109 關務特考三等 輪機工程 柴油機 考古題詳解

核心觀念

本題考查柴油機的增壓方式、配氣控制、燃燒方式，以及燃油經濟性的性能指標。作答時應先寫出各名詞的定義，再補充主要構造或作用；涉及制動比耗油時，須寫出計算式與單位。

解題方法

（一）渦輪增壓機（turbocharger）

渦輪增壓機利用柴油機排氣的能量驅動渦輪，渦輪與壓氣機裝在同一根軸上。渦輪轉動時帶動壓氣機，將較多空氣壓送進汽缸。

進氣量增加後，柴油機可配合供給較多燃油，提升輸出功率；較充足的空氣也有助於燃燒完全、減少黑煙。渦輪增壓機的主要部分為排氣渦輪、壓氣機及轉軸，部分系統另設中間冷卻器，以降低壓縮後空氣的溫度、增加進氣密度。

（二）變動閥門正時（variable valve timing）

變動閥門正時是依引擎轉速、負荷或運轉狀態，調整進氣閥與排氣閥的開啟、關閉時刻，或調整閥門開啟持續時間與升程的技術。

適當調整閥門正時，可改善不同轉速與負荷下的進排氣效率、引擎性能及燃油經濟性。在柴油機中，閥門正時與進氣量、排氣及汽缸內殘留氣體等因素有關，須配合引擎的運轉需求設計。

（三）壓縮點火引擎（compression-ignition engine）

壓縮點火引擎是以壓縮汽缸內空氣，使其溫度與壓力升高，再將燃油噴入高溫、高壓空氣中，使燃油自行著火燃燒的內燃機。柴油機即為典型的壓縮點火引擎。

其主要特徵是燃燒所需的高溫由空氣壓縮形成，正常運轉時不靠火星塞點火；燃油噴射時刻與噴霧品質則會影響著火與燃燒過程。

（四）制動比耗油（brake specific fuel consumption，bsfc）

制動比耗油是引擎在單位時間內消耗的燃油量，除以同一時間的制動功率，表示每單位制動輸出功所需的燃油量：

核心觀念

本題考查船舶推進動力的選用。作答時可從燃油經濟性、推進效率、操作性能、機艙配置及運轉可靠性說明；比較對象以蒸汽機等傳統推進方式為主。

作答要點

1. 熱效率高、燃油消耗較低 柴油機的熱效率較高，單位輸出功率所需燃油較少，有助於降低船舶長時間航行的燃料費用。大型低速柴油機的效率尤其適合長時間、穩定負載的船舶推進。

2. 低速扭矩大，適合帶動船舶螺槳 柴油機在低轉速下仍可提供較大的扭矩。大型低速柴油機可直接驅動螺槳，減少減速齒輪等傳動設備，傳動損失與設備複雜度也隨之降低。

3. 燃油利用與補給較有彈性 船用柴油機可配合使用船用柴油或重質燃油，便於依船舶設備與燃油供應條件安排運轉及補給。

4. 啟動、操縱及負載調整方便 柴油機不需先將鍋爐升壓，啟動程序較簡便；轉速及輸出功率可依航行需求調整，船舶進出港與變速操縱較便利。

5. 機艙配置較簡單，空間利用較佳 柴油推進系統不需配置大型鍋爐及其相關設備，可減少機艙設備與管路，利於船舶空間及重量配置。

6. 運轉可靠，維護與管理較直接 柴油機的推進系統組成相對集中，便於操作、保養及故障管理；在適當維護下，可長時間穩定運轉。

解題技巧

以「省油、低速大扭矩、好操縱、設備較簡、運轉可靠」作為記憶主軸。作答時每一點都補上對船舶推進的實際好處，例如降低燃料費、適合直接驅動螺槳或方便港內操縱，內容會比只列優點名稱完整。

第二題（二）橫流掃氣過程

核心觀念

橫流掃氣（cross scavenging）常見於二行程柴油機。掃氣口與排氣口設在汽缸套相對兩側；活塞接近下死點時，掃氣口和排氣口先後開啟。

核心觀念

本題考查船舶柴油機排氣污染控制的兩種主要技術，以及各自針對的污染物、反應原理與設備配置：

• 選擇觸媒還原（SCR）：主要降低氮氧化物（NOx）。
• 硫氧化物洗滌器（SOx scrubber）：主要降低硫氧化物（SOx），尤其是燃燒含硫燃油所產生的二氧化硫（SO₂）。

