行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
x 成 果 報 告 □期中進度報告乳化生質油對柴油引擎 NOx 減量排放之研究
計畫類別： x 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC92－2212－E006－041
執行期間：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
計畫主持人：
李聰盛
計畫參與人員：
沈倉輝、楊建瞱、陳子超、林文毅
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：x 精簡報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計
畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
x 涉及專利或智慧財產權，x 一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立
成功大學航太系
中 華 民 國 93 年 7 月 29 日
中文摘要
本研究主要探討乳化生質柴油對柴油引擎之燃燒及其污染減量排放效應。研究中完成利
用界面活性劑及配合均質方式，完成於
B20（20%生質柴油+80%柴油）中添加 5%,10%含水
量之乳化油
B20W05,B20W10 等實驗油品，同時建立油品特性檢驗資料以及在 CY-160RE 柴
油引擎噴油嘴之霧化特性，實驗顯示在離噴油口
10 mm 處之油滴粒徑分佈可用高斯函數
（Gaussian function）表示。引擎在額定轉速 2350rpm 有負載條件時，隨著乳化油內含水量之
增加，汽缸壓力上升速率則隨著降低，此乃因乳化油內之水分氣化甚至微爆吸熱所形成。此
亦延後引擎著火角度， B20,B20W05 及 B20W10 為燃料之最大熱釋放率分別為 2.7,4.5 及 6.4
度
aTDC。當使用 B20W05（含水量為 5%）乳化油時， NOx 及 CO 排放值分別較使用 B20
時，降低
11.5%及 5.8%，顯示適當之含水量不影響燃燒效率，且可有效抑制 NOx。加水乳化
之生質柴油對於減少粒狀污染物效應則不若鍋爐燃燒顯著，油中之水份亦因微爆作用，而降
低粒狀污染物之排放量，但若含水量過多時，將形成燃燒不完全，造成排放值大量增加。引
擎負載條件，相較於柴油
B20，生質 B20W05 及 B20W10 之排放值分別減少 6.2%及增加 116%。
關鍵詞：乳化生質柴油，柴油引擎，燃燒污染排放，
NOx 減量排放
Abstract
Emulsion fuel has been proven having the capability of reducing NOx emission. Employing the
techniques of high-speed mixing and surfactants utilization has produced a stable emulsion
biodiesel containing 5% and 10% water. The emulsion fuel properties have been investigated.
Characteristics of spray atomization of B20W10 are similar with those of fossil diesel. Particle
diameter distribution at 10mm from the fuel nozzle was able to express as Gaussian function form.
The effects of the Emulsion fuel on the engine performance and pollutant emissions were studied
with a 16 Hp engine （CY-160RE）that was run at the rated speed of 2350 rpm. The higher the
percentage water containing in the emulsion fuel, the longer the ignition delay time was measured.
The maximum heat released rate for fuels of B20, B20W05andB20W10 was occurred at
2.7,4.5and6.4degrees aTDC. The emissions of NOx and CO of fueling engine with emulsion fuel of
B20W05（5% water contained）showed 11.5% and 5.8% lower than that with B20, respectively. The
5% water contained in the bio-diesel has shown the capability of not can only prohibiting NOx
formation but can also increasing the combustion efficiency. The higher CO emission of fueling
engine with B20W10 however, indicated lower combustion temperature caused by the water
contained in the fuel would decrease the combustion efficiency. As compare to the boiler
combustion, the less effect of microexplosion on the soot formation was observed in the case of
diesel engine combustion. Only 6.2% reduction on the particulate emission was obtained by burning
B20W05 emulsion fuel as compare with that burning with B20 fuel.
