國產油摻水引擎實驗評估
【摘要】近年來國內環保意識高漲與世界經濟能源危機，筆者依熱科學實驗室引擎實測經驗而建議：「七分油三分水」──省油兼環保。
二十世紀石油生產所衍生的能源危機以及漲價問題，使人們警覺到能源缺乏的嚴重性，而石油燃燒帶來的環境污染問題更是不容忽視。以大都會首要污染源為例，公車廢氣造成的煙霧微粒與NOx光化學毒霧侵害，卡車﹑客車及聯結車等排放的可能致癌物（如碳氫化物等），嚴重破壞環保甚至傷及人們健康。為了解決引擎燃燒時廢氣排放問題及提升燃油效益，科學家除努力改善石油品質與尋找替代品外，同時積極提高引擎技術（包含燃燒），以期減少燃油消耗與廢氣污染。針對此一目標，本文經熱科學實驗室實際引擎測試與模擬實驗後，獲得解決方案，其中「燃油摻水法」可望短期內解決問題，環保意識與省油效益兼顧。
第二次世界大戰起，科學家曾考慮以燃油摻水配製成新燃料，即乳化燃料以解決能源危機，但因技術經驗不足終告失敗。1970年代化工科技突飛猛進，界面活性劑品質提升，乳化劑使乳化燃料油水混合均勻穩定性佳。在先進引擎技術配合下，科學家再度興起乳化燃料燃燒實驗熱潮，日本是最熱中的國家之一。例如Mizutani曾以乳化燃料作噴霧燃燒火焰分布現象觀察和柴油作比較，Murayama則研究汽油之乳化燃料燃燒實驗以分析燃燒特性及廢氣排放情形，他們一致建言乳化燃料極具實際研發價值。
1980年代Yoshimoto與Tsukahara等知名科學家不斷投入研究，提供值得信賴與重要的成果，指示摻水量30％（體積比）以下的乳化燃料在室溫下對金屬腐蝕作用極微，及乳化燃料液滴特殊微爆（micro-explosion）現象完成捕捉證實等，更提升了「油料摻水」的研究潛力。
1990年代省油效果與廢氣污染問題雙重考量下，Hamasaki致力於燃油替代方案，試以植物油為基礎油進行小型直噴式柴油引擎燃燒實驗，並在油中摻水進行廢氣排放量測和基礎油作比較。實驗結果顯示：NOx排放量隨含水量增加而獲得明顯改善，且排煙濃度在含水量20％時改善效果頗明顯。
1995年Hamasaki繼續以植物油乳化燃料（含水量0～30％）進行引擎性能試驗，分析摻水後對植物油燃燒特性之影響。結果顯示乳化燃料之制動燃料消耗比量BSFC與燃燒速率均有改善事實；同時與植物油的高黏度﹑低揮發性不良影響相較下明顯有較佳的燃燒特性。在適當的噴嘴型式下，植物油乳化燃料燃燒特性頗能與柴油相比較。由以上文獻回顧得知，多種燃油之乳化燃料引擎實驗結果普遍受到肯定，而以多少百分比水量摻入燃油中乳化燃燒最合經濟利益與環保意識，是目前較有興趣的問題之一。
在供油系統方面，柴油或汽油引擎噴射系統已取代傳統式化油器，使汽車引擎性能全面提升。燃油噴射霧化效果的優劣成為目前研究重點。為了能全面考量乳化燃料引擎運作性能，筆者曾就引擎重要特性如：噴射進汽特性﹑燃燒效益與廢氣排放特性等，針對不同含水量乳化燃料，作實際引擎噴霧燃燒實驗以求較佳含水量值。這是頗耗時耗資過程，但水既經濟又易取得，使燃油中加水量之可行性值得模擬分析研究。本文曾以國產柴油或汽油為基礎油對象，經摻水乳化處理得到不同含水量乳化燃料，其直噴式渦輪增壓引擎性能實驗成果表如後詳述。
筆者以國產柴油或汽油為基礎油，摻入不同體積百分比的蒸餾水（10～50％）配製成含水量不同之乳化燃料（emulsified fuels）。油和水極性各異互不相溶而產生界面，為了均勻混合（即「乳化」），需借助界面活性劑。本劑用途最廣且最重要的功用便是乳化作用，適當的乳化劑可減低液體的表面張力，使各相界面間做最大密度吸附。當乳化劑達於某濃度時，水在油中形成微胞（micelle）構造，它如同水珠般均勻且安定地分布於油中，它在巨觀下則成類似牛乳般油料。
另一方面，乳化劑的選擇是項複雜的技術，它隨乳化燃料品質的提升而已成為獨門配方。本實驗曾採Powder Atlass公司出品之山梨糖脂肪酸酯（Span 80型）與聚氧乙烯山梨糖脂肪酸酯（Tween80型）調配使用，多次重複實驗證實兩種乳化劑比例9：1調配（HLB=5.59，體積比1％摻入），可使乳化燃料油品穩定性極佳。在常溫常壓靜止下，三週內油水不生明顯分離現象（見圖一），水脫離層未曾出現，對防止引擎腐蝕較為有利。
