107 高普考普通考試 輪機技術 船舶主機概要 考古題詳解

核心觀念

本題評量船舶內燃機（柴油機）之「充氣效率（容積效率）」定義、熱工性能關聯性，以及「機械增壓（Mechanical Supercharging）」機構之作動原理：

1. 容積效率（Volumetric Efficiency, $e_v$ 或 $\eta_v$）：衡量四行程引擎進氣過程充填效率之重要無因次指標。其定義為「每一循環實際吸入氣缸的新鮮空氣質量」與「以進氣狀態（或標準大氣狀態）密度計算之活塞排氣量理論空氣質量」之比值。
2. 對性能之影響機制：壓縮點火引擎之燃油直接噴入氣缸壓縮空氣中燃燒，因此燃油的最大噴射量與燃燒品質受制於氣缸內氧氣總量。$e_v$ 直接決定過量空氣係數（Excess air factor, $\lambda$）、平均有效壓力（$P_{me}$）、輸出馬力、熱效率、比油耗（SFC）以及熱負荷。
3. 機械增壓機構（Supercharger）：由引擎曲軸透過齒輪、皮帶或鏈條直接驅動的增壓機構（區別於由排氣廢氣驅動之渦輪增壓器 Turbocharger）。常見機構包括容積式（Positive Displacement）的「魯式增壓機（Roots Blower）」與「螺桿式增壓機（Screw / Lysholm Supercharger）」，或速度式之「離心式增壓機（Centrifugal Supercharger）」。

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解題方法

1. 第一小題：

• 先行列出容積效率 $e_v$ 之標準質量比定義式與狀態轉換式，明確定義式中各符號之物理意義與單位。
• 自柴油機之工作特性出發，從「動力性能（馬力、扭矩）」、「燃燒品質與經濟性（油耗、排放）」及「機件熱負荷（排氣溫度、燃燒室溫度）」三個構面，條理分析 $e_v$ 對四行程壓縮點火引擎性能之具體影響。

2. 第二小題：

• 選定兩種最具代表性的機械增壓機構：具「外壓縮」特性的魯式增壓機（Roots Blower）​與具「內壓縮」特性的螺桿式增壓機（Lysholm / Screw Supercharger）。
• 分別說明其「基本構造（轉子形狀、進排氣口配置）」與「吸氣、傳輸／壓縮、排氣之作動循環歷程」。

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選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項；作答時採分點條列，標的清楚、推導嚴謹。

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解題技巧

1. 列式嚴謹性：定義 $e_v$ 時，切勿僅寫容積比（$V_a / V_d$），務必寫出質量比形式（$m_a / (\rho_i V_d)$），並指明空氣密度 $\rho_i$ 採用的基準狀態（進氣歧管狀態或環境狀態），以展現專業度。
2. 性能關聯記憶口訣：「氣足油多馬力大，燃燒完全油耗降，過量空氣降熱負」。
3. 增壓機構作動區別：作動描述中必須點出「魯式」為轉子間腔室無容積變化之外壓縮（至排氣口由背壓回流等容升壓）；而「螺桿式」為螺旋齒槽容積縮小的內壓縮，此為得分關鍵差異點。

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【答案】

(一) 容積效率 $e_v$ 之列式與對四行程壓縮點火引擎性能之影響

1. 容積效率之數學列式與說明

容積效率 $e_v$（亦常記為 $\eta_v$）定義為每一工作循環中，實際吸入並滯留於氣缸內的新鮮空氣質量，與在進氣歧管條件下充滿氣缸排氣量之理論空氣質量的比值：

$e_v = \frac{m_a}{m_{th}} = \frac{m_a}{\rho_i \cdot V_d}$

若依理想氣體方程式換算為容積形式，可列為：

$e_v = \frac{V_a}{V_d} = \frac{m_a R T_i}{P_i V_d}$

• $m_a$：每一循環實際進入單一氣缸的新鮮空氣質量（$\text{kg}$）。
• $m_{th}$：活塞排氣容積在進氣狀態下的理論空氣質量（$\text{kg}$）。
• $\rho_i$：進氣狀態（進氣歧管處）之空氣密度（$\text{kg/m}^3$），$\rho_i = \frac{P_i}{R T_i}$。

