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博碩士論文 etd-0629112-150243 詳細資訊
Title page for etd-0629112-150243
論文名稱
Title
異丁醇混合柴油對柴油引擎醛酮類化合物排放特性之研究
Effects of isobutanol-diesel blend on carbonyl compounds characteristics in a heavy-duty diesel engine
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
141
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2012-06-13
繳交日期
Date of Submission
2012-06-29
關鍵字
Keywords
臭氧生成潛勢、醛酮類化合物、異丁醇、暫態循環測試、柴油引擎
Ozone Formation Potential, Carbonyls, Isobutanol, Transient Cycle, Diesel engine
統計
Statistics
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中文摘要
本研究於柴油引擎以柴油與添加比例異丁醇(10 − 30%)並於美國暫態循環條件下測試,對於引擎所排放之18 種Carbonyls 進行採樣與分析,探討柴油引擎性能與污染物排放之整體變化趨勢,並瞭解柴油引擎排放醛酮類化合物特徵與臭氧生成潛勢之研究。

引擎性能方面添加不同比例(10 − 30%)異丁醇與柴油混合時顯示,僅添加10%異丁醇可使制動單位燃料消耗為省油,其他性能則皆呈現下降趨勢;傳統汙染物方面,可使NOx、部分CO 與PM 將受熱值與含氧量影響呈現下降趨勢;而CO2、THC、部分CO 與PM 將受熱值與十六烷值則呈現上升趨勢。

總醛酮類化合物排放方面,柴油引擎以柴油之總醛酮類化合物排放濃度為893.25 μg/m3,其排放因子可分為單位油耗(mg/L-fuel)與制動馬力小時(mg/bhp-hr)兩種,分別為218.44 mg/L-fuel 與52.57mg/bhp-hr;當添加異丁醇比例為10 − 30%時,其排放濃度由1108.21μg/m3 增加至2622.27 μg/m3,單位油耗由218.44 mg/L-fuel 增加至610.94 mg/L-fuel,而制動馬力小時則由52.57 mg/bhp-hr 增加至175.25
mg/bhp-hr;柴油排放之臭氧生成潛勢為7132.72 g-O3/m3,當添加異丁醇比例為10 − 30%時,其排放濃度由8764.39 增加至20168.73g-O3/m3,故添加異丁醇將增加廢氣中所排放之總醛酮類化合物。

綜合引擎性能與污染排放兩方面來評估,結果顯示添加10%異丁醇時具有省油之效果,並且在NOx、CO 與PM 等污染物上具有減量之效果,其他異丁純添加比例則使汙染物皆呈現上升趨勢,故可得知使用10%異丁醇為最佳之添加比例。
Abstract
This research conducted exhaust tests in an HDDE (heavy-duty diesel engine) using pure diesel fuel mixed with 10 to 30% isobutanol under the condition of U.S. Transient Cycle. Characteristics of 18 carbonyls emissions were investigated and compared with those using pure diesel.

Results showed that the brake power (BP) and brake thermal efficiency (BTE) were decreased with increasing isobutanol mixtures (10 to 30%). Brake specific fuel consumption (BSFC) was increased for isubutanol ≦ 10%, but was decreased for isubutanol above 10%. The regulated emissions of CO, PM and NOx were decreased, but CO2 and THC were increased, due to variations of cetane number and heating value.

Total carbonyls emission concentrations with pure diesel fuel were 893.25 μg/m3, with emission factors being 52.57 mg/bhp-hr or 218.44 mg/L-fuel. When 10 to 30% isobutanol mixture was added, total carbonyls concentrations ranged from 1108.21 to 2622.27 μg/m3, with
emission factors being 268.83 to 610.94 mg/L-fuel, or 68.93 to 175.25
mg/bhp-hr. The ozone formation potential of diesel engine with pure
diesel fuel was 7132.72 g-O3/m3.When 10 to 30% isobutanol mixture was
used, total ozone formation potential ranged from 8764.39 to 20168.73
g-O3/m3. Total carbonyls emissions were increased with increasing
isobutanol contents.
In summary, addition 10% isobutanol was an optimal blend, since
both fuel saving and reductions of pollutant emissions can be achieved.
目次 Table of Contents
目 錄
謝誌 i
摘要 ii
Abstract iii
目錄 v
圖次 viii
表次 xi


