大型柴油車輛新式廢氣檢驗可行性之探討

CVNews 商業車誌: 賴柔雨博士|01/10/2019 把這篇文章貼到FaceBook


稿件提供: 南開科技大學車輛與機電產業研究所 賴柔雨博士
壹、前言
   柴油大型商用車輛大多為客、貨運輸業主力的生財工具,長期以來以柴油為引擎燃料之車輛在國內經濟與對外貿易活動中,始終扮演著相當重要的角色,所謂-“輪子在轉,經濟在飛”,足見大型商用車之重要性。但同時,由於運輸的特殊性,商用車大多採用柴油引擎為動力源,柴油車輛所造成的空氣污染相對的引發了空氣品質加速惡化的疑慮,在國內以汽機車為主的移動汙染源所產生的PM2.5約佔總比例的35%,因此對於移動污染源源廢氣排放的管制與改善,已被視為空氣污染防治的重要課題之一,因此積極發展相關的污染管制措施與技術,並透過這些管制法規訂定等作為與污染防制技術,期能有效管控污染排放、改善空氣品質。
   為避免車輛汙染,環保署實施了一、二及三期柴油商用車輛之廢氣排放標準與訂定了檢驗方法,檢驗步驟以確認輸出馬力符合標準,在進一步進行排煙濃度之檢驗,馬力試驗主要是避免老舊車輛車主為達到排煙符合規定,先進行燃油調校而影響引擎的輸出動力,雖然排煙不透光率檢查符合排煙法規標準,但引擎動力輸出受到限縮影響行駛安全,但舊式馬力試驗的方法往往因檢驗員的操作方法造成車輛引擎受損,屢屢受車主詬病,衍生許多不必要糾紛,此為現行檢驗現場的問題之一。
   另一方面,國內符合第四期與第五期法規的新型柴油商用車,使用電腦控制高壓燃料系統,如共軌柴油引擎,已無引擎燃料噴射泵可供調校,且其最大輸出馬力之轉速約在每分鐘1750~2500轉之間,以舊式檢驗方法進行第之馬力試驗極易造成渦輪增壓器與引擎損壞,又2007年10月份後國內上市之新式四期柴油商用車輛都配備了第二代隨車診斷系統OBDⅡ,其功能已具備排汙超標警示儲存與資料凍結功能,採用舊式不透光率檢驗作為排放廢氣已無法進行判定。
   本文試圖從原理論述,進而剖析現代新科技與檢驗方法的適切性,最後探討如何以符合現代新科技的方法,比較分析新舊型大型商用柴油車之檢驗方法,以供主管單位實施之參考。




