十五廠發電機運轉黑煙減量改善

前言

台積電中科廠所設置的發電機皆為KOHLER 2000REOZM 型號，引擎規格Mitsubishi S16R-Y1PTAA2-1，其引擎規格都符合空污排放標準，但是啟動運轉過程仍不免造成居民感到不安。

柴油引擎發電機所排放汙染物主要可分為粒狀汙染物(PM)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)；針對其不同的汙染物特性各有改善方式與因應對策，長期根治辦法以裝置黑煙過濾器為主要解決問題根源，但在安裝黑煙淨化器前這段空窗期，如何讓發電機黑煙排放減量，並做好敦親睦鄰與良好綠色企業形象，將是我們現階段努力的目標。

尋找改善機會點

在不違反機組運轉與緊急供電的條件下，對於發電機黑煙減量改善，我們努力思考著許多方案如 表一，並試著尋找黑煙的組成及可能發生的原因，進行深入的探討，研究期間亦偕同機組國內技師與國外原廠技師來回討論，最後獲得國內、外技師技術上同意開始進行改善。

首先透過四行程柴油引擎的各曲軸轉角對應關係，如 圖一，尋找著機會，並細部分解：進氣、壓縮、動力、排氣四個行程(如 圖二～圖五)，了解柴油機組運作情況。

圖一、各行程與曲軸轉角的關係^[1]

圖二、進氣行程^[1]

圖三、壓縮行程^[1]

圖四、動力行程^[1]

圖五、排氣行程^[1]

接著我們了解柴油引擎的燃燒系統設計，可分成間接噴射與直接噴射兩類，直接噴射引擎具有較低的燃油消耗率，但噪音大，且NOx與PM的汙染較高，通常用於重型柴油引擎，而間接噴射引擎則以輕型柴油車為主。由於間接噴射與直接噴射引擎的燃燒方式不同，影響其汙染排放的因素也不一樣，但都須面對如何同時降低NOx與PM排放的問題。NOx與PM的排放間有相互消長的關係，即改善了NOx很可能會造成PM的劣化，反之亦然，這與柴油引擎燃燒特性有關。

柴油引擎的燃燒可分為三個階段，如 圖六所示。燃料噴進氣缸後並不會馬上開始燃燒，由高壓噴嘴噴出的液態燃料顆粒需要揮發成氣態，與空氣混合，形成空燃比適當的混合氣，達到自然的溫度與壓力，才會開始燃燒。

圖六、柴油引擎的燃燒階段^[2]

自開始噴油到開始燃燒的階段稱為點火延遲(Ignition Delay)。而開始燃燒後，再點火延遲階段噴入的燃料因已與空氣混合良好，會迅速燒完，此階段稱為預混燃燒(Premixed combustion phase)。在燃料瞬間燃燒，氣缸內會有相當大的溫度與壓力變化，也會在氣缸內形成高溫區。此時噴油嘴仍持續噴油，這個時間所噴進氣缸的燃料會形成擴散火焰，此階段稱為擴散燃燒(Mixing-controlled combustion phase)，最後一直到所有燃料皆燃燒完畢，此稱為最後燃燒階段(Late combustion phase) 。

柴油引擎NOx形成主要是燃燒溫度太高所致，其主要發生點在預混燃燒的階段。而PM的形成是燃燒不完全所致，主要是發生在擴散燃燒的階段。若降低點火延遲，使預混燃燒階段的燃料量減少，可改善NOx，但擴散燃燒階段的燃料量就會增加，使PM增加。^[3]

擬定對策與攻堅

根據柴油引擎四行程的工作原理，以及柴油燃燒之汙染的相對應關係，我們決定開始進行下列三項改善。

噴油正時調整

噴油正時會影響油滴噴在燃燒室內的位置與角度，也會影響點火延遲時間。噴油正時的影響對於直噴式引擎比間接噴射引擎較顯著。噴油正時提早會使燃燒最高壓力較早發生，燃燒溫度增加，同時拉長點火延遲，此預混燃燒階段的燃料量增加，故NOx會增加，但HC則因燃燒良好而減少。延後噴油正時雖然可以降低NOx，但因燃燒最高壓力發的時間延後，活塞做功量減少，耗油率增加。此外延後噴油正時會減少ＰＭ的氧化，並使黑煙增加。由於汙染產生的機制十分複雜，最好能依據引擎的轉速與負載來調整噴油正時，就像汽油引擎的點火控制一樣，可同時減少NOx與PM排放。為此我們調整了機組噴油正時，將噴油時間提前1度(原廠設定28度，並允許±1度)，讓引擎在上死點前29度時點火燃燒，如 圖七所示，增加燃油在汽缸燃燒1度的時間，藉此讓運轉時的燃燒更完全，有助於減少粒狀物及低負載之HC排放。

圖七、柴油引擎剖面圖^[4]

緩啟動安裝與油門啟動攀升補償設定

搭配發電機緩啟動的安裝以及油門啟動攀升補償設定，當機組由啟動電瓶啟動轉速達280rpm後，引擎開始噴油燃燒，可藉由緩啟動安裝控制啟動轉速由急速拉升變至和緩上升，搭配油門開度調整如 圖八所示，轉速與油門開度亦會跟著改變，由 圖九緩啟動與油門開度圖中，可以看出原廠轉速設定使油門作動有較急劇的增減變化，造成啟動時會有較多的煙量產生，搭配緩啟動控制和緩油門開度以降低引擎急加速而產生的不完全燃燒現象，降低啟動時黑煙的排放。

圖八、引擎油門開度(0~80 度)

圖九、緩啟動與油門開度示意圖

電瓶線徑放大

裝置緩啟動器使引擎由0rpm到達1800rpm時間延長，嘗試將啟動電瓶線的線徑由60mm²放大至100mm²，減少啟動馬達啟動瞬間壓降，加速引擎啟動盤俥至觸發油門作動轉數(0~280rpm)的時間，線徑放大後電瓶壓降趨勢如 圖十所示，線徑的放大確實可以補償緩啟動所造成到達額定轉速(1800rpm)的延遲時間。

圖十、電瓶壓降曲線圖

結果與結論

經過多次的啟動保養測試以及校準，我們發現黑煙依舊會存在，但相較於未改善前，啟動時黑煙的不透光率有顯著的改善，如 圖十一所示，實際量測最高黑煙不透光率已由61.96%降至30.85%，且不透光率大於10%的持續時間也由10秒減至3秒，從測試數據結果得知黑煙減量改善成效相當顯著。

圖十一、改善前/ 後，不透光率量測結果

隨著台積電不斷的擴廠，我們期待本次的黑煙減量改善經驗，可以應用於未來新廠發電機的建置標準，並將此技術納入規範；對於既有廠區之發電機組，我們也希望藉由本次改善的經驗，推廣至各廠區並進行改善，更進一步提昇台積捍衛環保的決心，為企業與社會環保盡一份心力。