就乳化燃料的特殊物理性質而言，「微爆」現象（micro-explosion）──噴霧液滴在燃燒室內受熱而發生輕微爆炸現象，因狀似煙火般碎化故名微爆──對引擎燃燒特性有重要影響。1986年Tsao以熱電偶（Thermocouple）測得乳化燃料液滴受熱後之微爆現象。1988年本實驗室曾以高速攝影技術捕獲此特殊現象（見圖二），並予合理說明：乳化燃料在微觀下包覆於油中的小水珠微粒（即微胞，直徑約數μm），因沸點較油為低而受熱先行蒸發，使液滴中漸生成無數水蒸汽團，繼續吸熱形成高壓蒸汽團而破裂衝散，外觀下液滴發生明顯劇烈爆炸現象。以燃燒觀點分析，此噴霧液滴碎化作用有助於油汽與周圍空氣的混合，燃燒效益可望提高。經實驗證實，隨摻水量增加微爆現象趨於劇烈；同時，乳化劑約1％體積比摻入時，其微爆現象較為明顯。
本文實際以引擎測試乳化燃料（含水量10～50％），並由周邊儀器分析以求出較佳含水量值。筆者以Komatsu Model 54D105-D渦輪增壓柴油噴射引擎（見圖三）為實驗主體，經由動力計控制負荷轉速與流量計讀出之油量消耗，再換算成燃料消耗率以作為乳化燃料省油效果評估。另一方面，NOx量測儀（Thermo Electron Model 44），CO-HC量測儀（HORIBA MexA-441 FB型）與Smokemeter（AVL公司出品）用以評估油料摻水燃燒廢氣排放多寡。在噴霧模擬裝置方面，則抽出引擎其中一缸噴射系統（含4孔噴嘴）接至壓力容器（見圖四），並設置耐高壓玻璃視窗於容器上。實驗進行中以高速攝影機（NAC, Model-E10）捕捉引擎噴射進汽系統實際噴霧情形（如設計圖五所示），分析油品隨摻水量改變霧化效果優劣情形。
筆者曾以氮氣將容器增壓至10大氣壓以模擬引擎內壓（實驗中「耐壓玻璃」曾發生爆裂，屬高度危險過程），建議以噴射試驗機（Tokyometer Model INP-1-100）在常壓下利用單孔噴嘴作噴霧觀察。此模擬用噴射裝置用以分析噴霧特性如噴霧尖端貫穿距離﹑噴霧擴散角度（見圖六）以及噴霧液滴平均粒徑（SMD）等，在簡易方便安全下可得相同於實際引擎趨勢結果，其裝置如圖七所示。圖八之雷射粒度分析儀（Malvern, Model 2600 HSD）即用以量測噴霧粒徑大小（SMD）及其分布性，是決定乳化燃料霧化效果優劣之重要分析儀，原理簡述如後。
以雷射粒度分析儀（Particle Sizer）量測乳化燃料噴霧液滴粒徑分布（SMD）受摻入水量影響。其主裝置由下列各副系統組成：
（1）光學量測系統：應用佛朗繞射法量測噴霧油滴之繞射型態。
（2）電子處理系統：將所得之繞射光能量，放大後經A/D轉換器將資料轉送至電腦。
（3）微電腦的系統：將所得資料以分析軟體進一步處理。
（4）應用分析軟體。
（5）列表機：將結果列印。
本儀器以氦氖雷射光源通過噴霧液滴（約數μm）產生繞射，由透鏡聚焦於光電偵測器，藉微電腦系統量測液滴粒徑，量測範圍在1~1800μm之間。
以上實驗裝置建立與燃料評估計畫歷時五年，大型裝置（如汽油噴射引擎裝置﹑射出成型裝置等）與先進儀器（如瞬間溫度流場量測儀等）正籌設中。
經實驗結果獲得同條件下進汽系統：
（一）乳化燃料隨含水量增加而噴霧尖端貫穿距離有增長趨勢（見圖九）。這是由於含水量較多的燃料液滴比重較大而使得慣性增加﹑受空氣阻力影響較小所致，其過長的貫穿距使液滴衝擊於較冷汽缸壁面的可能性增大，熄火機率提高將導致燃燒較不完全。
（二）含水量較高者其噴霧擴散角度較小（見圖十）。油滴和空氣接觸面不大，造成液氣不易充分混合而霧化不佳。
（三）粒徑分析儀證實含水量高者其噴霧液滴粒徑較粗大﹑分布較不均勻，即液氣混合程度較差。
綜合以上結果得知：乳化燃料隨含水量的增加而噴霧情形愈惡化，如此一來間接地造成廢氣中碳氫化合物（HC）含量隨含水量增加而增加的事實（見表）。
另一方面，乳化燃料微爆現象促使液滴碎化，增加其周圍混合汽濃度而助於著火。含水量高者微爆現象發生較遲，點火延遲時間較長，其較強烈之微爆現象增快燃燒速率，實驗證實隨含水量增加燃料消耗率明顯降低。又油內水珠蒸發初期過程吸收引擎局部熱能﹑舒解噴射引擎普遍高溫現象，廢氣中有毒物質NOx、CO及黑煙（smoke）三者隨含水量的增加而排放量大幅降低（參考表內所示）。所幸噴射引擎之碳氫化物（HC）排放量和NOx量相較下明顯較少；就NOx+HC總量而言，仍隨含水量增加而有改善的事實。因此，以燃油摻水乳化法，可望解決市區公車﹑大型車所造成的NOx﹑黑煙與CO污染問題。
