an der Brennereinrichtung und an Sprühflammen, die in einer Brennkammer mit konstantem Volumen erzeugt wurden, untersucht (letztere wurden nur für die Analyse der Rußkonzentration verwendet). Die gefundenen Ergebnisse zeigen, dass die Rußbildung (d.h. der Rußvolumenanteil) durch die Zugabe von sauerstoffhaltigen Additiven, insbesondere OME mit längerer Molekülkette, gehemmt wird. Die beobachtete Verringerung der Rußkonzentration im Vergleich zum reinen Diesel geht unter den laminaren Flammenbedingungen bis zu einem Maximum von 36% für die langkettige OME-Dieselmischung und 27% für die TPGME-Dieselmischung. Dieser Trend wurde durch die Messungen an Sprühflammen bestätigt, wo die Bedingungen einem realistischen Dieselmotor ähnlicher sind. In diesem Fall sinkt die Rußmenge, die von dem mit der sauerstoffhaltigen Spezies versetzten Diesel erzeugt wird, im Vergleich zum reinen Diesel um bis zu 88% für OME-Dieselgemische und 84% für das TPGME-Dieselgemische (in beiden Fällen wurde der maximale Rußabfall bei höheren Temperatur-/Druckbedingungen beobachtet). Es wird auch festgestellt, dass die Rußaggregatgröße durch die Zugabe von Additiven beeinflusst wird. Insbesondere ist die für OME-Dieselgemisch erhaltene Rußaggregatgröße ~20% kleiner als die für reinen Diesel, während TPGME die Aggregatgröße um ~13% im Vergleich zu reinem Diesel verringert. Der gleiche Trend wurde aus den SMPS Messungen erhalten. Im Gegenteil scheint die Rußtemperatur nicht signifikant zu variieren, wenn Additive eingesetzt werden. Insgesamt ermöglichten der eingesetzte Brenner und die erzielte laminare Flamme eine erfolgreiche Charakterisierung der Rußeigenschaften durch optische und nicht-optische Diagnostik. Im Allgemeinen ist die Wirkung des Additivs auf die Rußkonzentration und Morphologie in den meisten Fällen proportional zur Konzentration des Additivs und der Anzahl der C-O-Bindungen im Molekül des Additivs. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass, obwohl die Wirkung von Additiven während der gesamten Verbrennung beobachtet wird, die maximale Reduktion der Rußkonzentration und -größe am Ende des Verbrennungsprozesses erreicht wird. Die Additive scheinen aufgrund ihrer Molekularstruktur, die Sauerstoff freisetzen kann, den Oxidationsprozess zu fördern.