生質柴油之引擎操作條件最佳化分析 李育澤2、吳澤松
1、陳溢佑
2、葉信甫
2、陳明鴻
2
1
崑山科技大學機械學系助理教授
2
崑山科技大學機械學系研究生
國科會計畫編號：NSC 97-2221-E-168 -036
摘要
本研究以B20生質柴油（20％生質柴油＋80％超 級柴油）進行試驗，引擎操作條件則改變噴油正時、
噴油嘴壓力、燃油溫度、噴油量，實驗則評估引擎燃 燒特性，如馬力、油耗、排氣溫度、HC、CO、NOx、
黑煙污染排放，並量測引擎汽缸內燃燒壓力，計算最 高燃燒壓力與曲軸角度、著火延遲角度、熱釋放量 等，並以田口氏品質方法，推估使用此兩種生質柴油 時，引擎最佳的操作條件，並進一步印證此最佳操作 條件之引擎性能表現。由實驗結果得知，生質柴油的 最佳操作條件為：噴油正時不改變、噴油嘴壓力增加 到170 bar、燃油溫度為常溫、噴油量不增加的情況 下有最佳操作條件方面只在改變噴油嘴壓力的情況 下有最佳操作條件，再把操作條件跟原始參數作比 較，發現操作條件在汽缸壓力以及制動燃油能量消耗 比的中、高轉速下比原始參數來的好。
關鍵字：生質柴油、引擎燃燒特性、田口氏方法、引 擎最佳的操作條件
1. 前言
能源是推動國家發展與經濟活動的根本，在二十 一世紀全球對能源的需求不減反增，而石化燃料燃燒 所排放出的廢氣造成大氣上的汙染，使得溫室效應的 問題日漸嚴重，因此生質能將可大大的改善環境上的 污染。
生質柴油可單獨應用，或與柴油相互添加混合 使用。應用於柴油引擎不需做任何修改 (添加20%
內)，可節省修改引擎的成本，Ismet【1】指出噴霧 壓力對引擎性能及污染排放有很大影響，噴霧壓力由 100 bar上升到250 bar，引擎最佳性能為150 bar。
Tsolakis【2】等人以菜籽油與柴油混合之生質柴油，
探討油料對 NOX等污染物及汽缸壓力、熱釋放率之影 響，實驗結果可知生質柴油之著火延遲較短，因此初 始預混階段有較多熱釋放，因此使最高壓力以及NOX 增加，而噴油延遲則可以抑制NOX產生。Bari【3】等 人評估未轉酯化之棕櫚油做為柴油引擎燃料之可行 性，而棕櫚油需預熱且有較高燃燒壓力、著火延遲較 短、熱釋放較少及燃燒期間長的特性，Laforgia【4】
以100%的生質柴油進行間接噴射式柴油引擎試驗，證 實可以降低黑煙的排放，而若將噴油正時提前，則效
果更明顯。Carlucci【5】等人發現噴射參數，如噴 射正時、噴油壓力、噴油量對引擎震動會有相當的影 響，Huang【6】等人以柴油混合甲醇探討汽缸壓力特 性，由試驗可知，增加甲醇含量，可以增加預混期燃 燒量，並縮短燃燒時間，增加噴油提前角度，會增加 最高燃燒壓力及最高熱釋放率。Mohamad【7】則以廢 蔬菜油轉化之乙基酯摻配不同比例之石化柴油進行 單缸引擎試驗，摻配乙基酯之油料較耗油，但是CO 及 HC 的排放較低，尤其以50:50 油料的污染排放較 低。Tom【8】用澳洲重型柴油引擎車輛，進行燃料 循環之溫室效應污染排放量之評估，評估之燃料包括 低硫柴油、超低硫柴油、液化天然氣、液化石油氣、
乙醇及生質柴油等，溫室效應氣體為CO2、CH4及N2O，
由試驗結果可知，生質柴油及乙醇的溫室效應氣體排 放比柴油約少50%。雖然生質柴油及乙醇的CO2排放量 較多，但都是可再利用的碳鏈。Recep【9】則評估各 種蔬菜油及酯類生質柴油使用於柴油引擎的可行 性，由試驗結果可知，就引擎性能而言，蔬菜油及生 質柴油可以做為柴油引擎的替代燃料，而蔬菜油則具 有高黏度、低溫流動性差、霧化不良及微粒排放較高 的問題產生。Nicolas【10】以市區巴士，進行生質柴 油、壓縮天然氣(CNG)、甲醇及石化柴油之成本分析，
評估項目包括油料成本、維修費用、設備成本及其他 額外支出，經過數個月的累積里程後，生質柴油的成 本會稍高於石化柴油，但相對的比CNG及甲醇便宜，
因此證實可以用生質油做巴士的替代燃料。
2. 研究方法
由於市售高級柴油(D100)為動力黏度較低、淨熱 值較高；B20 的十六烷值很高、幾乎不含硫與芳香 烴、潤滑性佳，因此在找出生質柴油 B20 引擎操作之 最佳條件時，我們擬改變實驗參數分別為噴油正時、
