The thesis presents an experimental investigation of combustion performance and emissions of waste cooking oil (WCO) based biodiesel. To evaluate the comparative performance of biodiesel and diesel, combustions tests were conducted using Continuous Combustion rig (CCR) and Land Rover VM diesel engine. Firstly, physical properties of WCO biodiesel and diesel samples were measured in the laboratory. Elemental analysis of WCO biodiesel showed that there are differences between the functional groups in diesel and biodiesel which lead to major differences in the combustion characteristics of the two fuel types. It was found that biodiesel had 10% lower carbon content, almost no sulphur content for biodiesel and up to 12% more oxygen content compared with diesel. This explains the lower caloric value for WCO biodiesel (up to l8 %) compared with diesel. However, higher oxygen content and double bounds in WCO biodiesel increase its susceptibility to oxidation. The CCR test results showed an increase in combustion gas temperature with the increases in biodiesel blend ratio in diesel. This was due to a faster reaction rate for biodiesel than that of diesel leading to a faster brakeage of the hydrocarbon chain to release more heat. The engine tests were performed to measure the torque and emissions for different engine speeds and loads. In general a decrease in engine torque with up to 9% for biodiesel was observed, which was due to the lower calorific value of biodiesel compared with that of diesel. The brake specific fuel consumption (BSFC) increased as the biodiesel blend ratio in diesel increases due a greater mass of fuel being injected at a given injection pressure, compared with diesel. Using WCO blends ratio up to 75% in diesel showed a reduction in exhaust emission compared with diesel, however, at the cost of increased fuel consumption. A common conclusion can be drawn in favour of the WCO biodiesel as being a greener alternative to petro-diesel when used in blend with diesel. However, due to large variations in the biomass used for biodiesel production could lead to variations in physical and chemical properties between biodiesel produced from different biomass. Therefore more stringent standards need to be imposed for biodiesel quality in order to diminish the effect of variation in physicochemical properties on engine performance and emissions. The future work in developing standard test procedures for establishing fuel properties and limits/targets would be beneficial in using a large amount of waste cooking oil in the production of biodiesel, thus contributing to reduction in CO2 and waste minimisation.

Mit dieser wissenschaftlichen Arbeit wurde eine geschlossene Kette von Versuchsträger und Messtechniken geschaffen, die eine detaillierte und grundlegende Analyse der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung von der Ausbildung des Sprays in der kalten Einspritzkammer über die Detektion der Kraftstoffverdampfung in der heißen Einspritzkammer und der spektralen Analyse der Verbrennung des Kraftstoffes in den verschiedenen Wellenlängenbereichen im Transparentmotor ermöglichen. Für eine richtige Interpretation der optischen Messungen ist die quantitative Analyse des Verbrennungsprozesses im Einzylinder-Forschungsmotor hinsichtlich der Abgasemissionen und des Wirkungsgrades der Verbrennung unentbehrlich. So zeigte die optische Grundvermessung der Einspritzdüsen mit den unterschiedlichen Spritzlochgeometrien in der kalten Einspritzkammer unter der Anwendung der Streulichtmesstechnik eine sehr gute Strahlsymmetrie des Sprays während des Einspritzvorganges und eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Einspritzvorgänge. Dies liegt unter anderem in der Bauform der Einspritzdüse mit Sackloch begründet. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Durchflusskoeffizienten des Spritzloches ein kompakteres Spray mit einer höheren Eindringgeschwindigkeit und düsenfernerem Strahlaufbruch generiert. Die Versuche zum Verdampfungsverhalten des Kraftstoffsprays in der heißen Einspritzkammer unter Einsatz der kombinierten Streulicht- und Schattenmesstechnik zeigten für die Spritzlochgeometrien mit erhöhtem Durchflusskoeffizienten eine Verlagerung des verdampften Kraftstoffvolumens in düsenferne Gebiete und eine Erhöhung der Eindringtiefe des flüssigen Kraftstoffes. Die Anwendung der Streulichtmesstechnik zur Detektion des flüssigen Kraftstoffes und der Einsatz von Kamerasystemen zur Erfassung des Eigenleuchtens im ultravioletten Spektralbereich und im sichtbaren Spektralbereich der Verbrennung im Transparentmotor belegen eine deutliche Intensivierung des Strahlaufbruchs in düsenfernen Bereichen für die Einspritzdüsen mit steigendem Durchflusskoeffizienten. Das führt zu einer verbesserten Gemischaufbereitung unter der Ausnutzung des in diesen Gebieten vermehrt zur Verfügung stehenden Sauerstoffes. Im Emissionspunkt mit hohem Einspritzdruck wird die Brennraumwand intensiv in die Gemischaufbereitung und die Verteilung des Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches eingebunden. Die Einführung zusätzlicher motorrelevanter Parameter wie Voreinspritzung und Abgasrückführung im Emissionspunkt verdeutlichen die Möglichkeit der Absenkung der Rußemissionen beim Einsatz von Spritzlöchern mit erhöhtem Durchflusskoeffizienten. In diesen Betriebspunkten mit geringer Motorlast wird mit der weiteren Optimierung der Strömungsverhältnisse im Spritzloch durch den Einsatz der ks-Spritzlochgeometrie die Gemischbildung und Verbrennung so intensiviert, dass eine nochmalige Senkung der Rußemissionen erzielt werden konnte. Durch den Einsatz von Einspritzdüsen mit ks-Spritzlochgeometrie kann gegenüber Einspritzdüsen mit konischen Spritzlöchern eine positive Beeinflussung der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung in allen untersuchten Lastpunkten nachgewiesen werden. So erzielt man im Schwärzungspunkt mit der Erhöhung des Durchflusskoeffizienten sinkende Rußemissionen und eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Verbrennung. Im Leistungspunkt konnte ein Abnehmen der Rußemissionen bei einem vergleichbaren Wirkungsgrad der Verbrennung festgestellt werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die Spritzlochgeometrie der Einspritzdüse einen wichtigen Parameter darstellt, die Wechselwirkung des Sprayaufbruchs und die Ausnutzung der Ladungsbewegung im Brennraum mit der Interaktion des aufbereiteten Kraftstoffes an der Brennraumwand so zu steuern, dass die Abgasemissionen schon innermotorisch gesenkt und der Aufwand an Abgasnachbehandlungssystemen auf ein Minimum reduziert werden kann.