圖1 柴油引擎各時期氮氧化合物(NOx)與懸浮粒之標準    引自http://www.dougjack.co.uk/bus-industry-euro-6-emissions-limits.html
貳、柴油引擎之作用原理與新科技
一、柴油引擎基本原理
   狄塞爾循環(diesel cycle)為傳統柴油引擎之基本作用循環,現今高速柴油引擎採用等容等壓循環之著火燃燒方式,採非均質混合與燃燒(Heterogeneous mixing and combustion )方式,相對於汽油引擎之奧圖(Otto )等容循環熱效率25%~28%,狄塞爾循環有著更高的熱效率一般為30%~35% 之間,因其扭力大之特性被廣泛應用於大型商用車。
   就柴油引擎之混合與燃燒特性而言,柴油引擎有別於汽油之混合與燃燒可分述如下:
1.非均質混合(Heterogeneous mixing )
(1).非均質混合:由於燃油之噴射時期在壓縮行程末期,加上當燃油被噴出時需穿透高溫高壓的壓縮氣體,因此本身的油霧狀態被限制,造成油粒並未完全充滿整個燃燒室,空氣的混合基本上是屬於不均質的狀態,另外配合不同負載產生以重量為基準的不同混合比,其混合比範圍在1/4負荷的80比1,到全負載的20比1,在如此寬廣的範圍區域下,唯有充分供應足量的空氣,才能避免黑煙的生成,整體而言屬於非均質混合過程。
(2).非均質燃燒(Heterogeneous combustion ):當燃油在壓縮行程末了噴入高溫的燃燒室時,燃油並未馬上燃燒,而是先以液態的小油霧狀態存在,在油粒之表層會因汽化情形迅速形成蒸氣狀,此過程即為一般所知的完全氧化過程。由於油粒子間氧化情形所產生的熱,使得分子間相互傳導,在達一定的臨界溫度點時,燃油粒氧化開始由其餘氧化粒子所產生的熱量所提供,產生自燃情形。換言之,液態燃油核心受到外圍熱蒸氣而產生快速氧化過程,此間仍需不斷的提供足夠的新鮮空氣,才能使其化學反應不斷進行。柴油之燃燒率是極度的仰賴空氣與燃油兩者間的相對運動。因此,柴油燃燒(burning )的主要過程為高壓噴油油粒子充分霧化、油粒子吸熱、油粒子產生氧化作用接著充份與空氣結合並再氧化產生化學能;因此燃燒速率端視油粒子與空氣之混合速度而定。
3.噴射狀態與燃燒:
   不論傳統機械式噴射泵浦或電腦控制共軌式柴油噴射系統,對於壓縮著火之燃燒率有效與否,端視燃燒火燄前端燃燒生成物被渦流掃除與被新鮮混合氣替換的比例而定。換言之,燃燒率(burning rate)是靠燃燒油粒(droplets)與及周圍空氣之相對速度而定。
   從時間觀點而言,要建立並點燃液體油粒子周圍蒸發薄膜使油粒著火的時間,是依油粒尺寸的大小及數量來決定,而燃燒率(相當於著火後產生的壓力上升率)之快慢,主要受已蒸發的液體油粒子曝露於燃燒室中的表面積大小影響。研究顯示,當噴射出的柴油油粒子愈小而且數量愈多時,點燃的整體表面積更大,在直接燃燒時期時之燃燒速度與壓力上升率相對地快速。
   但當被噴入燃燒室空氣中之油粒子太小時,將會失去自身的動能,而完全地被延遲在渦流的四周,油粒子本身未與空氣作相對運動。換言之,渦流無法將燃燒的生成物掃除,將無法充分作新鮮混合氣之交換。因此未燃混合氣將無法有足夠的空氣使之燃燒,而產生著火不良的現象。相對於上述之狀態,如果僅有少數較大的油粒子被噴入汽缸中,較大之油粒子可以與周圍空氣維持較長久的相對運動,因此新鮮混合氣會被引入以便讓油粒子著火,研究顯示,當噴射出的柴油粒子體積愈大而且數量愈少時,點燃的整體表面積更小,在直接燃燒時期時之燃燒速度與壓力上升率相對地更慢。
4.油粒之控制
   在非均質燃燒的循環架構下,柴油引擎燃料系統的設計,為求燃料燃燒的最佳狀態,及燃燒後有較低的污染生成物。除了要求柴油品質之外,最重要的莫過於油粒之控制,因為自噴射器噴出之油粒大小與噴幅,如何有效搭配燃燒室內的氣流(擠流、渦流與亂流等)作相對的運動,以決定粒子在新鮮空氣中的霧化、貫穿與分佈狀態,也間接決定燃燒的效率。再者由於柴油引擎是藉由控制燃料油量,控制輸出動力的大小,因此在設計上要考慮不同之壓縮比與燃燒室型式,採用不同之油粒控制策略。一般概念上,通常粒子太小將影響動能,造成貫穿與分佈狀態不佳,使得燃燒速率太快,而且過小的油粒將隨渦流擾動,無法充分與空氣作接觸,影響氧氣之供給。粒子太大則又因為霧化不佳,燃燒不易。
   然而就單一噴射出之油霧的燃燒而言,如果要維持適當的燃燒率其要求為窄幅及較大粒子狀態最佳。可以使燃燒的速率不至於太快,氧氣與燃油之氧化狀態較好,同時燃燒後之生成物可以完全隨著擾流排出。因此維持愈高的噴射壓力將有助於窄幅及較大粒子油霧的形成。
   傳統柴油引擎中,噴射泵之噴油量、噴油正時、以及噴油率三項參數由機械動作控制,在機械噴射泵浦中,又通常會以噴射器之彈簧彈力來調節油粒之霧化效果,壓力愈高可以產生更小更佳的噴射霧化油粒;現代之柴油引擎,則導入了電子及機械控制系統進行控制,控制柴油引擎燃燒品質之主要參數有四項;噴油霧化狀況、噴射泵之噴油量、噴油正時、以及噴油供給率,不論傳統機械式噴射泵浦或電腦控制共軌式柴油噴射系統,對於壓縮著火之燃燒率有效與否,皆端視燃燒火燄前端燃燒生成物被渦流掃除與被新鮮混合氣替換的比例而定,新式柴油高壓燃料系統,可以有效克服霧化與貫穿之兩難並提供適切的燃料供給率,除了供給主噴射最佳化之燃燒外,並可進行提高燃燒室溫度、先期燃燒及後端處理裝置所需要的熱能。
二、現行商用柴油引擎新科技
1.柴油引擎廢氣排放法規標準
(1). 歐盟柴油引擎廢氣排放法規標準
   汽車科技的發展往往受法規之日趨嚴格而進步。就內燃機的使用燃料而言,相對汽油引擎柴油引擎有著高出力、省油的優勢,但傳統柴油引擎在起動時由於燃料以著火的方式燃燒,限制其起動性能,低速運轉的狀態下,引擎的振動與噪音又比較大,另外廢氣之污染更受人詬病;僅就排氣污染中排放廢氣的污染度,在現今強調環保的概念下,更是一項待解決的課題,以國內所應用的歐盟法規標準為例,在歐規排放標準中進入六期環保法規之標準後,懸浮粒與氮氧化合物之排放分別必須在0.4 g/kw-hr、0.01 g/kw-hr之下,如圖1所示。為符合環保法規,隨著科技的進步與不斷的改良,柴油引擎以高的熱效率、較低的油耗及低速大扭力之優點重新受到重視,使得柴油噴射系統技術有著大幅的進步。
   也就是說相對於現今汽油引擎改良噴射系統高壓化,柴油引擎採用電腦控制燃料噴射系統結構,用以提升燃燒效率並降低污染物,進而形成技術之革新。就結構而言,現有柴油電腦控制燃料系統主要有四大類,分別是以傳統直列式噴射泵浦所改良之TE型噴射泵浦、以傳統VE泵浦為基礎所改良之電腦VE噴射泵浦、及整體式電腦控制單點噴射器(UI)與整體式噴射泵浦(UP)以及現在最廣泛應用於小車及大車之共軌式柴油噴射系統(Common Rail Injection System,CRI),如圖2所示。
   柴油引擎透過燃料系統改良,依負荷之大小,搭配高度的機電整合技術加以改良,針對柴油引擎燃料系統噴射壓力的高壓化、噴射正時的可變化、噴射率的控制及不同負載的噴射補償加以設計,因此分別發展出電子控制分配式噴射泵、電子控制可變噴射行程直列式噴射泵、整體單體式噴射及共軌式燃料噴射系統等改良,使柴油引擎廢氣污染物的排放上,有著極大的改善。
2.新型柴油引擎噴射器控制之變革
   傳統柴油引擎之噴射器,主要控制噴射壓力、油粒、噴射狀態等。其控制原理是藉由噴射器彈簧之彈力,將噴油嘴壓在噴油嘴座上,當噴射泵油壓上升之際克服彈簧彈力使油嘴上升,使高壓油自噴孔噴射出,如圖3所示。噴射量是油調速器控制調整,噴射正時則需藉油正時器來完成,雖然部份節流型噴射泵可以控制噴射率,但精準度無法達到最佳狀態。
現行電腦控制式共軌柴油噴射系統之噴射器,由高壓噴射泵提供一定壓力值的高壓油,並使噴射器上之油壓保持在均衡狀態,當電磁閥作用時開啟回流閥,柴油回流使上室油壓降低,造成上下相對油壓差,噴射器之提動閥上揚,噴油嘴便開始作用噴射,透過電腦控制噴射進行調節噴油霧化、油量、正時以及噴油供給率。

