国外生质柴油车辆适用性研究文献分析.docx
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国外生质柴油车辆适用性研究文献分析
國外生質柴油車輛適用性研究文獻分析
1.生質柴油料源特性差異
生質柴油的原料多不勝數,主要為植物或是動物性油脂,國際上主流的料源有:
廢食用油(WasteCookingOil)、大豆油(Soybeenoil)、油菜籽油(Rapebeenoil)、棕櫚油(Plamoil)、蓖麻油(Castoroil)及痲瘋樹籽油(Jatrophaoil),由於各種原料的成分不一(如圖1-1所示),也使其所製成之生質柴油各具有不同的特性,對於引擎也會產生不同的影響,由圖1-2、1-3【2】中可看出縱使引擎的運轉條件不變,在使用不同原料的情形下排污的狀況就會發生變化。
圖1-1生質柴油原料的飽和及不飽和脂肪酸剖面圖【1】
圖1-2使用不同料源生質柴油NOX排放狀況【2】
圖1-3使用不同料源生質柴油HC排放狀況【2】
(A)廢食用油(WasteCookingOilMethylEsters,WME)
我國與日本皆以廢食用油做為生質柴油的主流原料,其優點在於能將廢棄不用的食用油回收利用,因此原料的成本較低,但也因原料油品的品質不一,需額外添加各種添加劑,或參雜不同種類的原料,使其性質合乎標準規範,另一方面,因廢食用油的來源有限,因此產量上也有所受限。
在羅馬尼亞的一項研究中【3】,利用回收麥當勞的廢食用油為原料的WME,比較其各項性質結果發現,與當年之ASTMD6751:
2003標準相較,其密度(0.857g/cm3)與閃火點(110℃)符合標準規範,而黏度(5.7
)、酸價(0.92mgKOH/g)與灰份比例(0.028%)皆高於高於國際標準。
另一方面,使用WME時由於:
燃油輸送循環、壓力波的傳遞時間、平均噴射比例及最大噴射壓力都會受到影響而造成燃燒時間提前,如圖1-4~1-9所示。
燃燒時間的提早將會影響引擎的排放、燃燒壓力的峰值、壓力上升的速率及馬力的輸出,而較低的平均噴射時間也會使霧化的品質受到影響,為了消除負面的影響,可提高初期的噴射壓力及調整噴油的時間。
在一項利用WME的研究測試中,【4】使用雷諾Megane車輛進行7500公里的冬季耐久測試,該車配備四缸四行程、排氣量1870c.c.及最大馬力75kW@4000rpm的柴油引擎,測試結果發現,使用WME引擎馬力、扭力下降了3~5%,排氣溫度及排氣壓力也較化石柴油來的低,單位燃料消耗率(sfc)無顯著變化;而在耐久試驗先期,使用WME的噴油嘴有積碳的現象,可能是冬季燃燒不完全的原因所致,在測試後期因為WME黏度下降,噴油嘴表面變的更加清潔,同時在引擎的汽缸及活塞頂表面並沒有積碳的現象。
R.Anand等人【5】,利用單缸四行程、3.7kW@1500rpm柴油引擎,採定轉速改變負載的測試型態,比較WME與化石柴油的排污差異,測試結果發現使用WME:
NOx上升56%、CO下降50%、HC下降22%、SOMKE下降61%,而SFC則增加了17%。
圖1-4WME與化石柴油的扭力變化【3】
圖1-5使用WME與化石柴油的馬力變化【3】
圖1-6使用WME與化石柴油的燃油消耗變化【3】
圖1-7使用WME與化石柴油的排氣溫度變化【3】
圖1-8使用WME與化石柴油的噴射壓力變化【3】
圖1-9使用WME與化石柴油的排氣壓力變化【3】
(B)大豆油(SoybeenMethylEsters,SME)
SEM的特性與化石柴油稍有不同,【6】SEM的黏度較化石柴油高尤其是在低溫時特別明顯,而比重大約比化石柴油高6.1%,熱值則比化石柴油低10.2%,因此【7】SEM的sfc則較化石柴油高約15~18%。
而在冷啟動的能力表現【8】,添加比例3%、10%時無顯著影響,但增加到20%時,則需要較長的時間啟動。
