115 一般警察特考四等 水上警察人員類別輪機組 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

四衝程柴油機完成一個工作循環，活塞必須完成四個行程：

1. 進氣行程（Intake stroke）
2. 壓縮行程（Compression stroke）
3. 膨脹作功行程（Power／Expansion stroke）
4. 排氣行程（Exhaust stroke）

每一行程活塞移動一次，即曲軸旋轉 $180^\circ$；完整循環共：

$$4 \times 180^\circ=720^\circ$$

因此，四衝程柴油機完成一個循環時，曲軸旋轉兩圈。

名詞定義如下：

• 上死點（Top Dead Center, TDC）：活塞最接近汽缸蓋的位置。
• 下死點（Bottom Dead Center, BDC）：活塞最遠離汽缸蓋的位置。
• 進氣閥（Inlet valve）：控制新鮮空氣進入汽缸。
• 排氣閥（Exhaust valve）：控制燃燒後廢氣排出汽缸。
• 噴油器（Fuel injector）：柴油機在壓縮行程末期，將燃油噴入高溫高壓空氣中。

柴油機與汽油機的主要差異，是柴油機進氣行程吸入空氣，燃油在壓縮行程末期才由噴油器噴入，靠壓縮空氣的高溫自行著火。

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解題方法

繪圖時以「活塞運動方向」及「氣閥開閉狀態」為主軸，依照曲軸轉角 $0^\circ$ 至 $720^\circ$ 排列四個行程。

理想四衝程循環的氣閥規則為：

• 進氣：進氣閥開、排氣閥關
• 壓縮：進氣閥關、排氣閥關
• 作功：進氣閥關、排氣閥關
• 排氣：進氣閥關、排氣閥開

四個行程示意圖

圖中汽缸蓋位於上方，活塞上下移動；曲軸與連桿位於下方。

一、進氣行程　曲軸轉角 0°～180°
 
 汽缸蓋
 進氣閥開 排氣閥關
 ↓ ×
 ┌─────────┐
 │ │
 │ 活塞 │
 └────┬────┘
 │ 連桿
 │
 曲軸
 ↻ 180°

活塞：TDC → BDC，向下移動
作用：吸入新鮮空氣

二、壓縮行程　曲軸轉角 180°～360°

 汽缸蓋
 進氣閥關 排氣閥關
 × ×
 ┌─────────┐
 │ 活塞 │
 │ │
 └────┬────┘
 │ 連桿
 │
 曲軸
 ↻ 180°

活塞：BDC → TDC，向上移動
作用：壓縮汽缸內空氣
結果：空氣溫度與壓力升高

三、膨脹作功行程　曲軸轉角 360°～540°

 汽缸蓋
 進氣閥關 排氣閥關
 × ×
 ┌─────────┐
 │ 燃燒 │
 │ 活塞 │
 └────┬────┘
 │ 連桿
 │
 曲軸
 ↻ 180°

活塞：TDC → BDC，向下移動
作用：燃油燃燒產生高壓燃氣，推動活塞向下
結果：活塞經連桿帶動曲軸旋轉，輸出機械功

四、排氣行程　曲軸轉角 540°～720°

 汽缸蓋
 進氣閥關 排氣閥開
 × ↑
 ┌─────────┐
 │ │
 │ │
 └────┬────┘
 │ 連桿
 │
 曲軸
 ↻ 180°

活塞：BDC → TDC，向上移動
作用：將燃燒後廢氣推出汽缸

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四衝程動作總表

行程	曲軸轉角	活塞位置與運動	進氣閥	排氣閥	汽缸內主要作用
進氣	$0^\circ\sim180^\circ$	TDC → BDC，向下	開	關	吸入空氣
壓縮	$180^\circ\sim360^\circ$	BDC → TDC，向上	關	關	壓縮空氣、提高溫度與壓力
膨脹作功	$360^\circ\sim540^\circ$	TDC → BDC，向下	關	關	燃燒氣體膨脹並推動活塞