核心觀念

本題評量考生對內燃機（含船舶輔機或各型動力推進系統常見之內燃機構）之進氣系統、供油技術、氣門控制與基礎熱力循環理論的掌握程度。考點涵蓋四大核心範疇：

1. 可變閥門正時（VVT）：打破傳統凸輪軸「固定氣門啟閉角與升程」之侷限，依據引擎轉速（RPM）與負載動態調整氣門正時與重疊角（Valve Overlap），在低速維持運轉平穩、降低排放，高速則最大化充填效率（容積效率 $\eta_v$）。
2. 缸內汽油直接噴射（GDI）：跳脫傳統進氣歧管噴射（PFI）模式，由高壓燃油系統將汽油直接霧化噴入燃燒室，利用汽化潛熱冷卻缸內氣體以抑制爆震，提升壓縮比與熱效率。
3. 自然進氣（NA）系統：內燃機不借助增壓器（渦輪增壓或機械增壓），單純利用進氣行程活塞下行所產生的汽缸負壓，將環境大氣壓力之空氣吸入汽缸的換氣系統。
4. 奧圖循環（Otto cycle）：點火式（SI）往復內燃機的理想熱力循環，由「兩段可逆絕熱（等熵）過程」與「兩段定容（等容）過程」構成，其理論熱效率公式為： $\eta_{th, \text{Otto}} = 1 - \frac{1}{r^{k-1}}$ 其中 $r$ 為壓縮比（$r = \frac{V_1}{V_2}$），$k$ 為比熱比（$k = \frac{C_p}{C_v}$）。

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解題方法

本題為標準的國家考試專業科目「申論繪圖說明題」，閱卷評分重心在於「簡圖結構是否完整正確」與「作動機制說明是否切中工程原理解析」。切入策略如下：

1. 繪圖原則：簡化非核心細節，以工程方塊圖、流程圖、機構剖面簡圖或標準狀態圖（$P-v$ 圖）作答，明確標記進出方向、零組件名稱及狀態點編號。
2. 論述架構：每子題皆依「結構簡圖 $\to$ 主要組件 $\to$ 作動流程與控制原理 $\to$ 工程效益」四階段依序回答，層次分明。

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選項分析

本題為非選擇題（專業申論題），無選項可資選取。國家考試各子題之配分標準與核心檢驗點如下：

• (一) 可變閥門正時：須呈現 ECU、電磁閥（OCV）、凸輪軸相位調節器（Phaser）之油壓控制流向，並闡述高低轉速下正時提前（Advance）與延後（Retard）的調控目標。
• (二) 汽油直接噴射系統：須畫出高壓供油泵、高壓油軌、缸內噴油嘴、火星塞與燃燒室位置關係，並點出均質燃燒（Homogeneous charge）與分層燃燒（Stratified charge）兩種噴射模式。
• (三) 自然進氣系統：須按進氣流向依序畫出空氣濾清器、流量計、節氣門、進氣歧管、進氣門與活塞，並以活塞下行形成汽缸內外壓力差（$\Delta P$）解釋進氣本質。
• (四) 奧圖循環：必須繪出標準之 $P-v$ 圖與 $T-s$ 圖，正確標記四個狀態點（$1 \to 2 \to 3 \to 4 \to 1$），列出四大熱力過程名稱，並推導或列出理論熱效率公式。

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解題技巧

1. 圖幅比例適中：簡圖佔版面約三分之一至二分之一即可，線條須工整，文字標註與引線清晰，避免徒手潦草塗繪。
2. 關鍵字精準打擊：作動說明中務必出現核心專業名詞，如「容積效率」、「進排氣重疊角」、「油壓控制閥（OCV）」、「汽化潛熱」、「負壓吸入」、「等熵壓縮／膨脹」、「定容加熱／散熱」。
3. 避免常犯陷阱：

• 繪製 GDI 時，噴油嘴務必畫在「汽缸內直接朝向活塞頂」，不可誤畫在進氣歧管（歧管噴射）。
• 繪製奧圖循環時，點火燃燒過程是「垂直線（定容 $v = C$）」，切勿畫成斜線（柴油循環的定壓加熱）。