【9】在NorifumiMizushima等人的研究,利用棕櫚、油菜籽及大豆製成的生質柴油,以單缸四行程、排氣量2147c.c.、最大馬力25kW@2000rpm的柴油引擎,在定轉速不同負荷的穩定狀態下進行污染測試,測試結果發現如圖1-10所示,NOX的排放隨著負載的增加而增加,其中又以SME的排放最高並普遍高於化石柴油;soot的排放狀況則和NOX相反,soot隨著負載的增加而減少,其中以SEM排放量最高但仍大幅低於化石柴油。
FranciscoEmílioBaccaroNigro【10】等人,利用賓士四缸四行程、排氣量4.25L、最大馬力130kW@2200rpm的柴油引擎依歐盟88/77EEC「13MODE」測試程序,進行試驗,探討不同比例的SEM對引擎排污的影響,測試結果發現,SME添加比例每增加1%其:
NOX上升0.186±0.022%、CO下降0.277±0.041%、HC下降0.49±0.05%、PM下降0.25±0.13%。
BarbaraTerry等人【11】進行一項生質柴油對引擎元件影響的研究中,對噴油嘴進行耐久試驗,測試過程使用混合比例20%的SME,在測試機台上以定轉速1440rpm、維持500小時的條件下運行,測試結果,並沒有發現使用SEM會使油針發生膠著的現象,在噴油嘴的表面也沒有特別的髒污或積碳。
對於噴油嘴的噴射壓力、霧化及密封狀況也沒有發生顯著的改變。
圖1-10使用SME、RME與PME的NOX與soot排放狀況【28】
(C)油菜籽油(RapebeenMethylEsters,RME)
油菜籽具有高含油量,然而因菜籽油含有高量芥酸,對人體及動物有不良影響,故不被推廣為食用油脂【12】。
依據AOACInternational標準方法分析油菜籽與黃豆的基本組成成份,其結果顯示油菜籽含油量37%、粗蛋白含量21%,粗纖維含量12%、灰分含量13%、水份及其他揮發性成份為17%;黃豆含油量18%、粗蛋白含量39%,粗纖維含量12%、灰分含量17%、水份及其他揮發性成份13%。
油菜籽的含油量約為黃豆的兩倍,在歐洲以油菜籽作為生質柴油的主要原料。
DaisukeKawano等人【13】為了解RME對於現代車輛的影響,利用RME(B100)與化石柴油,以JE05的行車型態進行試驗,測試引擎為HINON04C-TA,該引擎為四缸四行程、排氣量4009c.c.、最大馬力110kW@3000rpm、備配共軌噴射、EGR及DPNR等先進後處理器,圖1-11測試結果發現NOX與PM有上升的現象,而HC與CO則較化石柴油低。
HuLi等人【14】利用一部六缸四行程、排氣量6.0L、最大馬力134kW@2600rpm、符合歐盟二期環保的柴油引擎,進行REM與化石柴油的排污比較,在穩定轉速且動力輸出為47kW的狀態下,使用RME時:
NOX上升4%、CO、HC、PM分別下降24%、43%與37%。
GvidonasLabeckas【15】等人,在試驗中發現RME的在最大扭力及最大馬力兩個狀態下的制動燃料消耗率比化石柴油低約18.7%、23.2%(圖1-12)。
StanislavPehan等人【16】利用行駛里程超過50萬機械式噴射系統的MAN引擎,進行使用RME與化石柴油的測試,比較元件劣化的情形,圖1-13測試結果發現,使用RME的噴射柱塞表面有較粗糙的狀況,但對其運作並不會產生不良影響,另外燃燒室的積碳狀況則沒有特殊的差異,大致上來講使用RME並不會對引擎有顯著的異樣發生。
陳飛等人【17】在研究生質柴油對同的腐蝕性研究發現,不同比例的RME與化石柴油混合皆會使銅產生腐蝕現象(圖1-14),且隨著RME添加的比例越高腐蝕狀況越嚴重,在RME對銅片腐蝕的同時,酸值也隨之提高。
圖1-11使用RME與化石柴油引擎排污的差異【13】
圖1-12使用RME對引擎扭力及馬力的影響【15】
