109 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

本題考查柴油機的三項性能指標：

• 制動燃油消耗率（bsfc）：每輸出 $1\,\mathrm{kW}$、運轉 $1$ 小時所消耗的燃油質量。
• 制動平均有效壓力（bmep）：以等效定壓作用於活塞、產生相同制動功的平均壓力。四行程柴油機每兩轉完成一個工作循環，因此每分鐘的工作循環數為 $N/2$。
• 燃料轉換熱效率：制動輸出功率除以燃油輸入的化學能率。

解題方法

（一）制動燃油消耗率

先將每日耗油量換成每小時耗油量，再除以制動功率：

（二）制動平均有效壓力

四行程引擎每缸每兩轉完成一個工作循環。以總排氣量 $V_d$ 表示，制動功率與 bmep 的關係為：

其中 $P_b$ 以 $\mathrm{kW}=\mathrm{kJ/s}$ 計，$V_d$ 以 $\mathrm{m^3}$ 計，$N$ 為 $\mathrm{rpm}$；因此壓力單位為 $\mathrm{kPa}$。代入 $V_d=748\,\mathrm{L}=0.748\,\mathrm{m^3}$、$N=700\,\mathrm{rpm}$：

核心觀念

本題考查重油品質如何影響燃料的噴霧、著火與燃燒，以及燃燒後的積碳與機件磨耗。黏度影響燃料輸送和霧化；著火性能通常以十六烷值或計算十六烷指數表示，反映燃料的自燃難易與著火延遲；殘碳量則反映燃料在高溫缺氧條件下形成碳質沉積物的傾向。

低品質重油常有黏度偏高、著火性能差、殘碳量高等問題，會使燃燒惡化，並增加柴油機運轉故障與維護負擔。

解題方法

依序說明三項性質，再沿著「燃料供應與霧化 → 著火延遲與燃燒 → 燃燒殘留物與機件影響」的因果鏈，交代各項性質對船用柴油機的不利影響。重點是指出性質變差後，燃燒過程如何受影響，以及影響會落在哪些機件與運轉狀況。

三種性質對柴油機運轉的不利影響

一、黏度過高

黏度是流體流動時的內部阻力。重油黏度過高時，燃料較難輸送，噴油泵與噴油器的供油、計量及噴射特性也會受影響。若加熱或黏度控制不足，燃油不易經噴油器形成細小、均勻的油滴，霧化品質下降，油滴蒸發與混合空氣的速度變慢。

其結果包括：

• 燃燒不完全，排氣冒黑煙，燃料消耗率增加。
• 油滴容易撞擊燃燒室壁面或活塞頂，形成積碳與漆膜。
• 噴油器噴孔易結焦、堵塞或磨耗，噴霧形狀與供油量變得不正常。
• 燃油泵、管路與過濾設備負荷增加，供油不穩，嚴重時造成柴油機運轉不順或出力下降。

因此，船用重油通常須經適當加熱，使進入噴油系統的黏度維持在設備要求範圍內；單純提高溫度並非目的，重點是控制噴射所需的黏度。

二、著火性能差

著火性能表示燃料在壓縮空氣中自燃的難易。著火性能差的燃料自燃性低，在噴入汽缸後需要較長時間才開始著火，也就是著火延遲較長。

著火延遲期間，噴入汽缸的燃料持續累積；一旦開始燃燒，較多燃料可能在短時間內迅速燃燒，造成壓力上升過快。其不利影響包括：

核心觀念

本題考查船用柴油機如何先由外力帶動曲軸旋轉，使氣缸內空氣達到足以著火的壓力與溫度，再開始噴油燃燒並自行運轉。起動裝置的功能，是在起動初期提供轉矩與轉速；起動成功後，起動能源即退出。

船用柴油機常見起動方式如下：

1. 壓縮空氣起動：大型低速主機及中大型柴油機常用。高壓空氣由起動空氣瓶供應，依序進入各缸推動活塞，使曲軸轉動。
2. 電動起動：以蓄電池供電，起動馬達經齒輪帶動飛輪齒圈，常見於小型柴油機及部分發電機組。
3. 氣動馬達起動：壓縮空氣驅動氣動馬達，再由齒輪帶動飛輪，常用於部分中速柴油機。
4. 手動起動：以手搖柄、彈簧起動器等帶動曲軸，適用於小型機器或備用起動用途。

解題方法

作答時先概述起動裝置的任務，再依主要能源分類說明各起動系統的構造與動作原理。船舶主機以壓縮空氣起動最具代表性，應交代空氣的供應、控制、分配及進入氣缸後的作用。

壓縮空氣起動裝置

典型系統包括：

• 起動空氣壓縮機：將空氣壓縮後充入起動空氣瓶。
• 起動空氣瓶：儲存高壓起動空氣，並設有壓力表、安全閥、排水閥等附件。
• 主起動閥與控制閥：依起動指令開啟主空氣通路。
• 空氣分配器：按照柴油機的發火順序，將控制空氣送至相應氣缸。
• 氣缸起動閥：在指定時序開啟，使起動空氣進入氣缸。
• 起動管路及相關安全裝置：輸送起動空氣並防止回火、爆炸等事故。