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Contexte : L’exposition professionnelle aux sous-produits de combustion est répandue et peut contribuer à l'étiologie du cancer du sein. Cette étude vise à estimer l’association entre l’exposition professionnelle à certains sous-produits de combustion et le risque postménopausique de cancer du sein. Méthodes : Cette étude cas-témoins populationnelle comprenait des femmes ménopausées âgées de 47-75 ans résidant à Montréal, Québec (2008-2011). Les cas incluaient 695 femmes ayant reçu un diagnostic cancer du sein malin et 608 témoins sélectionnés aléatoirement à partir de la Liste électorale du Québec, appariés aux cas en fréquence (groupes d'âge de 5 ans). L’information sur les facteurs de risque et l'historique professionnel a été recueillie par entrevue. Des hygiénistes industriels ont évalué l'exposition à 293 agents, dont six sous-produits de combustion. Le risque de cancer du sein associé à l'exposition professionnelle à certains sous-produits a été estimé, pour l'ensemble des tumeurs et leurs sous-types moléculaires, par régression logistique inconditionnelle avec rapports de cotes ajustés (RC) et intervalles de confiance à 95 % (IC 95%). Résultats : Des associations positives suggestives ont été trouvées entre l'exposition aux hydrocarbures aromatiques polycycliques et certains sous-types moléculaires de tumeurs : toutes tumeurs, RC=1,18 (IC95%=0,80-1,76), tumeurs luminales A, RC=1,25 (IC95%=0,81-1,93) et tumeurs luminales B, RC=2,09 (IC95%=0,87-4,60). Un risque élevé a été observé avec l'exposition aux fumées de cuisson pour les tumeurs HER2-enrichies (RC=2,63, IC95%=0,98-6,40). Conclusion : L'exposition à certains sous-produits de combustion peut augmenter le risque de certains sous-types moléculaires de cancer du sein. Des études futures explorant cette association sont justifiées. / Background: Postmenopausal breast cancer is the most common cancer among women, yet little is known about its association with occupational exposures. Exposure to combustion by-products is widespread in occupational settings and may contribute to breast cancer etiology. Here, we sought to estimate the association between lifetime occupational exposure to select combustion by-products and the risk of postmenopausal breast cancer. Methods: This population-based case-control study included postmenopausal women residing in Montreal, Quebec (2008-2011). Cases comprised 695 women aged 47-75 years diagnosed with incident malignant breast cancer, and 608 controls randomly selected from the Quebec Electoral List, frequency-matched to cases (5-year age groups). Information on risk factors and employment history was collected by interview. Exposure to 293 agents, including six combustion by-products was assessed by industrial hygienists. Unconditional logistic regression was used to estimate adjusted odds ratios (ORs) and 95% confidence intervals (95% CIs) for breast cancer risk, both overall and by tumor molecular subtypes, to occupational exposure to select combustion by-products. Results: We found suggestive positive associations between exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons and certain molecular subtypes of tumors: for all tumors, OR=1.18 (95% CI: 0.80-1.76), Luminal A tumors, OR=1.25 (95% CI: 0.81-1.93) and Luminal B tumors, OR=2.09 (95% CI: 0.87-4.60). Elevated risked were observed for exposure to cooking fumes for HER2-enriched tumors (OR=2.63, 95% CI: 0.98-6.40). Conclusion: Exposure to select combustion by-products may increase the risk of certain hormonal subtypes of breast cancer. Future studies exploring this association are warranted.