3.多次噴射控制
   多次噴射控制方式主要在控制噴射率,透過噴射率控制可以降低最高燃燒溫度並同時降低PM之生成,廣為現行柴油噴射系統使用。此類型噴射模式,在每個壓縮行程中,噴射過程中可以分成五次完成每一次的噴射動作,此五種不同的模式分別是:先導噴射(pilot injection)、預噴射 (pre injection)、主噴射 (main injection)、後噴射(after injection)及延遲噴射(post injection)。
   其中噴射器以先導噴射在著火前先行將燃料噴射進入燃燒室,使空氣與燃油能充分混合,預噴射則可以縮短主噴射時之著火延遲時間為主要控制目標,並減少NOx的生成量,緊接著是主噴射負責主要燃燒燃料之供給與動力之生成,第四階段為在噴射時間上被分開於主噴射後的後噴射,則負責再燃燒(re-burns),以便儘量減少任何存在於燃燒室內的的懸浮粒PM;在噴射噪音方面,與傳統噴射及先導噴射相較,多次噴射可以有效降低噪音值約7db,靜肅性之改善極為顯著。最後延遲噴射主要是協助管理燃燒後廢氣的溫度,俾便在排放廢氣的過程可以讓後處理裝置如觸媒轉換器等為持適當溫度以更有效率作用。如圖4與圖5所示為Bosch UI系統設計,使用整體式噴射器,透過電磁閥1填充與產生即釋放壓力,電磁閥2作為噴油嘴開閉之作用,在單一循環中可進行五次噴射並可調節噴射壓力的上升率與噴射率。
另外在日本DENSO CRS系統設計也是採用每循環五次噴射。

