110 一般警察特考四等 水上警察人員輪機組 輪機工程概要(包括推進裝置、輔機與輪機英文) 考古題詳解

核心觀念

本題考查空氣標準柴油循環與空氣標準汽油循環（奧圖循環）的 $P$-$V$ 圖，以及兩者的理想化熱加入過程。

兩循環都包含四個過程：等熵壓縮、熱加入、等熵膨脹、熱排出。空氣標準循環將工質視為空氣，並以理想化的熱加入與熱排出取代實際燃燒及排氣過程。圖中 $V_2<V_1$；柴油循環另以 $V_3$ 表示等壓熱加入結束時的汽缸體積。

解題方法與循環圖

一、空氣標準柴油循環

 P
 ↑
 │ 2 ─────────→ 3
 │ ╲ 2→3 等壓熱加入
 │ ╲ ╲
 │ ╲ ╲ 3→4 等熵膨脹
 │ ╲ ↘
 │ ╲ 4
 │ ╲ │
 │ ╲ ↓ 4→1 定容熱排出
 │ ╲ 1
 │ ↖
 │ 1→2 等熵壓縮
 └────────────────────────→ V

柴油循環各過程依序為：

1. $1\to2$：等熵壓縮，活塞壓縮空氣，體積減少、壓力上升。
2. $2\to3$：等壓熱加入，理想化為定壓燃燒，體積增加。
3. $3\to4$：等熵膨脹，高溫高壓氣體膨脹作功，體積增加、壓力下降。
4. $4\to1$：定容熱排出，體積不變，壓力下降。

二、空氣標準汽油循環（奧圖循環）

核心觀念

本題考螺旋槳空蝕（cavitation）的形成機制，以及空蝕對槳葉和船舶推進性能的影響。

螺旋槳旋轉時，槳葉兩側的壓力不同；吸力面（通常為槳葉背面）局部壓力較低。當局部壓力降到該水溫下的水蒸氣壓以下，水便汽化形成氣泡。氣泡隨水流進入較高壓區後迅速凝結、潰滅，這種反覆形成與潰滅的現象即為空蝕。

解題方法

作答可依「低壓汽化、氣泡潰滅、造成損害」的因果順序說明：

1. 空蝕的原因：槳葉高速旋轉，使吸力面局部壓力降低；若壓力低於水的蒸氣壓，水就形成蒸氣泡。槳葉負荷過大、轉速過高、槳葉形狀或表面狀況不佳、船尾伴流不均等因素，都可能加劇局部低壓與空蝕。
2. 空蝕的害處：蒸氣泡進入高壓區後潰滅，產生局部衝擊與高速微射流，反覆作用於槳葉表面，並影響推進性能及船體振動。

空蝕所引起的害處

核心觀念

本題在考船舶空氣壓縮機系統中，如何以控制裝置維持供氣壓力與機器運轉，並以保護裝置在異常時停止或隔離設備。作答可依「正常運轉控制」及「異常保護」兩類整理，並說明各裝置的作用。

空氣壓縮機通常將空氣壓入主空氣瓶，供主機起動及其他用氣設備使用。系統藉壓力開關或卸載裝置控制壓縮機的起停或負荷；當壓力、溫度、潤滑或冷卻狀況異常時，保護裝置則發出警報、使機器卸載或停機。

解題方法

先按功能分類，再逐項交代「感測或觸發條件」與「動作結果」：

1. 控制裝置：維持空氣瓶壓力、調節壓縮機負荷，或讓設備按預定程序運轉。
2. 保護裝置：針對超壓、超溫、潤滑不良、冷卻失效及液體倒流等危害，採取警報、卸載、停機或洩壓措施。

船型、壓縮機型式及自動化程度會使配置有所差異；以下列出船舶空氣壓縮機系統常見裝置與功能。

控制裝置

1. 壓力開關與自動起停控制

壓力開關感測主空氣瓶壓力，並依設定的起動壓力與停止壓力控制電動機：

• 空氣瓶壓力降至下限時，自動起動壓縮機。
• 壓力升至上限時，自動停止壓縮機。

上、下限間的差值稱為壓力差或回差，可避免壓力在設定點附近波動時，造成馬達頻繁起停。

2. 卸載器

卸載器在壓縮機起動、停機或空氣瓶壓力達到設定值時，使壓縮機氣缸不再有效壓縮，降低起動負荷並避免持續向滿壓空氣瓶送氣。常見方式包括抬起吸氣閥、保持吸氣閥開啟，或以其他機構使氣缸卸載。

卸載器屬於容量控制或起動輔助裝置；在壓縮機仍運轉而停止供氣時，馬達不必承受全負荷壓縮。

3. 起動與停止控制裝置

包括起動器、接觸器及相關控制迴路，負責接通或切斷電動機電源，並配合壓力開關、卸載器及必要的聯鎖裝置，依操作或自動控制指令起停壓縮機。

4. 負荷／容量控制裝置

部分系統依空氣需求調整壓縮機的有效輸氣量，例如分級卸載或調節氣缸負荷，使輸氣量與用氣需求相配，減少不必要的連續滿載運轉。其目的在於調節供氣，不取代超壓等安全保護裝置。

5. 排水與排污控制

中間冷卻器、後冷卻器及空氣瓶低點所設的排水閥，可定期或自動排除冷凝水與油水混合物，維持空氣品質並減少腐蝕。自動排水器依時間或液位等方式動作，屬於系統操作控制的一環。

保護裝置

1. 各級安全閥

核心觀念

本題考交流同步發電機投入匯流排前的同步條件。併聯時，待併發電機的端電壓須與匯流排電壓相匹配，避免合閘瞬間產生過大的衝擊電流與電磁轉矩。

同步條件包括：

1. 電壓大小相等：發電機端電壓 $V_G$ 與匯流排電壓 $V_B$ 相等。
2. 頻率相同：發電機頻率 $f_G$ 與匯流排頻率 $f_B$ 相同。
3. 相序相同：三相相序一致，例如均為 $A$、$B$、$C$ 相序。
4. 相位一致：合閘瞬間，發電機與匯流排的對應相電壓相位角相同；也就是相位差 $\delta=0$。

解題方法

題目特別限定「有關『電』的部分」，因此回答待併發電機與匯流排之間的電氣同步條件即可，不需討論原動機的機械狀態。

可用下式概括合閘條件：

核心觀念

本題考查輪機工程常用中文名詞的英文對譯。作答時應掌握機械、柴油機及船舶輪機領域的慣用術語；其中「污水」須依船舶設備語境譯為 bilge water，而非一般生活污水。

解題方法

逐項辨認名詞所屬的輪機設備或工程概念，採用輪機英文的標準用語：

1. 溫度：temperature
2. 壓力：pressure
3. 馬力：horsepower
4. 凸輪：cam
5. 軸承：bearing
6. 黏度：viscosity
7. 活塞：piston
8. 氣缸：cylinder
9. 污水：bilge water