第一章 前言 1
1.1 研究緣起 1
1.2 研究目標 2


第二章 文獻回顧 4
2.1 柴油引擎及排放特徵 4
2.1.1 柴油引擎之作用原理 4
2.1.2引擎燃料之特性 7
2.1.3 影響污染物排放之因子 10
2.1.4 引擎傳統污染物排放特徵及危害性 14
2.1.5 柴油引擎運轉型態 17
2.1.6 暫態之醛酮化合物排放特徵 22
2.2 醛酮類化合物 24
2.2.1醛酮類化合物之特性 24
2.2.2 醛酮化合物之來源與生成 25
2.2.3 醛酮化合物之分布特性 26
2.2.4 引擎之醛酮化合物排放特徵 28
2.2.5 醛酮化合物之健康危害 30
2.3 替代燃料 34
2.3.1 生質柴油(Biodiesel) 34
2.3.2 液化石油氣 38
2.3.3 天然氣 39
2.3.4 醇類燃料 41

第三章 研究方法與步驟 46
3.1 研究架構與流程 46
3.2 實驗規劃 47
3.2.1採樣規劃 47
3.2.2 添加異丁醇之比例 47
3.2.3 測試條件 48
3.3 採樣設備 51
3.3.1 柴油引擎規格 51
3.3.2 引擎測功機 51
3.3.3 Carbonyls採樣方法與設備 52
3.4 採樣程序 54
3.4.1 柴油排氣取樣系統 54
3.4.2 傳統污染物量測 55
3.4.3 Carbonyls採樣 57
3.5 樣品分析 57
3.6 分析設備及程序 58
3.7 Carbonyls分析之品質保證與品質控制 59
3.7.1 空白試驗 59
3.7.2 方法偵測極限(Method Detection Limit, MDL) 60
3.7.3 檢量線(Calibration curve)之配置 60
3.7.4 準確度(Accuracy) 61
3.7.5 精密度(Precision) 62


第四章 結果與討論 67
4.1 異丁醇與柴油混合對引擎性能之影響 67
4.1.1 制動馬力 67
4.1.2 制動熱效率 69
4.1.3 制動單位燃料消耗 70
4.2 異丁醇柴油混合對傳統污染物排放之影響 72
4.2.1 異丁醇與柴油混合對一氧化碳(CO)排放之影響 73
4.2.2 異丁醇與柴油混合對二氧化碳(CO2)排放之影響 76
4.2.3 異丁醇與柴油混合對總碳氫化合物(THC)排放之影響 80
4.2.4 異丁醇與柴油混合對氮氧化物(NOx)排放之影響 83
4.2.4 異丁醇與柴油混合對懸浮微粒(PM)排放之影響 86
4.2.5 異丁醇與柴油混合對性能與污染物整理 88


4.3 異丁醇與柴油混合對醛酮類化合物之影響 89
4.3.1 總醛酮類化合物之排放濃度與排放因子 89
4.3.2 醛酮類化合物之組成分析 93
4.3.3以異丁醇混合柴油對醛酮類化合物排放之引響 95
4.34 以異丁醇與柴油混合對醛酮化合物臭氧生成潛勢之影響 114