1.乳化燃料實際引擎測試與模擬裝置實驗證實，隨含水量增加燃料消耗率與NOx等廢氣排放量可明顯獲得改善。但是當含水量超過35％時，引擎燃燒不穩定且噪音增大，起動性差與間歇熄火現象易損傷引擎，因此針對NOx﹑黑煙與CO排放量改善及省油效果而言，採含水量30％乳化燃料（即「七分油三分水」）可得較高燃油效益與引擎性能。
2.在引擎長期停火過程（超過1～2個月），引擎有些微腐蝕現象出現，因此乳化燃料長期穩定性有待進一步改良。1994年底，美國內華達州科學家古納曼曾研發出獨門乳化劑，配合改裝引擎或加裝自動燃料切換晶片，完成乳化燃料一萬公里公車路試，其實驗數據及引擎本體尚在檢驗評估中。期待這項「摻水乳化」科技成熟，每年進口油量可望大幅降低，汽車污染問題亦可全面改善。期許本熱科學實驗室不斷繼續努力，研發國人「獨門」乳化燃料以跟上世界腳步。
3.經專家評審提供乳化燃料相關寶貴意見，對於乳化燃料在不同溫度（25～1000℃）與動態下之穩定性影響，目前筆者正評估中。同時對其燃燒特性不斷深入研究，如汽油之乳化燃料引擎燃燒火焰分布照像已順利捕捉，如圖十一所示。成果可望日後與讀者分享。
參考資料：
l.Mizutani, Y., 《水乳化燃料噴霧
燃燒‧排出特性ε燃燒機構》 日本機械學會論文集（B編）47卷424號 1981.
2.Murayama, T., "Experimental Reduction of NOx, Smoke, and BSFC in a Diesel Engine Using Uniquely Produced Water(0～80％) to Fuel Emulsion", SAE paper NO. 780224, 1978.
3.Yoshimoto, Y., 《乳化燃料【瀏覽原件】爆發【瀏覽原件】關【瀏覽原件】研究》 日本機械學會論文集（B編）55卷519號 1989.
4.Tsao, K.C., "Puffing and Micro-Explosion Phenomema of Water Emulsion Fuels", SAE Paper NO. 860304, 1986.
5.Fujita, N., "The effect of Gas oil-water-Methanol Emulsified Fuel on Diesel Engine Performance",JSME, 53-486, 1987.
6.Peters, D.B., "Water-Gasoline Fuels-Their Effect on Spark ignition Engine Emissions and Performance", SAE paper NO. 760547, 1976.
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8.Yoshimoto, Y., 《乳化燃料驅動【瀏覽原件】機關【瀏覽原件】性能【瀏覽原件】及【瀏覽原件】噴射特性【瀏覽原件】影響》 日本機械學會論文集（B編）54卷503號 1988.
9.Tsukahara, M., 《【瀏覽原件】機關【瀏覽原件】水﹑工【瀏覽原件】燃燒【瀏覽原件】適用【瀏覽原件】場合【瀏覽原件】燃燒促進效果【瀏覽原件】及【瀏覽原件】燃燒室形狀【瀏覽原件】影響》 日本機械學會論文集（B編）48卷426號 1982.
10.王宗仁 《加熱面上乳化燃料液滴之蒸發與燃燒過程實驗研究》 成功大學機械工程研究所碩士學位論文 1988.
11.Hamasaki, K., 《【瀏覽原件】油乳化燃料【瀏覽原件】小形【瀏覽原件】機關【瀏覽原件】性能【瀏覽原件】排氣特性》 日本機械學會論文集（B編）59卷548號 1992.
12.Hamasaki, K., 《【瀏覽原件】油乳化燃料【瀏覽原件】直噴式【瀏覽原件】機關【瀏覽原件】性能【瀏覽原件】及【瀏覽原件】噴射系【瀏覽原件】影響》 日本機械學會論文集（B編）61卷581號1995.
附記：本「乳化燃料」研究案承蒙中國石油公司煉製研究中心提供基礎油，特此誌謝。
林永嵩任教於台中樹德工商專校機械科
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