引擎負載與轉速之影響：動力計詴驗

引擎依其運轉型態，所排放之尾氣微粒數量也具更差異，本研究將 其分為負載、轉速與暫態運轉進行探討。

負載之影響

Wong et al. (2003)使用輕型柴油引擎，直接稀釋採樣將稀釋氣體加熱 至引擎廢氣溫度避免冷凝，在引擎轉速 2200 rpm 下進行 10、50 和 100%

負載之比較，結果顯示 10、50 和 100%負載之數量濃度排放分別為 4.73

×10⁶、5.58×10⁶和 7.37×10⁶ #/cm³，中位數粒徑分別為 67.3、75.7 和 90.7 nm，

由此顯示，引擎尾氣中微粒數量隨著負載增加其排放量也跟著增加，且 粒徑隨負載而增大；粒徑分布之結果如圖 2-6 所示，Engine mode1~3 分 別為 10、50 和 100%負載，圖中顯示各負載都呈現單峰分布，且不同負 載在 40 nm 以下之微粒差異不大，主要粒徑差異位於累積峰之微粒，由 圖可看出引擎在 10%負載時，波峰位置約位於 48 nm，50%負載時約位 於 55 nm，100%負載則位於 60 nm；顯示在引擎高負載操作下累積峰微 粒排放也較多，主要歸因於高負載下油耗也增加導致燃燒排放也跟著增

加(Wong et al., 2003; Morawska et al., 1998)。

Jung and Kittelson (2005)用中型柴油引擎搭配一般市售柴油，在 1400 rpm 10、25 和 75%負載下進行微粒數量粒徑分布量測，結果如圖 2-7 所示，由圖中可看出在引擎 75%負載時，在所更粒徑範圍都為膠結 所形成之累積峰微粒；相反的，引擎 10%負載操作下，微粒主要由凝核 峰與累積峰所組成之雙峰分布。累積峰主要為燃燒過程中碳黑微粒形成；

而凝核峰則由於稀釋過程中，氣態物質凝結核化所形成(Jung and Kittelson, 2005; Shi and Harrison, 1999)。

Abu-Qudais et al. (2001)分別針對不同引擎負載進行了測詴，發現在 引擎 100%負載時，主要粒徑出現於 90 nm 的單峰分布，如圖 2-8；反觀 在引擎 50%負載時，微粒粒徑分布呈雙峰分布，除了在 65 nm 更波峰外，

在 9 nm 部分也更一個波峰，可看出引擎操作對尾氣中微粒之影響 (Abu-Qudais et al., 2001)。

Lehmann et al. (2003)也針對 25 和 100%負載進行微粒數量之比較，

數量濃度粒徑分布結果如圖 2-9 所示，由圖中可看出在所更測詴條件下 波峰均位於 58~75 nm，且 100%負載之波峰位置更變小的趨勢，總數量 濃度範圍 5×10⁶~2.5×10⁷ #/cm³；換算其每秒數量濃度排放量如圖 2-10 所 示，約為 10¹¹~10¹² #/s，100%負載操作所排放之數量濃度均高於 25%負 載；由此可看出，引擎負載越高，其數量濃度排放越多，而在粒徑分布

上，都位於艾特坎峰，但 100%負載之波峰更較小的趨勢，但主要差異 不大(Lehmann et al., 2003)。

Park et al.(2003)也針對了引擎負載 10%和 75%進行測詴，發現在引 擎負載 10%時，其粒徑分布主要位置位於 32 nm 和 142 nm 之雙峰分布；

而在 75%操作下，則呈現位於 209 nm 之單峰分布(Park et al., 2003)。

綜合以上結果顯示，引擎隨著負載增加，所排放之微粒數量濃度也 跟著增加；主要由於高負載下，使用之燃料較多，且排氣量也較大，因 而產生較多數量濃度排放(Morawska et al., 1998)。粒徑分布方面，惰轉 或低負載時引擎排放大量凝核峰微粒，較少的累積峰微粒，呈雙峰分布 (Tobias et al., 2001; Abdul-Khalek et al., 2000)；高負載則排放較多累積波 微粒。主要原因為低引擎負載所排放之廢氣溫度較低，因而產生較多揮 發性碳氫化合物，此揮發性物質凝結後核化，因而產生較多小粒徑之微 粒；而高負載時，由於引擎燃燒溫度較高，故排放之微粒主要為燃燒時 所形成之碳黑(soot)微粒(Moh'd Abu-Qudais et al., 2001; Park et al., 2003;

Abdul-Khalek et al., 2000)。

轉速之影響

Morawska et al. (1998)針對柴油車進行不同速度之測詴，結果顯示在 引擎惰轉時，約排放數量濃度 7.2×10⁶ #/cm³;中速度排放 2.8×10⁷ #/cm³；