圖1-13使用RME運行前後之柱塞表面放大圖【16】
圖1-14單位表面積銅片腐蝕率隨時間的變化【17】
(D)棕櫚油(PlamMethylEsters,PME)
棕櫚為熱帶木本植物,以馬來西亞為出口大宗,其每公頃的產量為4~5公噸是大豆的10倍,具有非常高的產油率【18】。
以棕櫚為原料之生質柴油【19】由於含有天然的抗氧化劑(β胡蘿蔔素)其氧化穩定性較其他原料來的高(13.0hr),而在耐久的測試中發現,將金屬置於PME中會對其氧化穩定性產生影響,其中以銅最嚴重、鋁最輕微,如圖1-15所示。
若以鍍鉛鐵製與鍍鋅鐵製的油箱相較,鍍鉛者對氧化穩定性的影響較小,但油箱有銹蝕的狀況發生,而連帶使PME產生劣化,如圖1-16所示。
【20】研究中發現將PME加熱到100℃則可降低黏度,提供平滑的燃油流動而不使燃料系統受到影響。
然而在燃燒分析中,發現使用PME將產生較高的最高壓力約6%、著火延遲縮短了2.6度,且有較低的熱釋放比率與較長的燃燒週期;同時也發現,在燃燒室有較多的積碳,而活塞環有磨耗的現象,【21】在比較PME與化石柴油穩態下,燃燒、能源效率的研究中發現,因為PME熱值較低而使得制動燃料消耗率上升,使用B100約增加5.35%。
MarinaKousoulidou等人【22】試圖瞭解PME對於引擎性能及排放的影響,使用四缸四行程、排氣量2.2L、最大馬力96kW@4000rpm的柴油引擎,採NEDC及ARTEMIS行車型態進行試驗,測試結果發現與化石柴油相較使用PME時:
NOX上升20%、PM下降17%、HC下降40%,而CO則沒有顯著影響。
圖1-15不同金屬對氧化穩定性的影響【19】
圖1-16鍍鉛與鍍鋅油箱對氧化穩定性的影響【19】(密封與開放狀態)
(E)蓖麻油(CastorMethylEsters,CME)
【23】蓖麻為一種亞洲常見的植物,但其有高黏度(240mm2/s)、高水分的特性並不適合直接當作柴油引擎的燃料,不過在經過轉酯及乳化作用後,可作為柴油引擎的燃料。
而乳化後的蓖麻生質柴油(CBD)容易造成引擎的積污,尤其是在噴油嘴上的積污如圖1-17所示,可能會造成引擎噴霧及排污劣化的狀況發生。
另一方面在研究中,為了量測(CBD)(B100)與化石柴油(B0),不同含水比例的污染排放狀況,使用單缸四行程排氣量200c.c.的柴油引擎,進行80%全負載的穩態測試,測試結果發現CBD與化石柴油相較,CO、HC及黑煙分別下降了約48%、34%及58%,而NOX則上升了約23%,不過隨著含水量的提高NOX與黑煙都有下降的趨勢。
FranciscoEmilioBaccaroNigro【11】等人,利用賓士四缸四行程、排氣量4.25L、最大馬力130kW@2200rpm的柴油引擎依歐盟88/77EEC「13mode」測試程序,進行試驗,探討不同比例的CME對引擎排污的影響,測試結果發現,CME添加比例每增加1%其:
NOX上升0.209±0.037%、CO下降0.40±0.08%,而HC與PM污染排放與添加比例並無顯著相關性,如圖1-18所示。
【24】與其他植物型生質柴油相比,CME所需的成本較低,因其不須加熱,可直接於室溫溶於酒精進行轉酯作用,減省製程成本。
其與化石柴油相較含硫量低(1ppm)、有高十六烷值(59)、豐富的含氧量也可使燃燒更完全,高閃火點(120℃)使儲存更安全。
【25】CME的氧化穩定性遠遠高於國際標準,誘導期達44小時(ASTMD6751最低限制為6小時),雖擁有良好的氧化穩定性,但仍建議添加氧化穩定劑,避免純度不足的狀況發生。
而凝結溫度達(-14~-1℃)較其他原料之生質柴油來的低,但仍不建議冬季時在未添加抗凍劑的情形下使用。
另外由於CME密度高(970),遠高於化石柴油及其他料源之生質柴油,對於長期儲存尚將造成不良的影響,而更重要的是CME的動態黏度(14.4mm2/s)及蒸餾溫度(398.7℃)超過國際標準,且並沒有相關的添加劑可以改善此兩項特性,較可能的解決方式是降低生質柴油的混合比例。