一、前言
利用生質油作為柴油引擎燃料已有百年歷 史，Rudolph Diesel 於 1900 年巴黎博覽會中即 以花生油運轉其發明之柴油引擎；後因石化工 業發展迅速，低價格及不虞匱乏之石化柴油致 使再生能源研究不受重視，直至二次大戰期間 曾因戰區柴油不易獲得，而再度引起以蔬菜油 作為柴油引擎燃料之研究，此等燃油並於 1930 期間在印度、中國、比利時被成功使用，雖然 尚存在部份技術待解決，但已確定以蔬菜油作 為替代燃料之可行性。自1973 年石油禁運引起 能源危機後，人們再度引起再生能源研究，初 期研究重點為確定技術之可行性，在1970~1980 期 間 ， 許 多 研 究 即 利 用 未 經 酯 化 之 各 種 植 物 油，以評估其對直接噴射(DI)及非直接噴射(IDI) 引擎運轉性能之影響。Goering 等人[1]研究顯示 植物油經轉脂化(transesterification)後可衍生甲 基酯(methyl ester)，此種經脂化（esterified）之 蔬菜油可有效減少引擎積碳及磨損，實驗証明 其積碳及磨損率幾與使用柴油時相當，而甲基 或 乙 基 脂 植 物 油 即 為 俗 稱 之 生 質 柴 油 （biodiesel），可適用於各型柴油引擎。依原料 不同較常用之植物性生質柴油可區分為 Soyamethyl(SME) ， Canola methyl ester(CME) 以 及 rapeseed oil methyl ester(RME)，此等生質柴油分
別於美國、加拿大以及歐洲研究試驗中。以20/80 SME/ARB＃2 柴油之混合油為燃料時，NOx 較 ARB＃2 增加 4.5%排放量[2]。美國環保單位 EPA 曾就近年來各研究報告，綜整出生質柴油對排 氣污染影響，相關結論簡述如下[3]： （1）、生質柴油含熱值較低，一般由植物油及 動物油脂化之生質柴油其熱值分別較柴油 低約7.9%及 10.6%。 （2）、CO2 之減少量主要來自生質柴油為再生 能源（由植物或動物品脂化），由引擎排放 量與使用柴油時相差不大。 （3）、由不同原料製成之生質柴油對引擎污染 排 放 影 響 亦 有 不 同 ， 以 黃 豆 類 、 油 菜 籽 (rapeseed)及動物油製成之生質柴油作為燃 油，引擎之 NOx 排放值較使用柴油分別增 加約 16%、12%及 3%，而 CO 分別減少 17%、25%及 40%，PM 則減少 32%、32% 及49%排放。 國 內 工 研 院 能 資 所 曾 接 受 美 國 黃 豆 協 會 (American Soybean Association)委託以台北市政
府環保局15 噸大型垃圾車，進行包括以高級柴 油(PD)、添加 20%的混合生質柴油(B20)以及純 生質柴油(B100)為燃料的引擎廢氣測試、潤滑性 測試、引擎性能測試與污染度綜合測試 顯示 不論新、舊引擎，與高級柴油比較，生質柴油 可以降低廢氣污染度 [4]。 為減少 NOx 排放，一般常直接將蒸氣噴注 於主燃燒區內，以降低火燄溫度，此等技術方 便，有效但不經濟。理論上，若能於燃燒污染 物生成之初期，即加入燃燒控制技術以有效控 制污染物之形成，則更可有效抑制NOx 形成， 降低其排放量。Tsukahara 等人[5]指初使用加水 乳 化 燃 油 時 ， 由 於 油 包 水 粒 子 受 熱 微 爆 炸 (micro-explosion)所 形 成 之 二 次 霧 化 (secondary atomization)作用可提升油滴霧化效果，又因乳 化油內含水，可增加噴霧動量，增加空氣引入 及油氣混合，乳化油具較長點火延遲可增加引 擎預混燃燒部份之比例以及燃燒溫度較低以及 較不高火焰形成較少熱傳損失等特性，可有效 降低NOx 及粒狀物污染等排放。此技術亦為燃 燒技術發展重點。日本在這方面有一系列的研 究，不管是航空燃油、柴油和重油的乳化，或 者是添加混合方式及界面活性劑的選擇，對於 燃燒後污染排放物及油耗量的影響都有深入研 究，因此燃油乳化燃燒對於環保與能源的應用 仍值得深入探討。 對於生質柴油加水乳化方法基本上與上述 等柴油乳化方式相同，在 1989 年 Tsukahara 等 人[5]以乳化燃油在較低壓、較低噴射率、延遲 的點火時間下，可以降低NOx 及排煙的濃度， 同時卻不會增加油耗量。Jahani 等人[6]利用水乳 化Jet A 油，發現火焰較使用 Jet A 燃油時不光 亮，火焰較廣及長，在燃燒室噴嘴下游處量測 其 NOX，CO 排放值較使用 Jet A 時降低。 Yoshimoto 等人[7] 係先將柴油加水以 in-pipe mixer 來乳化柴油，並使用 Ionet S-2(HLB=6)介 面活性劑。Crookes 等人[8] 使用 Dynatrol 廠牌 的 高 速 攪 拌 器 在 噴 油 前 端 乳 化 種 子 蔬 菜 油 柴 油，水含量之體積百分比為0-15%。使用乳化燃 油主要為可以降低NOx 及粒狀污染物排放。 Yoshimoto 等人[7]探討 W/O=15%至 30%之 乳化生質柴油及廢棄炸油對DI 引擎運轉性能及 污染排放之影響。在BEMP=0.52MPA 及 17.5。 BTDC 噴油時間下，引擎之 NOx 及排煙量均隨