噴油嘴壓力、燃油溫度、噴油量。
2.1 實驗設計
A. 噴油正時：生質柴油 B20 的十六烷值比超級柴油 高，且不含芳香烴，因此著火延遲應會較短，可 能導致最高燃燒壓力太接近上死點；為使生質柴 油能發揮高十六烷值優點，擬測試原始噴油角 度、延遲噴油 3 度、提前噴油 3 度等三種噴油正
時，並分析引擎性能及缸內燃燒壓力，以印證改 變噴油正時效果。
B. 噴油嘴壓力：生質柴油 B20 的動力黏度比超級柴 油高，一般而言，如果提高噴油壓力，可以幫助 霧化，增加燃燒效果，為彌補生質柴油動力黏度 缺點，擬增加噴油嘴壓力，由 160bar、170bar、
180 bar，共測試三個壓力值，並分析引擎性能及 缸內燃燒壓力，以印證改變噴油嘴壓力效果。
C. 燃油溫度：改變燃油溫度的目的，主要也是針對 生質柴油 B20 的動力黏度比超級柴油高，燃油溫 度提高，黏度會降低，霧化效果會較佳，可以幫 助燃燒，燃油溫度擬由 25℃提高為 40℃、55℃等 D. 噴油量：生質柴油 B20 的淨熱值比超級柴油低，
為彌補生質柴油淨熱值缺點，擬增加噴油量，分 別增加 5%、10%及原始噴油量，共測試三個噴 油量。
2.2 實驗方法
本實驗擬利用田口式方法，如圖一所示，工程系 統 通 常 含 有 : 信 號 因 子 (Signal factor) 、 控 制 因 子 (Control factor)、誤差因子(Noise factor)、與輸出反應 (Output response)等四部分。田口式方法是採用 L18 直交表，如表一及表二所示，由於本實驗改變噴射正 時、噴油壓力、燃油溫度與噴油量等四個參數，每個 參數有三個變化量，所以控制因子為四個參數，水準 數為三個變化量。
3. 結果與討論
本研究以四種轉速，分別為 1500、1800、2100、
2400rpm，三種負載，分別為 20%、40%、60%，田 口法 L18 直交表作為實驗，針對生質柴油 B20（20
％生質柴油＋80％超級柴油）的汽缸壓力和制動燃油 能量消耗比進行比較、分析。
3.1 汽缸壓力分析
生質柴油最佳操作條件分析，結果如圖二到圖十 三，得知最佳條件設定參數為:噴油壓力由160 bar改 變170 bar、噴油量跟噴射正時都不變、燃油溫度為常 溫等四種參數，再把四種參數去做汽缸最大壓力的實 驗來去跟原始參數作分析，可以看出最佳條件的汽缸 壓力在中、高轉速下比原始參數來的好。
3.2 制動燃油能量消耗比
生質柴油最佳操作條件分析，結果如圖十四到圖 十六，得知最佳條件設定參數為:噴油壓力由 160 bar 改變 170 bar、噴油量跟噴射正時都不變、燃油溫度 為常溫等四種參數，再把四種參數去做制動燃油能量 消耗比的實驗來去跟原始參數作分析，可以看出最佳 條件的制動燃油能量消耗比在中、高轉速下比原始參 數來的好。
4. 結論
本實驗以生質柴油 B20（20％生質柴油＋80％超 級柴油）進行試驗，以噴油正時、噴油嘴壓力、燃油 溫度、噴油量，等參數變化量測引擎燃燒特性，由試 驗結果可知：
噴油正時不改變、噴油壓力增加到 170 bar、燃 油溫度為常溫、噴油量不增加的情況下有最佳操作條 件。將最佳操作條件跟原始參數作比較，發現最佳操 作條件在汽缸壓力以及制動燃油能量消耗比的中、高 轉速下比原始參數來的好。
5. 誌謝
本研究承國科會『生質柴油與烷化生質柴油之引 擎操作條件最佳化分析』研究計畫經費補助，案號：
NSC 97-2221-E-168 -036
，作者謹此致謝。6. 參考文獻
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表一 控制因子表。
表二 L18直交表。
圖二 汽缸壓力與曲軸角關係圖(1500 RPM)結果。
圖三 汽缸壓力與曲軸角關係圖(1500 RPM)結果。
圖四 汽缸壓力與曲軸角關係圖(1500 RPM)結果。
圖五 汽缸壓力與曲軸角關係圖(1800 RPM)結果。