圖1-17噴油嘴積污狀況【23】(左:
無添加;右:
添加抗氧化型添加劑)
圖1-18CME添加比例與污染排放之相關性【10】
(F)痲瘋果油(JatrophaMethylEsters,JME)
生質柴油雖然已被公認為良好的替代能源之一,但部分原料為糧食作物一直為人所詬病,在印度等國家利用痲瘋果油作為生質燃油原料,由於其具有毒性不可食用,並無與人爭糧的問題,【26】且痲瘋果含油量(39%)較一般籽類作物高,為深具潛力的生質燃料原料來源。
【27】與化石柴油相較JME動態黏度(4.2mm2/s)、密度(881kg/cm2)、十六烷值(48.1)及燃料消耗率【28】(231g/kW-h)較高,熱值(39.6Mj/kg)、制動熱效率則較低,其特性的差異也使引擎的性能發生不同的變化。
【29】JME氧化穩定性並不理想,其誘導期僅為3.27小時,低於EN14112要求的6小時,但若添加化石柴油則氧化穩定性可獲得顯著的改善,如圖1-19所示當混合比例低於B20時則可符合EN590的要求,不需要添加額外的氧化改善劑。
【30】為了瞭解JME與化石柴油在不同噴射正時、負載及轉速下,對於引擎性能及排污的影響,利用JME、化石柴油與單缸四行程、400c.c.的柴油引擎進行不同噴射正時、負載及轉速的狀態進行測試,量取引擎的制動燃料消耗率(BSFC)、制動熱效率(BTE)、汽缸壓力峰值、最大熱釋放率、CO、HC、NO及黑煙密度。
在任何的噴射正時、引擎負載及轉速,BSFC、最大馬力與NOX測試結果JME都高於化石柴油,而BTE、CO、HC及黑煙密度則是JME低於化石柴油,如圖1-20~1-25所示。
【31】使用共軌直接噴射、四缸四行程、排氣量3300c.c.、最大馬力79kW@3200rpm的輕型柴油引擎,在全油門不同負載的穩定狀態下進行測試,並利用不同比例的JME及化石柴油進行測試。
測試結果發現,使用不同比例的JME在引擎中、高負載時,對於NO/NOX比值與NOX排放的影響並不顯著。
CO的排放在引擎低負載時隨著混合比例的增加而提高,在高負載時則趨勢相反。
HC的排放則在所有負載狀態中,皆呈現混合比例越高排放量越低的現象。
黑煙的檢測可發現廢氣的黑煙與混合比例呈現良好的相關性,當混合的比例越高則黑煙的排放越低。
在高負載的狀態下與純柴油相比,使用B100時:
NOx增加14%、CO減少23%、HC減少46.7%、黑煙減少76.9%(圖1-26~1-31)。
由上述可發現,JME對於引擎污染的影響,與一般對於生質柴油對於廢氣排放的認知並無太大的差異。
圖1-19不同比例JME的誘導期變化【29】
圖1-20使用JME與化石柴油在不同噴射正時對BSFC的影響【30】
圖1-21使用JME與化石柴油在不同噴射正時對BTE的影響【30】
圖1-22使用JME與化石柴油在不同噴射正時對最大馬力的影響【30】
圖1-23使用JME與化石柴油在不同噴射正時對CO的影響【30】
圖1-24使用JME與化石柴油在不同噴射正時對HC的影響【30】
圖1-25使用JME與化石柴油在不同噴射正時對NO的影響【30】
圖1-26不同負載與不同混合比例NOX排放狀況【30】
圖1-27不同負載與混合比例NO/NOX的變化【30】
圖1-28不同負載與混合比例CO排放狀況【31】
圖1-29不同負載與混合比例HC排放狀況【31】
圖1-30不同負載與混合比例黑煙排放狀況【31】
圖1-31黑煙減少比例【31】
2.不同添加比例對引擎性能、污染及油耗影響
在研究中利用B75的生質柴油進行引擎性能及廢氣的研究【33】,測試中使用單缸四行程、排氣量395c.c.、最大馬力6.2kw@3600rpm的柴油引擎,在全負載不同轉速的狀況下,進行引擎各項性能及廢氣的量測。