乳化油含水量之增加而呈線性比例下降，由於 乳化油內水份之氣化熱及較大熱容量致使燃燒 區溫度降低因而減少 NOx 之排放值。Crookes 等人[8]以柴油及種子(Seed-based)蔬菜油之乳化 油(含水量 5，10 及 15%)，利用單缸 DI 引擎探 討加水乳化蔬菜油之污染排放效應，在引擎750 rpm 時蔬菜油及其乳化油均有較長點火延遲，當 1500 rpm 時，柴油及蔬菜油約有相同點火延遲 時間，但其乳化油則較長點火延遲。引擎之NOx 及排煙量均隨乳化油含水量之增加而呈下降。 雖然乳化生質柴油具減少引擎之NOx 及排 煙量效果，但國外則致力以調整點火延遲角度 方式以降低NOX 排放量研究而較缺乏乳化生質 柴油研究，其原因可能為乳化油在低溫使用受 限制，因此較適用類似台灣較溫暖地區發展。 為此，本研究即根據乳化油內水份之氣化熱及 較大熱容量致使燃燒區溫度降低而降低NOx 排 放特性，利用近年內已建立之乳化重油燃燒研 究能量[9]，以及生質柴油應用於柴油引擎之提 升 潤 滑 度 及 降 低 燃 燒 污 染 排 放 等 研 究 成 果 [10]，探討以乳化生質柴油用於柴油引擎時，對 降低NOx 及粒狀物污染等排放研究。本文即說 明以界面活性劑配合均質方式，製作於 B20 （20%生質柴油+80%柴油）中添加 5%,10%含水 量之乳化油B20W05,B20W10 等實驗油品，建立 油品特性檢驗以及噴油嘴之霧化等資料特性， 同時探討乳化生質柴油對柴油引擎之燃燒及其 污染減量排放效應
。
二、研究方法
1. 實驗油品特性 研究所用之燃料為市售高級柴油及美國公司 由大豆油經轉酯化反應之生質柴油（工研院能 資所提供）。表1 為實驗油品特性，如成分、熱 值、含硫量及16 烷指數等檢驗資料。
2. 乳化生質柴油製作 一般輕油，具低黏性及較缺乏天然介面活性 劑(surfactant)，因此常藉乳化添加劑以穩定乳化 生質柴油內部油水相之共存(internal phase)。本 研究採用非離子性界面活性劑，以避免 Na（正 離子）及 Cl（陰離子）在引擎燃燒過程中產生 高溫腐蝕及排氣污染等副作用。研究中先將定 量之 Tween80（HLB=15）加入 50C 水中並以 5500rpm 均質機（Heidolph Diax 900）將之均勻 混合備用，另外則將Span 80（HLB=4.3）加入 B20 並加以均勻混合，調製步驟係將油逐步加入 水中，乳化油首先由水包油O/W 狀態經轉相後 逐步轉成油包水W/O 狀態，在轉相區（油約為 水之 2-3 倍）實則施以高轉速（約 16000rpm） 均質。由此方式製作之乳化生質柴油 B20W10 可長時間儲存（至少二星期）不會產生破乳。 圖 1 為 B20W10 水粒子分佈之顯微放大圖。製 作後之乳化油除靜置定時記錄水份析出量外， 並以離心機，藉高轉速離心力，先期瞭解乳化 油之穩定性。 3. 乳化生質柴油霧化特性 為配合 CY-160RE 柴油引擎發電設備，本 研 究 先 以 此 引 擎 噴 油 嘴 在 引 擎 噴 油 壓 力 條 件 下，利用 Insitec 雷射繞射粒徑分析儀檢測乳化 生質柴油B20W10 之霧化特性。實驗引擎安裝 4 孔噴油器（油孔直徑約為 0.26mm），如圖 2 所 示，噴射油束與燃燒室形狀相配合，將柴油盡 可能均勻地噴射到燃燒室空間，柴油係以高壓 (200 atm)及高速從噴油嘴中噴出形成噴注，噴注 角度約為 12.5 度。柴油引擎之噴油嘴使用乳化 生質柴油之霧化特性資料，在離噴油口 10mm 處 之 油 滴 粒 徑 分 佈 可 用 高 斯 函 數 （Gaussian function）表示。圖 3 表示柴油（D100）及乳化 生質柴油（B20W10）之粒徑分佈量測及分佈函 數值。經噴油孔作用後油滴粒徑大小變化，本 文 採 用 燃 燒 研 究 中 常 應 用 之 Sauter MeanDiameter, SMD ， d23 及 De Brouckere Mean Diameter，d34 表示，實驗顯示油滴粒徑隨著離 噴油口距離之增加而加大，此原因為油滴在飄 逸過程中再度結合，且以較高黏性之乳化油更 為明顯[11]。 4. 實驗測試引擎 本研究主要探討加水乳化生質柴油對引擎 燃燒以及燃燒污染物排放特性之影響，採用振 裕 機 械 公 司 之 柴 油 引 擎 發 電 設 備 CY-160RE (16Hp/2400rpm、四行程臥式直接噴射引擎)作為 測試引擎，外觀如圖4。利用進油量之調整，維 持 CY-160RE 柴油引擎發電設備於定轉速條件 運轉，而負載則以電阻式加熱器消耗引擎發電 系 統 之 輸 出 功 率 ， 負 載 條 件 為 ： 37A*220V=8.145Kw（此為發電機輸出功率）。 5. 引擎運轉實驗測試 （1）、實驗儀器裝設 為探討乳化油中含水量對柴油引擎燃燒特 性之影響，本研究於引擎汽缸頭蓋引出汽缸壓