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【答案】

(一) 可變閥門正時（Variable Valve Timing, VVT）

1. 機構運作簡圖

 [ 引擎控制單元 (ECU) ]
 │ (PWM 控制信號)
 ▼
 [ 機油控制閥 (OCV / 電磁閥) ]
 │ │
 (提前油道)│ │(延後油道)
 ▼ ▼
 ┌───────────────────────────────────┐
 │ 凸輪軸相位調節器 (Phaser) │ ◄─── [ 鏈條 / 皮帶帶動外轉子 ]
 │ (內含葉片 Chamber，連接凸輪軸) │
 └─────────────────┬─────────────────┘
 ▼
 [ 進氣凸輪軸 ]
 │ (相位旋轉角偏移 Δθ)
 ▼
 [ 進氣閥門開啟 / 關閉 ]

2. 運作方式說明

1. 控制架構：系統由 ECU 蒐集引擎轉速、曲軸位置、凸輪軸位置及油門開度訊號，經由控制機油控制閥（Oil Control Valve, OCV）變更通往凸輪軸相位調節器（Vane-type Phaser）兩側油室的液壓方向與油量。
2. 作動過程：

• 低轉速／怠速負載：OCV 引導液壓推動葉片，延後進氣門開啟時間，減少進排氣閥門重疊角（Valve Overlap），防止廢氣倒流至進氣歧管，確保燃燒穩定並降低碳氫化合物排放。
• 高轉速／高負載：OCV 變換油道使進氣凸輪相位提前（Advance），增大氣門重疊角，藉由高速排氣慣性抽出缸內殘餘廢氣；同時延後關閉進氣門，利用氣流進氣慣性效應充填更多空氣，提升容積效率與引擎扭力輸出。

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(二) 汽油直接噴射系統（Gasoline Direct Injection, GDI）

1. 機構運作簡圖

[ 汽油箱 ] ──► [ 低壓電動泵 ] (約 0.4~0.6 MPa)
 │
 ▼
 [ 凸輪驅動高壓燃油泵 ] (提升至 5~20 MPa)
 │
 ▼
 [ 高壓共軌管 (Common Rail) ]
 │
 ▼
 ┌──────[ 高壓電磁噴油嘴 ]──────┐
 │ │ │
 ▼ (進氣門) ▼ (直接噴射霧化) ▼ (排氣門)
 ───┬── . : . ──┬───
 │ : 霧化 : │
 │ ' . ' │
 │ [ 火星塞 ] │
 │ ▼ │
 │ (燃燒室) │
 │ ╔═════════╗ │
 │ ║ 凹頂活塞 ║ │
 └─────────╨─────────╨────────┘

核心觀念

本題旨在測驗輪機工程領域中「二行程柴油引擎（Two-stroke Compression-Ignition Engine）」的熱力循環原理與機械換氣機制。核心概念與關鍵定義包含：

1. 循環週期定義：曲軸旋轉一圈（$360^\circ$），活塞完成兩個行程（上行與下行各一次，即 $2 \times S$），即完成進氣、壓縮、燃燒做功、排氣四個熱力過程。
2. 壓縮點火（Compression-Ignition, CI）機制：氣缸內僅吸入純空氣，利用高壓縮比（船舶主機通常為 $12:1 \sim 18:1$）將氣體高度壓縮，使缸內空氣溫度遠超過柴油的自燃溫度（約 $500^\circ\text{C} \sim 700^\circ\text{C}$，壓力達 $3 \sim 5\text{ MPa}$），當柴油噴入時自行發火燃燒，無須點火火星塞。
3. 換氣與掃氣（Scavenging）機制：二行程引擎無獨立的「進氣行程」與「排氣行程」，其換氣作用集中在活塞運行至下死點（BDC）前後的短暫時間（約曲柄角 $100^\circ \sim 130^\circ$ 區間）完成，由高於缸壓之掃氣空氣驅除燃燒後的廢氣並充填新鮮空氣。

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解題方法

申論此題時，應採用「以活塞移動方向（上行／下行）為主軸，結合熱力狀態與氣孔／氣閥時序」的切入架構。評閱委員最重視考生是否能清晰區分「二行程」與「四行程」的根本差異：