測試結果發現引擎扭力下降2~1%、最大馬力下降3~5%、燃料消耗率上升了3%,在污染排放的表現上NOX減少10~16%、CO減少36~67%、HC減少51%、smoke減少37%。
而在另一項研究中【34】,利用不同比例的PME(B0、B2、B5及B10)及單缸四行程、排氣量235c.c.、4.5kW@3400rpm的柴油引擎,在不同負載下維持轉速於2000、2300rpm進行NOx及somke的量測,測試結果發現,與化石柴油相比,添加PME在不同轉速下,NOX皆有上升的狀況達14、16%(2000、2300rpm),somke則有下降的趨勢達17、14%(2000、2300rpm)如圖1-32~1-35。
圖1-32PME的對NOX排放的影響(2000rpm)【34】
圖1-33PME的對NOX排放的影響(2300rpm)【34】
圖1-34PME的對somke排放的影響(2000rpm)【34】
圖1-35PME的對somke排放的影響(2300rpm)【34】
Tsolakis等人利用不同比例的生質柴油【35】,進行生質柴油對EGR系統的影響,測試用油採用RME與化石柴油混合之生質柴油包含B0、B20、B50及B100,測試引擎使用單缸排氣量773c.c.、自然進氣、最大馬力8.6kW@2500rpm,並搭配手動式EGR系統,可手動操控廢氣回流比例,測試時利用定轉速1500rpm不同負載20、30Nm及EGR開啟比例0%、10%及20%做為測試條件,測試結果發現,使用生質柴油對於CO、HC與SMOKE有下降的趨勢,而NOX與燃料消耗率則有上升的現象,但引擎的熱效率則沒有顯著的變化如圖1-36所示。
另一方面,EGR系統搭配生質柴油能夠得到更佳的效果,能使NOX有顯著的下降,且黑煙仍維持低排放狀態。
生質柴油搭配EGR能發揮更佳的效果可能的原因有:
(1)比起化石柴油可讓更多的CO2進入燃燒;
(2)比起化石柴油生質柴油擁有較低的空燃比;(3)可減緩生質柴油的提前燃燒。
圖1-36不同比例生質柴油對引擎排污及效能影響【35】
【36】轉酯過程減少了植物油的黏性及對引擎耐用性的影響,研究中利用單缸四行程、排氣量600c.c.的可變壓縮比引擎,搭配B0、B5、B10及B20不同比例的CME,在不同負載下進行測試,測試結果發現CME添加比例越低則使制動熱效率增加而讓燃料消耗率降低,另一方面排氣溫度也隨著添加比例提高而上升。
在印度的一項研究中【37】,使用不同比例的生質柴油進行排氣污染的測試,其利用四缸四行程、排氣量2498c.c.、最大馬力72.5hp@4000rpm的柴油引擎進行測試,測試結果發現,由於生質柴油的含氧量高,使燃燒較完全因而讓HC、CO及黑煙排放降低,但NOX則有上升的趨勢,如圖1-37~圖1-40。
圖1-37不同比例WME的HC排放狀況【37】
圖1-38不同比例WME的CO排放狀況【37】
圖1-39不同比例WME的NOX排放狀況【37】
圖1-40不同比例WME的黑煙排放狀況【37】
使用兩輛符合歐三的商用貨車,在添加以油菜籽油為原料的B30生質柴油狀況下,於實驗室進行測試【38】,測試過程使用標準的行車型態(UDC及EUDC)評估燃油消耗率及污染排放狀況。
因為生質柴油的熱值較低使燃料消耗率上升,就以引擎熱效率而言並沒有產生太大的變化。
從引擎的排放狀況看來,兩部車之CO、HC排放皆有上升現象,上升的原因可能是DOC尚未達到工作溫度,氧化效果不彰,造成HC、CO排放增加。
而NOX排放也有微幅上升,在CADC行車型態排放量最多,應與其頻繁的加速型態有關。
PM則有顯著的影響,平均下降30%如圖1-41所示。
圖1-41不同測試型態的排污狀況【38】
RasimBehcet利用以魚油為原料的生質柴油與化石柴油採不同比例混和,進行引擎的性能及排污測試【39】,試驗的生質柴油混合的比例為:
