水乳化柴油（WiDE）：無需改裝引擎實現柴油機NOx與PM雙重減排的技術
科技產業資訊室(iKnow) - 廖雅韻 發表於 2025年11月28日
圖、水乳化柴油（WiDE）：無需改裝引擎實現柴油機NOx與PM雙重減排的技術
在全球推動能源轉型與改善空氣品質的趨勢下，柴油引擎雖受到電動化與氫能技術的挑戰，但在高負載運輸、海運、工程機械與備援電力系統等領域依然無可取代。然而，柴油燃燒過程會排放氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）、一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）與二氧化硫（SO₂）等污染物，使改善燃燒效率、降低排放成為當前能源與環境領域的重要課題。在眾多技術方案中，水乳化柴油（Water-in-Diesel Emulsion, WiDE）因具有成本低、改裝需求低、可直接套用於現有柴油引擎等特性，逐漸成為具發展潛力的減排策略。
傳統柴油減排技術雖然成熟，但仍各有其限制。如：廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation, EGR）能透過降低燃燒溫度有效抑制NOx，但會增加CO、HC與煙塵排放；柴油氧化催化劑（Diesel Oxidation Catalysts, DOCs）只能有效減少 CO 和 HC，但對 NOx 與 PM 的改善有限；柴油顆粒過濾器（Diesel Particulate Filters, DPFs）可去除90%以上的PM，卻有高成本、需定期再生及可能增加背壓與NO₂的問題。生質柴油（Biodiesel）雖雖能改善部分污染物，但常面臨NOx上升、黏度高與冷流性不佳等限制。因此，目前仍缺乏能以低成本、低改動方式，同時有效降低NOx與PM的技術。
WiDE的核心優勢在於「無需改裝引擎即可直接使用」。此技術透過界面活性劑，將微小水滴均勻分散於柴油中形成穩定乳液，並在燃燒過程中依靠兩項關鍵機制達成減排效果。首先是微爆炸效應（Micro-explosion），水滴在高溫下瞬間汽化並造成二次霧化，使燃料與空氣混合更均勻，進而降低 PM 與黑煙排放。其次為熱沉效應（Heat Sink Effect），水蒸發吸熱，使燃燒峰值溫度下降，從源頭抑制NOx生成。相關研究指出，在最佳乳化比例下，WiDE可使NOx減少約67%、PM少約 68%，展現雙污染物同步削減的顯著成效，相關成果已發表於《Carbon Research》期刊。
然而，乳化穩定性是WiDE商業化的最大挑戰。一旦發生油水分離，將導致供油不穩與燃燒異常，因此界面活性劑（Surfactants）至關重要。其作用在於降低界面張力，使水滴能穩定分散並避免聚結。對水乳化而言，適合的親水親油平衡值（Hydrophilic-Lipophilic Balance, HLB）多介於4–8。研究也指出，使用如Tween 80與Span 80的混合界面活性劑能有效提升穩定性，讓WiDE最長可維持約60天不分層，有利於儲存與運輸需求。
在引擎性能方面，WiDE也展現一定潛力。多數研究顯示，由於燃燒較為完整，其制動熱效率（Brake Thermal Efficiency, BTE）可提升，部分配方甚至提高約5.9%。熱釋率（Heat Release Rate, HRR）也因微爆炸造成較長點火延遲而出現更高峰值。然而，燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption, BSFC）受水不具熱值與燃燒效率改善兩種效應影響，結果呈現分歧。缸內壓力（In-Cylinder Pressure, ICP）會隨水含量、負載與操作條件不同而變化，難以得出一致趨勢。至於CO與HC排放，同樣因溫度降低與燃燒完全度互相牽動而結果不一，但部分研究仍觀察到HC可下降逾 17%。
WiDE利用水作為燃燒改質介質，可在引擎內部同時降低NOx PM，展現從源頭改善柴油排放的潛力。然而，其商業化實施仍需克服乳化穩定性、材料相容性及成本控制等工程挑戰。同時，由於WiDE在部分條件下可能增加CO與HC排放，因此需與後處理技術如DOCs密切整合，才能達到最佳排放表現。
整體而言，WiDE具備低干擾、高減排、易導入等特性，是柴油引擎邁向低排放的重要過渡技術。它並非電動或氫能的競爭者，而是在現階段仍大量依賴柴油設備的情況下，提供一條務實且高可行性的減排路徑。隨著乳化配方、燃燒機構與材料整合研究持續成熟，WiDE 有望成為提升柴油潔淨度的重要技術，並為全球能源轉型提供更靈活、更多元的減排選擇。（1324字；圖1）
參考資料：
Scientists Discover Simple Diesel Hack That Dramatically Cuts Pollution and Improves Efficiency. SciTechDaily, 2025/11/25
Advancements in diesel emission reduction strategies: a focus on water-in-diesel emulsion technology. Springer Nature Link, 2025/5/28
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