力量測孔（4ψx77mm），由於須避開汽缸水套， 因此量測孔直徑無法加大。同時亦於燃油泵下 游量測噴油壓力。此兩處壓力均以壓電式高頻 反應感應器（PCB:113A22 型）量測，此感應器 之反應頻率為 500KHz，敏感度為 1mv/psi。實 驗時之取樣率為200 KHz。引擎轉速（曲柄角度） 係利用光纖感應器(fiber-optic sensor) 量測，藉 黏貼於引擎飛輪面上反光紙片，觸動感應器內 之感光原件產生信號。此感應器為SICK/OPTEX 產品，型號為 VRF-H 屬高速度型（high speed type），反應時間為 0.05ms。實驗前先以手動方 式轉動引擎，藉千分錶顯示值以確定活塞上死 點位置，並同時將反光紙片黏貼於飛輪面上， 確定反光紙黏貼與活塞之關係位置。另外並於 飛輪面上每隔90 度黏貼反光紙片（寬度與前紙 片不同），此等信號則用以計算引擎轉速。實驗 時引擎維持於 2350 rpm 轉速運轉，在 200KHz 取樣率下，曲柄角度之可辨識值約為0.7 度。 （2）、乳化油對汽缸壓力量測 圖5 顯示以 B100 為燃料，引擎在有負載條 件下連續14 循環汽缸壓力 Pc 及燃油壓力 Pf 與 曲柄角度之關係，圖中顯示引擎運轉時相關性 能之變異性低，上述量測數據經平均處理後其 標準誤差值約為 0.5%，顯示量測數據之適用 性。量測平均值則作為資料分析依據， Pf 數據 顯示本引擎噴油正時為bDTC19 度，而噴油及汽 缸壓力分別約為24000Kpa 及 5300Kpa。圖 6 為 各種實驗油品在負載條件下汽缸壓力與汽缸容 積之 P-V 關係，由此所獲得之引擎輸出功率約 為 9.2 Kw，此引擎發電效率為 88.5%。圖 7 及 圖 8 分別顯示在無負載及有負載條件下汽缸壓 力與曲柄角度之關係，其中無負載運轉時，含 5%水分之乳化油（B20W05）燃燒時之汽缸壓力 變化與使用柴油（D100）或生質柴油（B100/B20） 為燃料時之差異性不大，其原因為在無負載運 轉條件，上循環之引擎燃燒溫度足夠使較低燃 油（乳化油）消耗量內之油包水粒子汽化甚至 微爆。在有負載條件時，隨著乳化油內含水量 之增加，汽缸壓力上升速率則隨著降低，如圖7 所示，此乃因乳化油內之水分氣化甚至微爆吸 熱所形成。 （3）熱釋放率 引擎之熱釋放率係根據汽缸壓力及其變化 率計算，如下式： dt dp V dt dV p dt dQ 1 1 1 + − − = γ γ γ 以測試引擎規範計算，其容積變化可表示 成： ) cos 1 ( 4285 . 0 051 . 0 ) cos 1 ( 2 − θ = + − θ + = d c V V V 假設 γ=1.35 時，上式可表示成：
[
]
θ θ θ θ d dp p d dQ ) cos 1 ( 2242 . 1 1457 . 0 sin 6527 . 1 ⋅ ⋅ + + − = 為維持引擎於定轉速條件運轉，燃油消耗量 係隨乳化油內之含水量之增加而增加，因此當 使用乳化油時，則須更多熱量以事先汽化甚至 微爆油包水粒子，因此延後引擎著火角度，圖9 顯示 B20,B20W05 及 B20W10 為燃料之最大熱 釋放率分別為2.7,4.5 及 6.4 度 aTDC。 （4）、污染排放量測 氮氧化物（一氧化氮與二氧化氮，通常合稱 為 NOX）、一氧化碳（CO）、未燃碳氫化合物 （HC ）、 二 氧 化 硫 （ SO2 ） 及 粒 狀 污 染 物 （particulate）的排放程度為引擎操作重要特 性。本研究主要探討使用加水乳化生質柴油引 擎燃燒污染物排放之影響，實驗時利用氣體分析 儀 ， QUINTOX Combustion Analyzer ，