1. 確立總綱：先給予整體循環的時間與空間定義（曲軸轉角 $360^\circ$、活塞兩行程）。
2. 按行程分段詳述：

• 向上行程（第一行程）：由掃氣結束、壓縮空氣，至噴油著火。
• 向下行程（第二行程）：由燃燒膨脹做功、自由排氣，至掃氣充填。

3. 補充現代船用主流型式：適度點出大型低速二行程主機採用的「單流掃氣（Uniflow Scavenging）」配置（底部掃氣孔＋缸頂排氣閥），使作答更具專業深度與實務代表性。

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選項分析

本題為申論問答題，無選項分析。

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解題技巧

1. 得分關鍵點：千萬不可將其寫成四行程的「進氣、壓縮、膨脹、排氣」四個分離行程。必須強調排氣與掃氣是附屬在做功行程末期與壓縮行程初期。
2. 專業術語標註：適當加入英文縮寫與專有名詞，如上死點（Top Dead Center, TDC）、下死點（Bottom Dead Center, BDC）、噴油提前角、滯燃期、爆發壓力（$P_{\max}$），可大幅提升專業度與給分印象。
3. 時序記憶口訣：

• 往上走：「關孔閥 $\to$ 壓空氣 $\to$ 近頂點噴油」。

核心觀念

本題評量船舶動力系統中「燃氣渦輪機（Gas Turbine, GT）」之輔機運轉原理與起動程序。核心觀念涵蓋：

1. 非自發起動性（Non-self-starting characteristic）：燃氣渦輪機運作基於布雷登循環（Brayton Cycle），靜止狀態下無法建立氣流壓縮比，亦無法形成燃燒所需的進氣壓頭與燃燒室工況。因此，必須仰賴外力機械驅動壓氣機（Compressor）至特定轉速，建立足夠的質量流率與燃燒室壓力。
2. 起動轉速階次與定義：

• 吹除轉速（Purge Speed）：將殘留於燃燒室與排氣導管的未燃油氣吹除，防止燃爆（Explosion）。
• 點火轉速（Light-off / Firing Speed）：約為額定轉速的 $10\% \sim 20\%$，此時供油並點火。
• 自持轉速（Self-sustaining Speed）：約為額定轉速的 $40\% \sim 55\%$，此時渦輪輸出功率恰可平衡壓氣機耗功與機械摩擦損失；高於此轉速後主機即可自行加速，外加起動動力必須脫離。
• 怠速（Idle Speed）：主機能穩定獨立持續運轉的最低工作轉速（約 $50\% \sim 65\%$）。

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解題方法

本題為標準的輪機工程申論題，採「雙核心分段展開」方式作答：

1. 第一部分（分類體系）：條列燃氣渦輪機主要的起動能源形式（氣動式、電動式、液壓式、輔助引擎驅動式），並精準點出各方式的適用場合與在船用領域的優缺點。
2. 第二部分（空氣式起動深層剖析）：

• 釐清系統組成構件（高壓空氣瓶、調壓電磁閥、空氣渦輪起動器 ATS、超越離合器、附件齒輪箱 AGB）。
• 按時間歷程（Chronological order）​建立標準作業程序：供氣吹轉 $\to$ 吹除通風 $\to$ 點火供油 $\to$ 自持加速 $\to$ 自動脫離 $\to$ 怠速暖機。特別說明「超越離合器（Overrunning clutch）」的機械防護機制。

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選項分析

本題為國家考試專業科目之「申論問答題」（非選擇題），無選項可資分析。評分核心在於兩大子題配分比例（通常各佔 $50\%$）：

• 子題一（起動方式種類）：需答出至少 3 種常見型態（空氣式、電動式、液壓式、柴油輔機帶動式）。若只寫出一種或含混帶過將大幅扣分。
• 子題二（空氣式起動作業）：評分關鍵在於作業「程序步驟」與「機械保護機制（離合器脫開時機、吹除安全防護）」，未交代自持轉速或超越離合器脫離者，無法取得頂標成績。

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解題技巧

1. 切忌混淆機型概念：

• 常見陷阱：將大型二行程低速柴油機的「高壓空氣直接噴入氣缸式起動（Direct air injection）」套用到燃氣渦輪機上。燃氣渦輪機絕不可將壓縮空氣直接吹入燃燒室，而是經由空氣渦輪起動器（ATS）​或氣動馬達驅動轉軸機械旋轉。