兩者控制的污染物不同，不能互相取代。依《MARPOL 73/78 公約》附則 VI 的精神，船舶可透過符合規定的排氣後處理設備，控制 NOx 或 SOx 排放。本題涉及法規背景時，以命題當年（民國 109 年）法規為準。

解題方法

按「目標污染物 → 處理原理 → 系統流程與控制 → 優缺點及操作注意事項」說明，即可完整呈現兩種技術的選擇與運作方式。

（一）選擇觸媒還原（SCR）

1. 目標污染物與核心原理

SCR 用於降低柴油機排氣中的 NOx。系統將還原劑噴入排氣，並使混合氣體流經觸媒；在適當溫度下，還原劑與 NOx 反應，主要生成氮氣與水蒸氣。

船舶常用尿素水溶液作為還原劑。尿素受熱分解後形成氨，氨再與 NOx 反應。以氨為還原劑時，代表性反應式為：

尿素可先分解為氨與二氧化碳：

2. 系統流程與控制

SCR 系統通常包括還原劑儲存與供給設備、噴射器、混合段、觸媒反應器，以及排氣溫度與 NOx 控制設備。運作時，系統依引擎負荷及排氣狀況調整還原劑噴射量，使還原劑與排氣充分混合後通過觸媒。

反應效率受排氣溫度、混合均勻度、觸媒狀態與還原劑供給量影響。溫度過低時反應效率下降；還原劑過量則可能造成氨逸散（ammonia slip），不足則會使 NOx 去除率降低。

3. 特點與注意事項

SCR 可有效降低 NOx，適合柴油機排氣後處理；但需要額外的還原劑供應、觸媒與控制設備，並須維護觸媒、噴射器及管路。設計與操作時須確保排氣溫度落在觸媒有效工作範圍，並避免觸媒受污染或還原劑噴射不當。

（二）硫氧化物洗滌器（SOx scrubber）

核心觀念

本題考查四衝程柴油引擎的制動功率、制動平均有效壓力（bmep）與制動熱效率。四衝程引擎每一氣缸每兩轉完成一個工作循環，因此每分鐘的作功循環數為轉速的一半。

制動功率由扭矩與角速度求得；bmep 是以每循環的制動功除以每氣缸排氣容積；制動熱效率則是制動功率與燃料輸入熱功率之比。

解題方法

已知轉速 $N=300\,\mathrm{rpm}$、制動扭矩 $\tau=13{,}700\,\mathrm{N\cdot m}$，角速度為：

（一）制動功率 $\dot{W}_b$

（二）制動平均有效壓力 bmep

四衝程引擎每氣缸每兩轉作功一次，所以每氣缸每秒的工作循環數為：

每氣缸每循環的制動功為：

bmep 定義為每循環制動功除以每氣缸排氣容積，因此：

核心觀念

空氣標準雙循環由五個過程組成：等熵壓縮、定容加熱、定壓加熱、等熵膨脹、定容放熱。壓縮比定義為 $r=V_1/V_2$；截止比定義為 $\beta=V_4/V_3$。

等熵過程使用理想氣體關係式：

定容過程有 $P/T=\text{定值}$；定壓過程有 $V/T=\text{定值}$。

解題方法與過程圖

令 $V_2=1$ 作為比容座標的基準，題目要求的橫座標為 $V/V_2$。由 $r=V_1/V_2=14$，可得 $V_1/V_2=14$。各狀態的座標如下：

循環圖為示意圖，非按比例繪製；表列座標可用來核對各狀態位置。

 p/p₁
 ↑
 89.29 │ 3 ───── 4
 │ ↑ ╲
 34.34 │ 2 ╲
 │ ╲ ╲
 3.70 │ ╲ 5
 │ ╲ │
 1.00 │ ╲────────1
 └──────────────────────→ V/V₂
 1 1.3 14

各過程為：

• $1\to2$：等熵壓縮。
• $2\to3$：定容加熱。
• $3\to4$：定壓加熱。
• $4\to5$：等熵膨脹。
• $5\to1$：定容放熱。

其中，狀態 2 到 3 體積不變，所以圖上為垂直線；狀態 3 到 4 壓力不變，所以圖上為水平線。