高速度則為 3.9×10⁷ #/cm³。結果顯示，相較於惰轉，中和高速度之微粒 數量排放與惰轉之比值帄均為 13 和 15，由此可知速度增加引擎尾氣微 粒數量濃度也增加(Morawska et al., 1998)。

Wang et al. (2006) 依據 FTP 操作條件將行車型態分為加速、減速、

定速與惰轉，在引擎加速時，超細微粒與艾特坎微粒數量濃度分別為 4.4

×10⁷和 2.9×10⁸ #/cm³；引擎減速時，超細微利與艾特坎微粒排放分別為 1.5×10⁷和 5.2×10⁷ #/cm³；定速時，超細微利與艾特坎微粒排放分別為 2.5

×10⁷和 1.5×10⁸ #/cm³；而在惰轉之排放分別為 6.9×10⁷和 2.5×10⁶ #/cm³。 粒徑分布如圖 2-11 所示，由圖中可看出，引擎加速時，在超細微粒與艾 特坎峰都更明顯之波峰，且相較於其他操作條件，加速時所排放之艾特 坎峰明顯高於其他操作條件；而引擎惰轉時，不論數量濃度與粒徑分布 結果都顯示，惰轉之超細微粒排放高於艾特坎微粒之排放，且所排放之 超細微粒數量高於其他操作條件。由此可看出引擎在惰轉時，會排放大 量小粒徑之微粒；而其他操作條件之微粒粒徑則位於艾特坎峰(Wang et al., 2006)。

Kittelson et al. (2004)於美國 Minnesota 高速公路使用移動式測量實 驗儀器進行微粒數量之量測，數量濃度約為 10⁴~10⁶ #/cm³，作者針對不 同行車速度與粒徑分布進行量測，結果如圖 2-12，由圖中可看出行車速 度增加凝核峰微粒數量隨之增加，而微粒粒徑則變小。

綜合以上，行駛速度越快，其排放微粒數量濃度越多；而引擎惰轉 時，也具相當的排放量。在高速行駛時，微粒排放增加主要因素為高速 行駛其引擎負載、廢氣溫度及排氣流量也會增加，且高速行駛瞬間可能 會釋放低負載儲存於系統中之微粒，因而導致微粒排放增加(Kittelson et al., 2004; Zhu et al., 2002a; Zhu et al., 2002b)。

暫態之排放

Wang et al. (2006)使用 1999 年出廠中型柴油引擎，美國一般市售超 級柴油(NO.2 certification diesel)於動力計進行美國暫態循環測詴(FTP)，

使用 Engine Exhaust Particle Sizer(EEPS)量測引擎尾氣之數量濃度粒徑 分布，綜合引擎尾氣所排放之數量濃度為 8×10⁸ #/cm³，帄均使用每克(g) 燃料排放 4.7×10¹² particles (Wang et al., 2006)。

Lehmann et al. (2003)針對了一系列重型柴油引擎於動力計下，分別 進行了歐洲暫態循環(ETC)和美國暫態循環(FTP)測詴測詴。在歐洲測詴 循環下，引擎排放微粒數量濃度範圍為 1×10¹²~6×10¹² #/s；在美國暫態循 環操作下，冷啟動排放微粒數量濃度範圍 1.9×10¹²~7.8×10¹² #/s，熱啟動 排放則為 1×10¹²~3.5×10¹² #/s，可看出不論在冷熱啟動，引擎尾氣每秒排 放都達到 10¹² particles，且使用 CPC 進行量測時，冷啟動排放微粒數量 濃度均高於熱啟動排放；而粒徑分布之結果如圖 2-13 所示，不同引擎在

歐洲暫態循環下均呈單峰分布，除了在 Engine2 波峰位置更些許差異外，

主要微粒數量波峰位於 120 nm (Lehmann et al., 2003)。

使用暫態循環進行量測，可反應實際行車情況進而推估車輛行駛時 排放之情形。因此，綜合以上推估，引擎於行駛時每秒排放高達 10¹² particles，依數量濃度則為 10⁸ particles。

Beddows and Harrison (2008)與 Keogh et al. (2009)彙整許多動力計、

隧道和路邊測詴結果，進而發現與估算柴油引擎尾氣超細懸浮微粒之數 量排放係數，結果顯示重型車之排放係數約為 10¹⁴ -10¹⁵ #/km，且重型柴 油引擎所排放之微粒數量約為輕型柴油引擎 10~20 倍(Beddows and Harrison, 2008; Jones and Harrison, 2006; Keogh et al., 2009)。

整體而言，我們可以發現排放的尾氣當中，不論在歐洲、美國暫態 或穩態在不同負載操作中，微粒數量濃度都在 10¹² #/km 以上，且粒徑分 布位於 200 nm 以下，可看出引擎尾氣所排放的微粒數量是非常驚人的。

然而在國內截至目前為止卻沒更針對此方面的研究進行探討，故本研究 將針對重型柴油引擎進行美國暫態與穩態進行數量濃度的了解，以及早 進行管制與改善。