核心觀念

本題考查三相交流感應電動機的轉矩—轉速特性，以及起動、加速、滿載、超載時電磁轉矩與負載轉矩的平衡關係。

感應電動機的基本公式如下：

同步轉速：

$$N_s=\frac{120f}{P}$$

其中：

• $N_s$：同步轉速，單位為 rpm
• $f$：電源頻率，單位為 Hz
• $P$：電動機極數

轉差率：

$$s=\frac{N_s-N}{N_s}$$

因此：

$$N=(1-s)N_s$$

其中 $N$ 為轉子實際轉速。感應電動機必須存在轉差，才能在轉子中感應電流並產生轉矩。

在忽略部分等效電路細節的近似下，電磁轉矩可表示為：

$$T\propto \frac{sR_2'}{R_2'^2+(sX_2')^2}$$

較完整的轉矩公式為：

$$T= \frac{3V_{\mathrm{th}}^2(R_2'/s)} {\omega_s\left[(R_{\mathrm{th}}+R_2'/s)^2+ (X_{\mathrm{th}}+X_2')^2\right]}$$

其中 $R_2'$、$X_2'$ 分別為折算至定子側的轉子電阻與電抗。

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轉矩與轉速特性曲線

典型感應電動機的轉矩—轉速曲線如下：

轉矩 T
 ↑
 │ ● 最大轉矩 Tmax
 │ ／ ＼
 │ ／ ＼
 │ ／ ＼
 │ ／ ＼
 │ ● 起動轉矩 Tst ＼
 │ ／ ＼
 │ ／ ＼
 │ ／ ＼
 └────────────────────────────────────────→ 轉速 N
 0 加速區 滿載區 Ns
 N=0 T→0

曲線可分為三個重要區域：

1. 起動點

起動時轉子尚未轉動：

$$N=0,\qquad s=1$$

此時電動機產生起動轉矩 $T_{\mathrm{st}}$。起動轉矩大小取決於電源電壓、轉子電阻及漏抗。

起動轉矩不可只看電動機本身，還須比較負載所需的起動轉矩。起動條件為：

$$T_{\mathrm{st}}>T_L$$

其中 $T_L$ 為負載轉矩。若起動轉矩小於負載轉矩，馬達無法順利起動。

2. 最大轉矩，即失速轉矩或崩潰轉矩

隨著轉速上升，轉差率下降，轉矩先增加至最大值 $T_{\max}$，再逐漸下降。

最大轉矩約發生於：

$$\frac{R_2'}{s_m}\approx X_{\mathrm{eq}}$$

因此：

$$s_m\approx \frac{R_2'}{X_{\mathrm{eq}}}$$

其中 $s_m$ 為最大轉矩時的轉差率，$X_{\mathrm{eq}}$ 為等效漏抗。

增加轉子電阻會使最大轉矩發生在較大的轉差率，也就是較低的轉速；但最大轉矩的理想近似值大致不變。繞線式感應電動機可利用外接電阻改善起動轉矩。

3. 正常運轉區

在最大轉矩右側、接近同步轉速的區域，屬於正常穩定運轉區。此區域中：

• 轉速接近同步轉速；
• 轉差率很小；
• 負載增加時，轉速略為下降；
• 轉差率上升；
• 電磁轉矩增加以平衡負載。

當轉速接近同步轉速時：

$$s\to 0$$

因此轉子感應電流趨近於零，電磁轉矩也趨近於零：

$$T\to 0$$

實際滿載運轉時，轉速不會等於同步轉速，而是略低於同步轉速。

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解題方法

本題宜採用「先定義轉差率，再依運轉階段說明轉矩變化」的方式作答，順序如下：

1. 寫出同步轉速及轉差率公式。
2. 畫出由 $N=0$ 至 $N=N_s$ 的轉矩—轉速曲線。
3. 標示起動轉矩、最大轉矩及滿載運轉點。
4. 依序分析起動、加速、滿載及超載狀態。
5. 說明馬達轉矩與負載轉矩的比較結果。

電動機的角加速度可用下式表示：

$$J\frac{d\omega}{dt}=T_e-T_L-T_f$$

其中：

• $J$：轉動慣量
• $\omega$：轉子角速度
• $T_e$：電磁轉矩
• $T_L$：負載轉矩
• $T_f$：摩擦及風阻轉矩

因此，運轉狀態的判斷原則為：

$$T_e>T_L+T_f$$

表示馬達加速；

$$T_e=T_L+T_f$$

表示等速運轉；

$$T_e<T_L+T_f$$

表示減速。

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各運行階段之力矩變化

一、起動階段

起動瞬間：

$$N=0,\qquad s=1$$

核心觀念

導罩螺槳（ducted propeller，又稱 Kort nozzle propeller）是在螺槳外圍設置固定環形導罩，使螺槳在導罩內運轉。導罩內壁通常採翼剖面形狀，可改善螺槳盤面周圍的流場，並使導罩本身產生一部分推力。