4.壓電式噴射器
   壓電式噴油器使用一個壓電晶體製成的快速作動器來控制噴射閥。壓電晶體透過內部磁場的擴大。電子控制的壓電陶瓷致動器快速切換,為一般電磁閥作動速度的5倍。由於使用壓電陶瓷封裝非機械裝置,因此完全沒有摩擦,能迅速切換噴嘴針。噴油器的開關速度為一般電磁閥的兩倍,能更精確地控制燃料的噴射量,進而減少有害燃燒廢氣的生成,並增加其燃油經濟性,如圖6所示。
   

5. 柴油引擎後端處理裝置
   新型電腦控制柴油引擎在裝設後處理裝置改善前,柴油與機油的選用非常重要,柴油中的硫含量低於0.05﹪的限制與低灰份機油的選用是很重要的減污策略。由於柴油引擎主要排放之廢氣主要成分包括了碳氫化合物、氮氧化合物、PM懸浮粒。在國內三期排放標準之車輛部分已約有50%配置使用氧化觸媒等廢氣排放後處理器元件,可有效改善HC和部分PM的排放,但對NOx及PM中碳成分卻無法有效改善。
   因此新式大型商用柴油引擎在考量效率、背壓、耐溫、耐久、成本等,採用後處理系統的二次減量策略包括四大類型,如圖7所示。
(1).碳氫化合物防制:採用氧化觸媒轉化器,可氧化SOF達80﹪以上。
(2).氮氧化合物防制: 採用廢氣再循環系統(EGR)、SCR觸媒與氮氧化合物吸附器三類。廢氣再循環系統是利用所排放出之廢氣再次導入燃燒室中反應燃燒,藉由降低燃燒時之最高溫度,以達到NOx污染排放減量的效果,應用上需配合增壓器與中間冷卻器來使用,平均可使得氮氧化合物減量可達40%;SCR觸媒是利用尿素(Urea)噴射於排氣尾管中,由於高溫轉化為氨水(NH3 Amonia)與二氧化碳(CO2) ,觸媒內之處理效率可達80-90%;氮氧化合物吸附裝置(NOx Absorber)是利用觸媒於低溫或引擎低負載時捕集氮氧化合物(NOx),再於高溫或引擎高速高負載時將之釋放燃燒,移除氮氧化合物的效率可高達90﹪。
(3).黑煙之防制技術方面:採用黑煙觸媒過濾器,透過反應催化劑來幫助氧化,在溫度350℃時,它仍然能有約75%的粒狀污染物(PM)減量的效果,屬於被動式的觸媒。
(4).PM防制技術方面:採用碳粒捕集器或連續性再生捕集器、連續性再生柴油粒狀污染物過濾器及觸媒柴油粒狀污染物過濾器等三類,在最佳化條件下(燃料含硫量低於50 ppm以下)連續性再生捕集器(CRT)移除粒狀污染物(PM)的效率可高達90﹪。
綜言之,在高壓噴射燃料系統的精密控制下,柴油引擎的噪音震動與排汙都大幅降低。