2. 答題結構口訣化：記憶起動程序五字訣——「氣（供氣推動）、轉（曲軸加速）、淨（燃燒室吹除）、火（噴油點火）、脫（離合器脫離）。
3. 凸顯關鍵零組件名稱：務必寫出「空氣渦輪起動器（Air Turbine Starter, ATS）」、「超越離合器／單向棘輪離合器（Overrunning Clutch / Sprag Clutch）」與「自持轉速（Self-sustaining Speed）」，此為閱卷老師尋找之給分關鍵字。

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【答案】

一、燃氣渦輪機的起動方式

燃氣渦輪機靜止時無法自行吸氣壓縮，必須借助外力驅動壓氣機轉子旋轉至自持轉速以上。常見的起動方式主要有下列四種：

核心觀念

本題考查船舶推進動力與輔機系統中「渦輪機（Turbine，包含蒸汽渦輪機與廢氣渦輪增壓機）」的運轉狀態監控與故障診斷（Condition Monitoring & Fault Diagnosis）。 解答本題所需之核心理論與專業知識涵蓋：

1. 熱力學與能量轉換：渦輪機輸出功率取決於流體質量流量 $\dot{m}$ 與級進膨脹焓降 $\Delta h$，即理想軸功率公式： $P = \dot{m} \cdot (h_{in} - h_{out}) \cdot \eta_{t}$ （其中 $h_{in}$ 為進口焓、$h_{out}$ 為排氣焓、$\eta_{t}$ 為渦輪內效率）。凡造成流量減少、進出口壓比/焓降縮小、或內效率劣化的因素，皆導致輸出功率下降。
2. 轉子動力學與流體力學：不規則雜音通常源自「異常流況動態力（如水錘、氣喘）」、「轉子-定子機械摩擦（Rubbing）」、「結構疲勞損壞（葉片斷裂、異物侵入）」或「軸承潤滑失效」。

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解題方法

國家考試申論題切忌零碎列舉。解題時應採用​「現象分類—根因歸納」系統化解題架構：

1. 將題目明確拆解為兩大核心病徵：

• 「不規則雜音之可能原因」
• 「輸出功率降低之可能原因」

2. 沿著系統運轉的四大維度由外而內展開分析：

• 工作流體與熱工參數面（蒸氣品質、進氣條件、排氣背壓/真空度）
• 流道與氣動/水力幾何面（噴嘴、動葉片積垢、磨蝕與變形）
• 機械旋轉與軸系結構面（軸承、間隙、動靜刮磨、動平衡）
• 附屬控制與傳動系統面（調速閥卡滯、軸封洩漏、減速齒輪）

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選項分析

本題為公職專技普考之申論題型，非選擇題，故無選項分析。在國家考試評分標準中，考官評分著重於「分類邏輯是否清晰」、「專業術語（Terminology）是否精確到位」及「能否同時顧及熱力流道與機械結構面向」。

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解題技巧

1. 答題結構化矩陣：直接在答卷中分設「一、造成不規則雜音之原因」與「二、造成輸出功率降低之原因」二大主標題，並以條列式並附註專業成因作答。
2. 常見陷阱與盲點：

• 只寫機械，漏寫熱工：許多考生僅回答軸承損壞、葉片刮碰等機械問題，遺漏了熱力系統的「水錘（Water Hammer）」、「真空度不足」、「噴嘴積鹽結垢」等核心考點，難獲高分。
• 因果混淆：雜音與功率降低往往互為關聯（例如動葉片受損會同時引發劇烈雜音與功率驟降），作答時若能點出兩者的交叉重疊點，更能展現資深輪機員之全盤觀念。

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【答案】

造成渦輪機（Turbine）運轉時出現不規則雜音或輸出功率降低之可能原因，依其致病機轉與系統部位，詳細分述如下：

一、造成渦輪機出現「不規則雜音」之可能原因

1. 工作流體夾帶異相引發衝擊（水錘現象，Water Hammer）：

• 鍋爐發生汽水共騰（Priming/Foaming）或過熱蒸汽溫度過低，導致未完全蒸發之凝結水滴混雜於蒸氣中高速撞擊噴嘴與高速旋轉的動葉片，產生劇烈且不規則的金屬敲擊聲與水爆聲。

2. 動靜部件接觸刮磨（Rubbing / Clearance Loss）：