第五章 結論與建議 ..117
5.1 結論 117
5.2 建議 119


參考文獻 120
附錄A 作者簡歷 126

圖次

圖2-1 引擎點火四行程 7
圖2-2 美國暫態循環行車型態 18
圖2-3 ESC測試型態 19
圖2-4 ELR測試型態 20
圖2-5 FIGE測試循環時速變化 21
圖2-6 ETC測試型態引擎轉速變化 21
圖2-7 ETC測試型態引擎扭力變化 22
圖2-8 生質柴油轉換過程 36
圖2-9 非觸媒法合成生質柴油示意圖 37
圖3-1 研究架構流程圖 46
圖3-2 美國暫態測試循環測試曲線 49
圖3-3 美國暫態測試循環測試程序 50
圖3-4 Pocket Pump 空氣採樣器 53
圖3-5 LpDNPH-Cartridge吸附管示意圖 54
圖3-6 柴油引擎之煙道廢氣採集系統 55
圖4-1 添加不同比例異丁醇對制動馬力之影響 68
圖4-2 添加不同比例異丁醇對制動熱效率之影響 70
圖4-3 添加不同比例異丁醇對制動單位燃料消耗之影響 71
圖4-4 添加不同比例異丁醇對CO排放濃度之影響 74
圖4-5 添加不同比例異丁醇對CO排放因子之影響 75
圖4-6 添加不同比例異丁醇對CO排放濃度之影響(加權) 75
圖4-7 添加不同比例異丁醇對CO排放因子之影響(加權) 76
圖4-8 添加不同比例異丁醇對CO2排放濃度之影響 78
圖4-9 添加不同比例異丁醇對CO2排放因子之影響 78
圖4-10 添加不同比例異丁醇對CO2排放濃度之影響(加權) 79
圖4-11 添加不同比例異丁醇對CO2排放因子之影響(加權) 79
圖4-12 添加不同比例異丁醇對THC排放濃度之影響 81
圖4-13 添加不同比例異丁醇對THC排放因子之影響 81
圖4-14 添加不同比例異丁醇對THC排放濃度之影響(加權) 82
圖4-15 添加不同比例異丁醇對THC排放因子之影響(加權) 82
圖4-16 添加不同比例異丁醇對NOx排放濃度之影響 84
圖4-17 添加不同比例異丁醇對NOx排放因子之影響 84
圖4-18 添加不同比例異丁醇對NOx排放濃度之影響(加權) 85
圖4-19 添加不同比例異丁醇對NOx排放因子之影響(加權) 85
圖4-20 添加不同比例異丁醇對PM排放因子之影響 87
圖4-21 添加不同比例異丁醇對PM排放因子之影響(加權) 87
圖4-22 添加不同異丁醇比例之醛酮化合物濃度組成百分比 95
圖4-23 添加不同比例異丁醇對甲醛濃度排放之影響 96
圖4-24 添加不同比例異丁醇對甲醛排放因子之影響 97
圖4-25 添加不同比例異丁醇對乙醛排放濃度之影響 98
圖4-26 添加不同比例異丁醇對乙醛排放因子之影響 99
圖4-27 添加不同比例異丁醇對丙烯醛排放濃度之影響 100
圖4-28 添加不同比例異丁醇對丙烯醛排放因子之影響 101
圖4-29 添加不同比例異丁醇對丙酮排放濃度之影響 102
圖4-30 添加不同比例異丁醇對丙酮排放因子之影響 103
圖4-31 添加不同比例異丁醇對丙醛排放濃度之影響 104
圖4-32 添加不同比例異丁醇對丙醛排放因子之影響 105
圖4-33 添加不同比例異丁醇對2-丁烯醛排放濃度之影響 106
圖4-34 添加不同比例異丁醇對2-丁烯醛排放因子之影響 107
圖4-35 添加不同比例異丁醇對丁烯醛排放濃度排放之影響 108
圖4-36 添加不同比例異丁醇對丁烯醛排放因子之影響 109
圖4-37 添加不同比例異丁醇對苯甲醛排放濃度排放之影響 110
圖4-38 添加不同比例異丁醇對苯甲醛排放因子之影響 111
圖4-39 添加不同比例異丁醇對其他醛酮排放濃度之影響 112
圖4-40 添加不同比例異丁醇對其他醛酮排放因子之影響 113



表次

表2-1 柴油引擎與汽油引擎性能比較 5
表2-2 ESC測試程序的穩態測試點 19
表2-3 18種Carbonyls之分子量與物理特性 25
表2-4 Carbonyls之健康危害資料 33
表2-5 天然氣與常用燃料比較 40
表2-6 比較不同燃料之特性 45
表3-1 異丁醇之物理性質 48
表3-2 重型柴油引擎規格表 51
表3-3 Carbonyls標準品之成分及濃度(Supelco) 63
表3-4 Carbonyls標準品之檢量線 64
表3-5 18種Carbonyls之回收率 65
表3-6 Carbonyls樣品之準確性、精密性及方法偵測極限 66
表4-1 添加不同比例異丁醇時性能與傳統汙染物排放係數 88
表4-2 醛酮化合物之濃度 91
表4-3 醛酮化合物之單位油耗排放因子 92
表4-4 醛酮化合物之制動馬力小時排放因子 92
表4-5 添加不同異丁醇比例之醛酮類化合物濃度組成百分比 94
表4-6 添加不同比例異丁醇與柴油混合對甲醛排放之影響 96
表4-7 添加不同比例異丁醇與柴油混合對乙醛排放之影響 98
表4-8 添加不同比例異丁醇與柴油混合對丙烯醛排放之影響 100
表4-9 添加不同比例異丁醇與柴油混合對丙酮排放之影響 102
表4-10 添加不同比例異丁醇與柴油混合對丙醛排放之影響 104
表4-11 添加不同比例異丁醇與柴油混合對2-丁烯醛排放之影 響 106
表4-12 添加不同比例異丁醇與柴油混合對丁醛排放之影響 108
表4-13 添加不同比例異丁醇與柴油混合對苯醛排放之影響 110
表4-14 添加不同比例異丁醇與柴油混合對其他醛酮排放之影 響 112
表4-15 醛酮化合物之MIR值 114
表4-16 不同比例異丁醇對醛酮化合物臭氧生成潛勢之影響 115
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