參、隨車診斷系統之定義與應用
一、OBDⅡ之定義
   為了降低汽車廢氣排放污染,現今的柴油商用車引擎燃料系統改良為共軌柴油噴射系統,並裝設許多廢氣排放控制元件,例如觸媒轉化器、含氧感知器、空氣流量計、曲軸位置感知器等;為及時反應廢氣排放控制元件是否動作正常的裝置,此即為一般俗稱的OBD。此裝置源自於1985年美國加州大氣資源委員會(California Air Resources Board, CARB)所制定法規來要求車輛配置,之後歐盟亦開始制定法律以強制車輛安裝,而台灣於2006年10月起開始實施的柴油車第四期環保排放標準,強制規定所有的汽車必須配備OBD系統,藉以監控車輛污染排放狀況,否則將無法領牌上路,因此該裝置為已成為現今汽車的標準配備。
   參照各國規範隨車診斷系統之定義可歸納為:「透過法規規範硬體架構及通訊協定,運用各種程式在特定的操作模式和駕駛循環過程,執行系統中各項目之監測與自我診斷,當系統架構中有功能及運作條件超過法規標準值時,以標準化的資料儲存、凍結及故障燈顯示與故障碼記錄等方式提醒駕駛人,維修過程可透過溝通介面以特定步驟與儀器進行資料傳輸、強制執行作動與重新設定等動作,以發現、確認及隔離問題點,進而執行相關診斷與維修,並達降低汙染與維持車輛性能正常運作目標的新式車輛診斷系統」稱之為隨車診斷系統(On-Board Diagnostic簡稱OBD),如圖8所示。
   隨車診斷系統衍伸出的主要優點有三:
1.新車技術以隨車診斷系統為基礎,透過加裝再回收、再利用及再處理的裝置降低汙染,以配合法規日益嚴苛的標準。
2.使用中的車輛以隨車診斷系統為架構,配備及時性的警示系統,當其排氣汙染相關的裝置產生故障時能提醒駕駛人。
3.透過故障燈、故障碼、定格資料及記錄故障發生,將故障發生前15秒的相關資料記錄於電腦中,提供維修人員判斷參考可,有效縮短檢診的時間。