KM9006 以量測排氣中之 O2，CO2，CO，NOX 及 SO2 等排放值，為便於比較，污染排放量測 值均以6%含氧量校正值表示。粒狀污染物含量 係以類似ROSECO Model 473B 之煙氣檢測器量 測，藉取樣前後之試片重量差值計算。為確保 每次測試條件之一致性，測試前引擎均先熱機 30 分鐘，才進行污染物排放值之擷取。 圖 10 顯示生質柴油因含氧量較高，其排氣 中之氧氣含量高，且其含碳量較低，二氧化碳 排放量較低，另外隨著乳化油中含水量增加， 排氣中氧氣含量亦隨著降低。排氣中之CO 含量 隨著乳化油含水量之增加而增加，顯示乳化油 內之含水量造成燃燒較不完全，但亦因較低之 汽缸溫度而形成較低之 NOx 排放。相較於柴油 D100，生質柴油 B100 之 NOx 及 CO 排放值分 別提高 53.8%及降低 13.4%，如圖 11 所示。當 使用B20W05（含水量為 5%）乳化油時， NOx 及CO 排放值分別較使用 B20 時，降低 11.5%及 5.8%，顯示適當之含水量不影響燃燒效率，且 可有效抑制NOx。 圖 12 為不同實驗用油在引擎額定轉速 (2350 rpm)負載及無負載條件下之粒狀污染物 (Particulate Emission)下之排放值，圖中顯示，生 質柴油可有效減少粒狀污染物型成，乳化油中 之水份亦因微爆作用，而降低粒狀污染物之排 放量。圖中亦顯示當含水量過多時，將形成燃 燒不完全，造成排放值大量增加。在引擎負載 條件下，相較於柴油D100，生質柴油 B100、混 合油 B20 及乳化油 B20W05 之排放值分別減少
26.5%、23.9%及 28.6%，如圖 13 所示
三、結論
本研究主要探討乳化生質柴油對柴油引擎 之燃燒及其污染減量排放效應。相關結果簡述 如下： 1. 研究中完成利用界面活性劑及配合均質方 式，完成於B20（20%生質柴油+80%柴油） 中 添 加 5%,10% 含 水 量 之 乳 化 油 B20W05,B20W10 等實驗油品，同時建立油 品特性檢驗資料。 2. 建立乳化生質柴油在 CY-160RE 柴油引擎噴 油嘴之霧化特性，在離噴油口10 mm 處之油 滴 粒 徑 分 佈 可 用 高 斯 函 數 （Gaussian function）表示，雖然其與柴油之霧化特性類 似，但在B20W10 油品時，形成較廣之粒徑 分佈分佈。 3. 研究中，利用引擎在額定轉速 2350rpm 有負 載及無負載條件下探討燃燒特性，其中在無 負載運轉時， B20W05 燃燒時之汽缸壓力變 化 與 使 用 柴 油 （D100 ） 或 生 質 柴 油 （B100/B20）為燃料時之差異性不大，其原 因為在此運轉條件，上循環之引擎燃燒溫度 足夠使較低乳化油消耗量內之油包水粒子汽 化甚至微爆。在有負載條件時，隨著乳化油 內含水量之增加，汽缸壓力上升速率則隨著 降低，此乃因乳化油內之水分氣化甚至微爆 吸熱所形成。為維持引擎於定轉速條件運 轉，燃油消耗量係隨乳化油內之含水量之增 加而增加，因此當使用乳化油時，則須更多 熱量以事先汽化甚至微爆油包水粒子，因此 延 後 引 擎 著 火 角 度 ， B20,B20W05 及 B20W10 為 燃 料 之 最 大 熱 釋 放 率 分 別 為 2.7,4.5 及 6.4 度 aTDC。 4. 生質柴油因含較高氧氣及較低含碳量，因此 其排氣中之氧含量高，二氧化碳排放量較 低，另外隨著乳化油中含水量增加，排氣中 氧氣含量亦隨著降低。排氣中之 CO 含量隨 著乳化油含水量之增加而增加，顯示乳化油 內之含水量造成燃燒較不完全，但亦因較低 之汽缸溫度而形成較低之NOx 排放。相較於 柴油D100，生質柴油 B100 之 NOx 及 CO 排 放值分別提高 53.8%及降低 13.4%。當使用 B20W05（含水量為 5%）乳化油時， NOx 及CO 排放值分別較使用 B20 時，降低 11.5% 及 5.8%，顯示適當之含水量不影響燃燒效 率，且可有效抑制NOx。 5. 加水乳化之生質柴油對於減少粒狀污染物效 應則不若鍋爐燃燒顯著，油中之水份亦因微 爆作用，而降低粒狀污染物之排放量，但若 含水量過多時，將形成燃燒不完全，造成排 放值大量增加。在引擎負載條件下，相較於 柴油B20，生質 B20W05 及 B20W10 之排放 值分別減少6.2%及增加 116%。四、參考資料
1. Goering, C.E., Schrock, M.D., Kaufman, K.R., Hanna, M.A., Harris, F.D. and Marly, S.J., “Evaluation of vegetable ouil fuels in engines”, ASME Paper No. 87-1586. ASME, St. Joseph, MI., 1987
2. Fosseen Manufacturing and Development, Methyl Soyate Evaluation of Various Diesel Blends in a DDC 6V-92 TA Engine, Final Report NO: 93-E14-21, April 1993
3. A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions, Technical Report, EPA420-P-02-001, Oct. 2002