本題考查導罩螺槳相較於普通開放式螺槳的主要性能優勢，核心在於：

• 增加低速航行時的有效推力；
• 提高停船拖曳、起航及低速重載時的推進效率；
• 減少螺槳尖端渦流與尖端洩漏損失。

解題方法

判斷導罩螺槳的主要優點，應從其最適用的船舶工況切入。導罩對螺槳周圍水流具有整流與加速作用，使水流較集中地通過螺槳盤面，降低螺槳葉尖附近的洩漏流與渦流損失。

螺槳所產生的推力，可概念性表示為水流動量增加所形成的反作用力：

$$T=\dot{m}(V_2-V_1)$$

其中：

• $T$：螺槳推力；
• $\dot{m}$：通過螺槳的水流質量流率；
• $V_1$：進流速度；
• $V_2$：螺槳後方水流速度。

導罩可使較多水流有效通過螺槳，增加有效質量流率 $\dot{m}$，並改善水流能量的利用，因此在低速、大推力需求的狀況下，能獲得比相同直徑開放式螺槳更大的推力。

此外，導罩本身也會因內外壓力差產生軸向力，該軸向力與螺槳推力同方向時，會增加整體推進力。因此導罩螺槳的總推力可概念性表示為：

$$T_{\text{total}}=T_{\text{propeller}}+T_{\text{duct}}$$

在低速或高負荷工況下，$T_{\text{duct}}$ 的增益較為明顯，故導罩螺槳特別適合拖船、工程船、漁船及需要高系柱拉力的船舶。

主要優點

導罩螺槳最主要的優點是：

核心觀念

本題考查船舶繫泊設備中「自動張力絞纜機（Automatic Tension Winch）」的構造與恆張力控制原理。

其主要功能是在潮汐、風浪、吃水變化或船舶前後移動時，仍使繫纜保持設定張力，避免：

• 繫纜過鬆，造成船舶漂移或纜繩跳脫。
• 繫纜過緊，使纜繩、絞纜機、繫纜柱或船體承受過大負荷。

自動張力絞纜機的核心是「張力回授控制」：

1. 由張力感測器測量繫纜實際張力。
2. 與控制器設定的目標張力比較。
3. 依張力偏差，自動控制絞纜機收纜或放纜。
4. 使繫纜張力維持在設定值附近。

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主要構造

自動張力絞纜機通常包括：

1. 捲筒（Drum）：捲收或放出繫纜。
2. 液壓馬達或電動馬達：提供驅動力。
3. 減速齒輪組：降低轉速、增加輸出扭矩。
4. 離合器與制動器：控制捲筒接合、停止及保持。
5. 張力感測器（Load Cell／Tension Sensor）：測量繫纜實際張力。
6. 控制器（Controller）：比較實際張力與設定張力。
7. 液壓動力單元或電氣控制單元：依控制訊號調整馬達輸出。
8. 導纜器與導纜滾輪：使繫纜順利進出捲筒。
9. 限位與安全裝置：防止過捲、過放及超負荷運轉。

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工作原理圖

 船舶移動、潮汐、風浪
 ↓
 繫纜張力發生變化
 ↓
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ 繫纜張力感測器 │
│ Load Cell／壓力感測器 │
└──────────────────────┬───────────────────────┘
 │ 實際張力 T
 ▼
 ┌─────────────────┐
 │ 控制器 │
 │ 比較 T 與 T₀ │
 └───────┬─────────┘
 │ 控制訊號
 ┌───────────┴───────────┐
 ▼ ▼
 張力過低，收纜 張力過高，放纜
 Heave-in Render-out
 │ │
 └───────────┬───────────┘
 ▼
 ┌─────────────────┐
 │ 液壓閥／變頻器 │
 │ 控制馬達轉速方向 │
 └────────┬────────┘
 ▼
 ┌─────────────────┐
 │ 馬達及減速齒輪 │
 └────────┬────────┘
 ▼
 ┌─────────────────┐
 │ 捲筒 │
 │ 收纜或放纜 │
 └────────┬────────┘
 ▼
 繫纜
 │
 ▼
 碼頭繫泊設備