起動時，起動空氣瓶中的高壓空氣經主起動閥進入起動空氣總管。控制空氣使空氣分配器依發火順序開啟各缸起動閥，主起動空氣遂依序進入氣缸，推動活塞並帶動曲軸旋轉。當柴油機達到適當轉速，燃油開始正常噴射，壓縮空氣停止供應；氣缸內燃燒接續帶動柴油機運轉。

另一種空氣起動配置，是以壓縮空氣驅動氣動馬達，再由馬達齒輪帶動飛輪。此法的作用路徑為「空氣驅動馬達、馬達帶動飛輪、飛輪帶動曲軸」，與主機起動空氣直接進缸推動活塞的方式不同。

其他起動方式

核心觀念

空氣率（air rate）是燃氣渦輪機每單位輸出功率所需的空氣質量，常用單位為 $\mathrm{kg/(kW\cdot h)}$ 或 $\mathrm{kg/(hp\cdot h)}$。若空氣質量流率為 $\dot m_a$、輸出功率為 $P$，則

燃氣渦輪機的輸出功率，取決於每公斤空氣在循環中產生的淨功。因此，空氣率與單位質量空氣的淨功近似成反比：淨功愈大，產生相同功率所需的空氣量愈少，空氣率愈低。

（一）空氣率對選用燃氣渦輪機構件的意義

空氣率反映渦輪機為達到所需功率，必須處理多大的空氣流量。若空氣率高，表示每單位輸出功率需要較多空氣，空氣流道及相關構件須具備較大的通流能力。

選用或設計構件時，主要考量如下：

1. 壓縮機與進氣系統：壓縮機須能吸入並壓縮所需空氣量；進氣道、濾器及消音器也須配合其流量與壓力損失。
2. 燃燒室：燃燒室須能容納相應的空氣流量，並維持穩定燃燒、適當的燃油與空氣混合，以及可接受的壓力損失。
3. 渦輪機與排氣系統：渦輪流道、噴嘴及排氣通道須配合燃氣流量，避免流通面積不足而影響性能。
4. 機組體積與重量：較高空氣率通常意味著每單位功率所需的流通能力較大，會影響壓縮機、燃燒室、進排氣管路的尺寸與重量。船舶選型時，須一併考量機艙空間、重量及進排氣布置。

因此，空氣率可用來比較機組在空氣處理需求上的差異，也可作為判斷壓縮機、燃燒室及渦輪流道容量是否足以配合所需輸出的參考。

（二）簡單式燃氣渦輪機操作參數對空氣率的效應

簡單式燃氣渦輪機由壓縮機、燃燒室及渦輪機組成。空氣率可理解為輸出功率與空氣質量流率的比值關係：

其中淨功為渦輪輸出功減去壓縮機消耗功。以下說明主要操作參數的影響。

1. 壓縮機壓力比

核心觀念

本題考查閉式循環燃氣渦輪機的工作流體循環路徑，以及它和開式循環的主要差異。閉式循環中，工作流體在密閉系統內反覆循環；燃料燃燒所產生的熱量，則經由加熱器的壁面傳給工作流體，因此燃燒氣體不直接進入渦輪機。

理想化的簡單閉式循環可分為四個主要過程：

1. 壓縮：壓縮機將低壓工作流體壓縮至高壓。
2. 外部加熱：高壓工作流體流經加熱器，吸收外部熱源的熱量。
3. 膨脹作功：高溫高壓工作流體進入渦輪膨脹，輸出軸功。
4. 冷卻：渦輪排出的流體經冷卻器放熱、降溫，再回到壓縮機入口。

解題方法與流程圖

作答時先依序標出「壓縮機、加熱器、渦輪、冷卻器」，再以箭頭連成封閉迴路。熱量由外部熱源經加熱器傳入工作流體，渦輪排出的熱量則經冷卻器排至冷卻介質；工作流體本身不排入大氣。

 外部熱源
 │ 供熱
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 ┌───────────┐ ┌───────────┐
 │ │──▶│ │
 │ 壓縮機 │ │ 加熱器 │
 │ │ │ │
 └─────▲─────┘ └─────┬─────┘
 │ │
 │ ▼
 ┌─────┴─────┐ ┌───────────┐
 │ │◀──│ │
 │ 冷卻器 │ │ 渦輪 │──▶ 輸出軸功
 │ │ │ │
 └─────┬─────┘ └─────▲─────┘
 │ │
 └──── 工作流體 ─┘

依循環方向說明如下：

工作流體可採空氣、氦氣等氣體。加熱器由外部熱源供熱，熱源可以是燃燒裝置；燃燒產物不與工作流體混合，而是隔著加熱器傳熱。

閉式循環燃氣渦輪機的優點