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2011 年 10 月 23 日 / ctkuo

汽車與生質燃料(三) – 什麼車可以加生質柴油?

BMW 530D,柴油車款

作者:歐陽孚 / 編輯:郭致廷、楊卓儒

本系列前兩篇文章介紹了汽油與酒精汽油(E10、E85) ,以及可以使用這些汽油的車輛─彈性燃料車(FFV) 。這篇文章,我們將介紹「柴油車」以及相對應的替代燃料「生質柴油」。

無論是一般的汽油車或是FFV,用的引擎都可以被歸類為奧圖式引擎(Otto engine),在內燃機(也就是「引擎」)的發展歷史中,德國人奧圖首先引進「四行程概念」:進氣→壓縮→爆炸(也稱「動力」)→排氣,奠定了現代內燃機的基礎。這種引擎的點火方式是「火花點火」(spark ignition),也就是需要利用火星塞在燃燒室內引發火花,藉此引發油氣爆炸。由於「奧圖引擎」(四行程、火花點火)常見於使用汽油的動力機具,因此也常被稱為「汽油引擎」,但嚴格來說很多衍生的汽油引擎並非奧圖式,例如:二行程引擎就不在此類,因此建議不要混用這兩種名稱。

但由於當時的點火技術並不理想,因此另一位德國工程師狄賽爾(Diesel)便朝向壓縮點火(compression ignition)發展,藉由氣體被壓縮所引發的高溫導致油氣自燃,這種引擎形成了今日引擎的另一種主流。狄賽爾引擎因為需要與汽油(gasoline)不同的燃料[註1],而且某一種特性的石化燃料特別適合,大家就乾脆以狄賽爾命名這種燃料,叫它做「diesel」,由於翻譯成中文是柴油,因此在中文世界裡我們常見的名稱是「柴油引擎」而非狄賽爾引擎。

柴油引擎與奧圖引擎的差異

除了點火方式與燃料不同外,這兩種引擎還有許多差異。早期的柴油車具有高汙染、高噪音,並不適合做為一般乘用車使用,這也是台灣在2004年加入WTO之前曾禁止柴油乘用車長達20餘年的原因,然而隨著技術進步,目前柴油車已完全改頭換面。就效率而言,柴油引擎比奧圖引擎高出30%~35%,油耗明顯較佳;耐用度方面,由於柴油引擎必須應付更大的壓力,因此必須比奧圖引擎更為堅固,再加上不需要油氣混合系統與點火系統,因此故障機率較低;應用層面,由於它具備高扭力,因此適合重酬載機具例如:公車、大貨車、農耕機,甚至是火車等等。

然而,也是因為柴油引擎必須造得更為堅固,同時為了要符合道路車輛的廢氣排放標準,必須要搭配其它技術,使得柴油引擎車輛的單價一般而言較奧圖引擎車輛來得高。此外柴油車的扭力雖大,但馬力較小,也是一個天生的缺陷。雖然如此,馬力缺陷在一般行駛條件下並不會太顯著,另外考量油耗較低的因素,長期計算下來(10萬公里以上甚至更高),柴油車的花費不會高太多,當然對於里程數低於十萬公里就打算換車的車主而言,自然就另當別論了。

一言以蔽之:柴油車省油、環保、耐用,但是比較貴。以福斯汽車(VW)在台灣販售的Golf車款售價為例:同樣是2011年排氣量1.6升的基本款,柴油版本(1.6 TDI TL)要新台幣102.8萬,汽油版本(1.6 TL)則是92.8萬 。目前柴油車輛在歐洲普及率最高,約有50%,其中德國更是高達70%。美國目前小於10%,但緩慢成長中。台灣近年來加入WTO後柴油車銷售逆勢成長,逐漸被消費者接受。

2011 VW Golf 1.6L TDI

什麼車可以加生質柴油?