4. 王振諧，李宏台，周桂蘭，台北市垃圾車使用生 質柴油測試計畫報告，民國 91 年 9 月
5. Tsukahara, M., Yashimoto, Y., Murayama, T.,“Influence of Emulsion Fuel Properties on the Reduction of BSFC in a Diesel Engine,” SAE-891841, pp.1795-1804, 1989.
6. Jahani, H. and Gollahalli, S.R., “Characteristics of Burning Jet A Fuel and Jet A Fuel-Water Emulsion Sprays,” Combustion and Flame, Vol. 37, pp.145-154, 1980.22
7. Yoshimoto, Y., Onodera, M., and Tamaki, H, “ Reduction of Mox, Smoke, and BSFC in a Diesel Engine Fueled by Biodiesel Emulsion with Used Frying Oil”, SAE Paper 1999-01-3598, 1999
8. Crookes, R.J., Kiannejad, F. and Nazha, M.A.,” Seed-Oil Bio-fuel of Low Cetane Number:The Effect of Water Emulsification on Diesel-Engine Operation and Emissions”, Journal of the Institute of Energy, Vol. 68, 1995
9. Lee, T.S. and Chen ,M.J., “Combustion and Emission Characteristics of Low Sulfur High Pour point （ LSHP ） Oil-Water Emulsion”, The Third Asia-Pacific Conference on Combustion, Seoul, Korea ,June 24-27, 2001
10. Lee,T.S ,Liu,H.C.,and Lee, H.T., “Study on the Synthetic Oil as the Diesel Engine Fuel”, Proceedings of the 4th Asia-Pacific Conference on Combustion, pp318-320, Nanjing, China, Nov. 23-26, 2003
11. 李聰盛,沈倉輝, ”乳化生質柴油之乳化及霧化特性 研究”, 中華民國燃燒學會第 14 學術研討會論文 集, 論文編號： V-06, March, 2004
檢驗結果 燃料特性項 目 單位 D100 B100 B20 密度@15.5C g/ml 0.84 0.88 0.85 閃火點 C 87 150 92 硫含量 Wt % 0.0258 ＜0.001 0.02 動力黏度 @40C 3.46 4.136 3.517 水分沉澱物 Vol % 0.00 0.00 0.00 十六烷指數 53.9 47.3 53.7 碳含量 Wt % 86.71 76.53 86.49 氫含量 Wt % 13.28 11.72 13.5 氧含量 Wt % 0.014 11.75 0.01 總熱值 Cal/g 10990 10625 10625 淨熱值 Cal/g 10317 9490 9941 檢驗日期 91.9 91.9 91.9 表 1：實驗油品特性 說明：生質柴油由工研院提供（購自美國World Energy 公司）， B20 為 20%生質柴油+80%柴油 之混合油。 圖1：B20W10 乳化油中水粒子（約 5 微米） 圖 2：實驗噴油嘴（噴注角度約為 12.5 度）
Volume Frequency (%) at 10mm from Nozzle A