圖六 汽缸壓力與曲軸角關係圖(1800 RPM)結果。
圖七 汽缸壓力與曲軸角關係圖(1800 RPM)結果。
圖八 汽缸壓力與曲軸角關係圖(2100 RPM)結果。
圖九 汽缸壓力與曲軸角關係圖(2100 RPM)結果。
圖十 汽缸壓力與曲軸角關係圖(2100 RPM)結果。
圖十一 汽缸壓力與曲軸角關係圖(2400 RPM)結果。
圖十二 汽缸壓力與曲軸角關係圖(2400 RPM)結果。
圖十三 汽缸壓力與曲軸角關係圖(2400 RPM)結果。
圖十四 制動燃油能量消耗比與不同給定轉速及固定 負載關係圖結果。
圖十五 制動燃油能量消耗比與不同給定轉速及固定 負載關係圖結果。
圖十六 制動燃油能量消耗比與不同給定轉速及固定 負載關係圖結果。
Research Biodiesel low temperature pour point improvement
Yu-Tse Li 2，
Tser-Son Wu
1，Yi-Yu Chen
2， Ming-Hong Chen
2，Xin-Fu Ye
21
Kun Shan University Machanical Engineering Assistant Professor
2
Kun Shan University Machanical Engineering Gradstudent
Abstract
The defects of power loss and acceleration drawback of bio-diesel used in engine were found.
To solve these problems, the effects of bio-diesel B20 (20% pure biodiesel mixing with 80% low sulfur diesel) on diesel engine performances and engine Combustion Characteristic will be investigated in this study. The engine operation conditions of injection timing, injection pressure, fuel temperature, and amount of injection will be varied to evaluate the engine performances. The engine power output, fuel consumption, exhaust temperature, exhaust emissions, and combustion pressure will be measured. The peak combustion pressure, ignition delay, and heat release are also computed. Taguchi methods are applied in the optimization of the engine operation conditions of bio-diesel. From the results of the experiments
,
The optimal operating conditions of B20 biodiesel were: injection timing was not changed, the injection pressure was increased up to 170 bars, fuel temperature was normal temperature and the amount of injected fuel was not changed. The combustion pressure and the brake specific energy consumption were better at middle and high speed.