0%、25%、50%、75%與100%五種,並使用單缸四行程、排氣量406㏄、最大馬力10hp@3600rpm的柴油引擎進行試驗。
測試過程發現,隨著生質柴油的比例增加引擎的馬力(B25:
3.05%,B50:
4.62%,B75:
5.90%,B100:
7.06%)、扭力(B25:
1.42%,B50:
3.15%,B75:
5.25%,B100:
6.73%)及制動熱效率(平均7.39%)皆有下降的現象,燃料消耗率則隨著生質柴油添加比例的增加而上升(B25:
2.65%,B50:
3.23%,B75:
5.65%,B100:
8.32%)如圖1-42所示;而在污染的排放況狀除了NOX平均上升29.37%外其餘污染物包含:
CO(B25:
10.61%,B50:
18.51%,B75:
24.91%,B100:
31.20%)、HC(平均33.4%)及黑煙(B25:
9.23%,B50:
13.30%,B75:
19.02%,B100:
22.33%)都有隨生質柴油添加比例下降的趨勢,如圖1-43所示。
圖1-42不同比例生質柴油與引擎性能比較圖【39】
圖1-43不同比例生質柴油與引擎污染排放比較圖【39】
趙東良在一項柴使用生質柴油的減煙效果研究中【40】,利用不同比例的大豆製生質柴油,在定轉速下以不同負載進行黑煙的量測,測試引擎為四缸四行程、排氣量2499c.c.、最大馬力為76kW@3800rpm。
從測試結果可發現,使用B30與化石柴油相較燃油消耗率平均上升3.1%,在黑煙不透光率的表現上,如圖1-44所示,使用B20、B30與B100與化石柴油相較分別降低6.8%、8.3%與30.6%,若單看B30的黑煙表現可看出,低轉速時黑煙排放並不穩定,忽高忽低,而在高轉速時則有一致下降的趨勢,該現象應是低速時生質柴油燃燒較不完全所造成。
圖1-44不同比例生質柴黑煙排放的差異【40】
3.不同添加比例對引擎機件磨耗影響
SomnuekJaroonjitsathian等人,以棕櫚油為原料的生質柴油,以0%、5%及20%不同比例,在符合歐盟三期法規六缸四行程、排氣量8L、最大馬力220HP@2500rpm、使用共軌系統的HINO引擎上進行試驗【41】。
測試內容包含:
以ECER85進行引擎性能測試、以ESC及ELR進行引擎排污測試、另外進行400小時的耐久測試,檢視對於引擎元件的影響;測試結果發現B5及B10對於引擎性能沒有顯著的影響,但B20則使最大扭力下降了3%。
B5、B10對排污的影響仍不顯著,而在使用B20時PM有上升20%、somke下降27%,NOX、HC及CO則無顯著改變。
在耐久試驗中,燃油濾清器雖然沒有發現堵塞的現象,但隨著生質柴油混合比例增加,濾清器的壓降也有上升的狀況,另一方面使用高比例生質柴油,有使濾清器壽命縮短的現象。
引擎及燃油元件在耐久測試過程中,仍然維持良好的狀態,在第1環積碳與活塞環的磨耗非常細微,並沒有觀察到不正常的磨耗與積碳,潤滑元件如:
軸承、活塞銷、凸輪軸等,也沒有劣化的狀態,如表1-1所示。
而在使用B20的油箱內部卻發現氧化鐵的沉積物,顯示油箱有鏽蝕的狀況發生。
雖然使用生質柴油會增加機油稀釋的情形發生,但在耐久200小時的測試過程中,機油仍維持良好的性能。
表1-1燃料系統耐久測試結果【41】
Ken-ichiOkamoto等人,在計畫中利用不同比例的生質柴油(RME),再搭配DPF符合日本2005年環保法規的柴油車進行耐久測試【42】,耐久的運行狀態分為全負載、DPF再生、怠速及停止共計200小時,測試結果發現,由於生質柴油的揮發性較差,容易使燃油累積於機油之中,導致機油稀釋而使運動黏度下降,連帶使機油的更換時間減半。
而在實驗中也發現,機油的運動黏度與活塞環與汽缸壁間的磨耗呈現負相關如
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