0 2 4 6 8 10 12 14 16 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Ln (d/dm) D100 Equ (D100) B20W10 Equ (B20W10) 圖 3：油滴粒徑分佈函數 圖4：引擎發電 CY-160RE 系統外觀 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Angle (Deg) Pc (Kpa ) -6000 0 6000 12000 18000 24000 30000 Fue l P (Kpa ) PC(Kpa) PF(Kpa) 圖5：連續 14 循環汽缸及燃油壓力與曲柄 角度之關係 (B100 為燃料)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Volume (liter) P c (KP A) D100 B100 B20 B20W05 B20W10 圖6：負載條件下 P-V 圖 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 ANGLE (Deg) P c (Kpa) D100 B100 B20 B20W05 圖7：汽缸壓力與曲柄角度關係（無負載條件） 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30
Crank Angle (deg.)
Pc ( K PA ) D100 B100 B20 B20W05 B20W10 圖8：汽缸壓力與曲柄角度之關係（負載條件） 0 1000 2000 3000 4000 5000 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Crank Angle (deg.)
Watt B20 B20W05 B20W10 圖9：熱釋放率與曲柄角度之關係（負載條件） 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 1 2 3 4 5 1:D100, 2:B100, 3:B20, 4:B20W05, 5:B20W10 NOxc, COc (ppm) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 O2, CO2 (%) Nox Co O2 CO2 圖10：負載條件下污染排放值（6%O2） -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 1:D100, 2:B100, 3:B20, 4:B20W05, 5:B20W10 Percentage (%) Nox CO 圖11：不同燃油之污染與 D100 排放值比較 0 200 400 600 800 1000 1200 1 2 3 4 1:D100, 2:B100, 3:B20, 4:B20W05, 5:B20W10 Pa rt ic ul at e Emi ss ion (mg/ m^ 3) 5 Free Load Load 圖12：不同實驗用油在引擎額定轉速負載及無 負載條件下之粒狀污染物排放值 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 1 2 3 4 1: D100, 2:B100. 3:B20, 4:B20W05, 5:B20W10 % 5 Free Load Load 圖13：不同燃油之粒狀污染物與 D100 之比值
五、計畫成果自評
本計畫主要探討乳化生質柴油對柴油引擎之燃燒及其污染減量排放效應。研究中完
成利用界面活性劑及配合均質方式，完成於
B20（20%生質柴油+80%柴油）中添加 5%,10%
含水量之乳化油
B20W05,B20W10 等實驗油品，同時建立油品特性檢驗資料以及柴油引擎噴
油嘴之霧化特性，研究均依原規劃內容執行，並達原計畫目標。研究實驗顯示，隨著乳化油
內含水量之增加，汽缸壓力上升速率則隨著降低，並延後引擎著火角度， B20,B20W05 及
B20W10 為燃料之最大熱釋放率分別為 2.7,4.5 及 6.4 度 aTDC。當使用 B20W05（含水量為
5%）乳化油時， NOx 及 CO 排放值分別較使用 B20 時，降低 11.5%及 5.8%，顯示適當之含
水量不影響燃燒效率，且可有效抑制
NOx。生質柴油對於減少粒狀污染物效應則不若鍋爐燃
燒型成，乳化油中之水份亦因微爆作用，而降低粒狀污染物之排放量，但若含水量過多時，
將形成燃燒不完全，造成排放值大量增加。在引擎負載條件下，相較於柴油
B20，生質 B20W05
及
B20W10 之排放值分別減少 6.2%及增加 116%。計畫執行內容涵蓋基礎理論及工程實務，
因此藉由計畫執行，訓練碩士班研究生探討乳化生質柴油對柴油引擎之燃燒及其污染減量排
放效應、柴油引擎性能分析等工作，初步完成人才培育工作。相關研究成果並於
2003 年三月
中華民國燃燒學會第
13 屆學術研討會上發表,”廢橡膠裂解油應用於柴油引擎之燃燒及污染排
放研究” ,”生質柴油用於柴油引擎之燃燒及污染特性試驗”,以及投稿於 4th ASPACC, Nanjing,
2003，“Study on the Synthetic Oil as the Diesel Engine Fuel”，以及 2003 及 2004 年分別於中華