現在讓我們回頭看這篇文章的題目:「什麼車可以加生質柴油?」理論上,任何柴油引擎都可以添加從B1到B100間各種比例的生質柴油。道理很簡單,因為「生質柴油」本來就是柴油,性質與一般的石化柴油非常接近,不像酒精與汽油的差距那麼大。然而實務操作上並非如此,一般常見的混合比例僅有B2、B5或B20,許多車商並不建議添加B5以上的生質柴油。

最大的原因是生質柴油的低溫表現不佳。柴油性能的一項重要指標是「冷濾點(cold filter plugging point, CFPP) 」溫度。當柴油的溫度低於一個稱為雲點(cloud point)的特定溫度時,會開始形成蠟狀晶體使液體不再清澄透明,此時車輛還能夠發動,但如果溫度再進一步下降,最後就會堵住濾網,使得車輛無法發動,此時的溫度就是CFPP。油品在低溫時的表現不佳除了會堵住汽車濾網外,也可以堵住油箱,或是車輛以外的儲油設備。在台灣這種亞熱帶國家此問題並不常見,然而在美國北方入冬之後這樣的問題就非常麻煩,常常需要清理油車輛內的油路甚至是換掉濾網,這也是最常見關於生質柴油的抱怨。這個問題並非無解,添加抗凍劑便可改善這個問題,但缺點是有額外的開銷。有些車輛裝備額外的獨立供油管路與油箱,專門在車輛啟動時供應混有抗凍劑的油品。此外,實務上有些開長途的司機,會在白天連續行駛時添加生質柴油,但當日最後一次加油則添加一般柴油,這樣油路內的生質柴油比例就會極低,即便車輛在冬天經過一夜的休息,隔天開車也不會有無法發動的問題。

另一個問題是每單位的生質柴油的能量成分較低,B100大約比一般柴油少10%、B20大約少2%,也就是同樣體積的油,生質柴油能跑的距離比較短;另外,生質柴油的車輛在高酬載或是爬坡時也會顯得比較吃力。但在5%的混合比例時這些問題並不顯著,在一般道路行駛時駕駛幾乎不會感到任何不同。更多關於生質柴油的資訊,可以參考我們之前寫的專文


2008 Audi R10,這台添加生質柴油的賽車贏得了當年的24 Hours of Le Mans(利曼大賽) (圖片來源)

雖然有上述兩個比較顯著的缺點,還是有越來越多人選擇生質柴油。一個原因是它可以減少硫化物排放。以美國為例 ,2006年起新的規範大幅降低油品內的硫含量,這會降低油品的潤滑能力,但如果混和少量生質柴油則可以大幅改善這個現象,這是B2或B5越來越收到歡迎的重要因素。除了硫化物以外,生質柴油的二氧化碳排放也較一般柴油減少了78%,事實上,除了NOX的排放較高外,生質柴油所有汙染物的排放都比一般柴油來得理想許多。台灣自2010年起已經對所有加油站販售的柴油強制添加2%的生質柴油,也就是說目前全台灣所有的柴油車都是以B2為燃料。

小結

柴油車的市場大概可以切割成兩塊來看,一部分是大型車輛,一部分是小型乘用車輛。大型車輛的柴油車總數,與汽油車相比其變化應該是比較緩慢的,因為大型車本來就適合使用柴油。在這個市場推廣生質柴油應該比較容易,但考量進大型車是以重酬載為出發,使用B100所造成的馬力與扭力下降,短期內可能難以從技術上彌補,因此,B20是一個比較合理的目標。但在小型乘用車的市場,則可以預期柴油車總數會持續增加,因為隨著油價升高與越趨嚴格的廢氣排放標準,會使柴油車的優勢逐漸增加。隨著柴油車市佔率的增加,可將效能沒有顯著下降的B5生質柴油當作推廣目標,讓消費者逐步接納後,再推廣更高比例。下一篇文章將介紹我個人非常欣賞的技術:油電混合車。將複合動力與生質柴油或生質酒精結合,是更為節能與永續的做法,敬請期待。

註釋:

[註1]:汽油與柴油的主要成分都是碳氫化合物,嚴格說來是「以碳氫化合物為主的混合物」。一般而言,汽油內化合物的碳鏈長度大約在6到12左右,可記作C6~C12;柴油則是C12~C24左右,但這個範圍只是個粗糙的概念,實際上同是汽油或柴油的不同油品其成分可能會有顯著差異,不同文獻提供的範圍也不完全相同。我個人的記憶方法是把汽油記成C9、柴油記成C18。

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汽車與生質燃料(三)什麼車可以加生質柴油?
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生質能源概論(七) 生質柴油
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