二、新舊大型商用柴油車的特性
   相較於第一期與第二期時代的商用大型柴油車,符合第四期與第五期環保的商用柴油車輛,不論在前端的引擎設計或車輛後處理污染控制技術,已達到技術成熟的狀態,但在舊型商用大型柴油車其後處理技術方面仍有待改進,而且加裝後處理裝置後,在廢氣的改善上顯然相當有限,且可能所費不眥,除了需投注頗多的金錢與人力於其上,在技術複雜度方面也更趨困難,其中加裝集煙器一直是一項重要的策略,另一方面積極處理引擎本身燃燒效率或配合燃料添加劑的介入使用,有事可行的策略。但不論加裝觸媒濾煙器或黑煙過濾器的將造成引擎背壓升高、產品本身的耐久性能表現也有待驗證等;換言之,傳統柴油商用車之排放黑煙狀況一直無法順利的達到其理想工作狀態,故而使得其對於柴油車輛的改善效果受到影響,更重要的是改裝後,原廠並不能保證其性能能符合原本功能而不異動。
   以台灣柴油車輛的使用市區行駛環境與停等紅綠燈等習慣而言,目前裝置後處理器系統並不普遍,而有裝置黑煙過濾設備,也因為礙於行駛速度的限制(以台北市而言,公車限速為40 km/hr),及停停走走的使用情況下,排氣溫度過低,以致無法順利達到可使黑煙過濾設備自行燃燒積存在過濾器上的碳微粒,進行自然再生。因此,常常導致引擎排氣背壓(Back Pressure)升高,馬力輸出大受影響,所以駕駛需挹注更多柴油(油門踏板踩得更深),來提昇輸出動力但卻往往適得其反,造成更多的廢氣排放與耗油。
   就性能輸出比較,以大型巴士作性能諸元比較表作為說明,如下表1所示,柴油引擎因為壓縮比較汽油引擎大2~2.5倍,由於馬力(功率)是引擎扭力(功)與轉速(時間)之乘積,換言之,柴油引擎壓縮比愈大則扭力愈大,當扭力大到2~2.5倍時,柴油引擎可以低於汽油引擎轉速2~2.5倍的轉速,即可發揮最大馬力,所以新型柴油引擎一般設定在每分鐘2200~2600轉就可以發揮最大馬力轉速為汽油引擎的二分之一。
   
肆、結論
   應用傳統檢驗方法檢驗新式車輛之盲點,與可行的改進策略分述如下:
國內目前符合1期排放標準的柴油車輛推估約4萬餘台、符合2期排放標準的柴油車輛估約約3萬餘台、符合3期排放標準的柴油車輛估約約4萬餘輛,總計12萬輛。新空氣汙染防治法實施後,顯然要通過現行廢氣檢驗有其困難度,尤以第一二期柴油商用車,由於環保署針對超過應檢驗日半年仍未實施定期檢驗,經通知屆期未改善可處3000元以上6萬元以下罰鍰,若仍未改善者,可註銷牌照,促使民眾更換或安裝有效污染控制系統,改善車輛污染排放情形。因此應補助第一二期柴油商用車進行降污性之引擎保養與維修,並在維修機制上須建立標準流程。
現在新式大型商用車由於採電腦控制,無法透過噴射泵調校方式調整噴射量,引此以往檢驗排氣前先行進行馬力試驗之方式已不符實際科技現況,而且以急加速達每分鐘2200~2600轉知檢測方式,往往會超過引擎所設定之最大馬力轉速,如要進行檢驗有必要建置各廠牌各車型之最大馬力與轉速對照表,依廠家規定進行測試才能避免引擎損壞。
現行柴油商用車採用已都配備OBDⅡ,其監測項目即使是在鑰匙開關打開供應電源後,並進行常態性、合理性與功能性等檢查,在作動TRIP後,並會進行記錄與儲存,對於廢氣控制裝置,不論前端或後端處理裝置,也能進行效率的監測,只要超過標準就會亮燈警示,故其實並不需要進行排氣管之尾氣檢測。柴油排氣不光率因噴射高壓化後,所有碳粒以轉化成奈米級的懸浮粒,除了噴射器本身故障所產生的機械性故障外,新型第四期後之柴油商用車不會有黑煙產生,排氣檢驗方法應配合時代需求,改以電腦診斷讀取凍結格式資料、故障碼與確認故障指示燈是否亮起,來進行廢氣控制機制是否超標,並形成主動式提醒,如能進一步請維修廠進行維修履歷紀錄,則更可以有效管控大型商用車之廢氣排放。



圖2 各型式之電腦控制柴油引擎(BOSCH公司)


 圖3 新舊型噴射開始壓力之控制


圖4 BOSCH UI系統設計


 圖5 日本Denso 之五次噴射Five-time Multiple Injections


圖6 Denso 針對壓電晶體多次噴射與電磁閥式單一噴射噪音之比較


圖7柴油引擎後端處理裝置 引自https://www.bml.edu.in/social/latest-technologies-for-diesel-engine-emission-reduction/


圖8 隨車診斷系統之架構


表1 大型巴士規格比較表

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