控制器通常設定一個目標張力 $T_0$，並計算張力偏差：

$$e=T_0-T$$

其中：

• $T_0$：設定張力。
• $T$：繫纜實際張力。
• $e$：張力偏差。

控制邏輯如下：

• 當 $T<T_0$ 時，繫纜張力不足，控制器命令絞纜機收纜。
• 當 $T>T_0$ 時，繫纜張力過大，控制器命令絞纜機放纜。
• 當 $T\approx T_0$ 時，馬達停止、低速運轉，或由制動器保持張力。

實際設備通常設有張力死區，避免馬達因微小張力波動而頻繁正反轉：

$$T_0-\Delta T \leq T \leq T_0+\Delta T$$

當實際張力落在此範圍內，絞纜機不進行明顯的收放纜動作。

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收纜與放纜過程

一、張力降低時

當潮水上升、船舶向碼頭靠近，或船舶受力方向改變，繫纜可能變鬆，實際張力低於設定值：

$$T<T_0$$

此時控制器使馬達朝收纜方向運轉，捲筒收回部分繫纜，使繫纜恢復適當張力。

收纜動作可表示為：

$$T \uparrow \quad \text{且} \quad L \downarrow$$

其中 $L$ 為放出的繫纜長度。

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二、張力升高時

核心觀念

本題考查兩部分：

1. 船舶燃油性質的英文翻譯：須掌握燃油檢驗項目及其輪機工程專有名詞。
2. 輪機英文單字翻譯：須依船舶輪機脈絡，翻譯成臺灣航海及機械工程常用術語，不能只採一般字典義。

本題不涉及法條、計算公式或法規適用。

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解題方法

第一小題先找出句子的主幹：

• Some of the properties ... include A, B, C...
• 可翻譯為「受煉油程序影響的船舶燃料性質，包括……」。

其中：

• properties associated with marine fuels：與船舶燃油有關的性質
• affected by the refinery processes：受煉油程序影響
• include：包括

第二小題為單字題，直接依輪機工程慣用語翻譯；若同一英文在一般英文與輪機英文中有不同意思，應採輪機領域用語。

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（一）英文翻譯與解析

原文：

Some of the properties associated with marine fuels that are affected by the refinery processes include density/specific gravity, viscosity, micro-carbon residue, sediment, water, flash point, compatibility, and Sodium.

參考翻譯：

與船舶燃油有關、且會受到煉油程序影響的部分性質，包括密度／比重、黏度、微量碳殘留值、沉積物、水分、閃點、相容性及鈉含量。

詞語解析：

• marine fuels：船舶燃油、船用燃料。
• properties：性質、特性。在燃油檢驗中，通常指燃油的物理及化學性質。
• refinery processes：煉油程序、煉製過程。指原油經蒸餾、裂解、混合及調製等程序製成燃油的過程。
• density：密度，指單位體積燃油的質量。
• specific gravity：比重，指燃油密度與標準物質密度的比值。燃油規格中常將密度與比重並列說明，但兩者並非完全相同的物理量。
• viscosity：黏度，表示燃油抵抗流動的程度。燃油黏度會影響加熱溫度、泵送、霧化及噴油效果。
• micro-carbon residue：微量碳殘留值，常縮寫為 MCR。用來評估燃油在高溫分解後形成碳質殘留物的傾向。
• sediment：沉積物。燃油中的固體雜質或不溶性物質可能堵塞濾器、磨損燃油泵及噴油器。
• water：水分。燃油含水會造成燃燒不良、腐蝕、乳化及燃油系統運轉異常。
• flash point：閃點，指燃油蒸氣與空氣形成可燃混合氣，遇到火源能瞬間閃燃的最低溫度。閃點主要涉及燃油儲存及使用安全。
• compatibility：相容性，指不同燃油混合後能否穩定共存，不產生大量瀝青質或沉積物。
• Sodium：鈉。