民國燃燒學會第
13 及 14 屆學術研討會上發表, “生質柴油用於柴油引擎之燃燒及污染特性試
驗”及 “乳化生質柴油之乳化及霧化特性研究” 等等。
利用加水乳化之生質柴油為 NOx 污染排放之有效方法，本計畫完成生質柴油乳化
技術開發，並深入探討含水量對柴油引擎之燃燒及其污染減量排放效應，相關研究成果可供
產業應用，將有效提升生質柴油使用附加價值，擴大再生能源應用範圍。
可供推廣之研發成果資料表
□ 可申請專利 x 可技術移轉 日期：93 年 10 月 29 日 國科會補助計畫 計畫名稱：乳化生質油對柴油引擎NOx 減量排放之研究 計畫主持人：李聰盛 計畫編號：NSC92-2212-E006-041 學門 領域：能源科技 技術/創作名稱 生質柴油加水乳化開發，及其對柴油引擎之燃燒及污染減量排放技術 發明人/創作人 李聰盛 中文： 本研究主要探討乳化生質柴油對柴油引擎之燃燒及其污染減量排放效應。利 用界面活性劑及配合均質方式，可完成於B20（20%生質柴油+80%柴油）中 添加5%,10%含水量之乳化油。在引擎在額定轉速 2350rpm 負載條件時，隨 著乳化油內含水量之增加，汽缸壓力上升速率則隨著降低，引擎著火角度延 後。當使用B20W05（含水量為 5%）乳化油時， NOx 及 CO 排放值分別較 使用B20 時，降低 11.5%及 5.8%。加水乳化之生質柴油對於減少粒狀污染 物效應則不若鍋爐燃燒顯著，相較於柴油B20，生質 B20W05 之排放值約減 少6.2%，顯示適當之含水量不影響燃燒效率，且可有效減少 NOx 及粒狀污 染物排放。技術說明 英文： Employing the techniques of high-speed mixing and surfactants utilization has produced a stable emulsion biodiesel containing 5% and 10% water. The effects of the Emulsion fuel on the engine performance and pollutant emissions were studied. The higher the percentage water containing in the emulsion fuel, the longer the ignition delay time was measured. The emissions of NOx and CO of fueling engine with emulsion fuel of B20W05（5% water contained）showed 11.5% and 5.8% lower than that with B20, respectively. As compare to the boiler combustion, the less effect of microexplosion on the soot formation was observed in the case of diesel engine combustion. Only 6.2% reduction on the particulate emission was obtained by burning B20W05 emulsion fuel as compare with that burning with B20 fuel. This indicates that 5% water contained in the bio-diesel has shown the capability of not can only prohibiting NOx and soot formation but can also increasing the combustion efficiency.
可利用之產業 及 可開發之產品 利用加水乳化之生質柴油為NOx 污染排放之有效方法，相關研究成果可供 產業應用，將有效提升生質柴油使用附加價值，擴大再生能源應用範圍。 技術特點 適當含水量（5%）之乳化油時，可有效減少柴油引擎燃燒之 NOx 及粒狀污 染物等排放，且不影響燃燒效率，有效提升生質柴油使用附加價值，擴大再 生能源應用範圍。
推廣及運用的價值 利用加水乳化之生質柴油為NOx 污染排放之有效方法，相關研究成果可供 產業應用，將有效提升生質柴油使用附加價值，擴大再生能源應用範圍。 ※ 1.每項研發成果請填寫一式二份，一份隨成果報告送繳本會，一份送 貴單位研發成果 推廣單位（如技術移轉中心）。 ※ 2.本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。
