111 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

本題評量船舶大型二行程／四行程柴油機「燃油噴射系統」之系統工程架構、熱機負載調節理論與燃燒化學物理機制，涵蓋以下核心觀念：

1. 燃油噴射系統組成：包含低壓供油迴路（儲存、淨化、調溫、增壓）與高壓噴射迴路（定壓／定時／定量加壓、高壓傳輸、霧化噴入）以及控制機構。
2. 負荷調節與噴射參數控制：柴油機為質調節（Quality Governing）內燃機，負荷改變時，必須調控每循環供油量（$q_c$）、噴油定時（Injection Timing / VIT, Variable Injection Timing）、噴油持續期（Injection Duration）及噴射壓力（Injection Pressure）。
3. 噴霧物理特性與油氣混合機制：非均質燃燒過程取決於噴霧「三大特性」——霧化細度（Sauter Mean Diameter, SMD）、貫穿距（Spray Penetration Length, $S$）與噴霧分散錐角（Spray Angle, $\theta$），並配合燃燒室內之幾何構型與空氣進氣渦流（Swirl / Squish），達到最佳化空燃混合與燃燒效率。

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解題方法

本題為標準的申論型結構化考題，作答應採「三段式層次遞進」邏輯展開：

1. 系統硬體面（系統組成）：以燃油流向為主軸，將系統明確劃分為「低壓供油系統」與「高壓噴射系統」，並列出各關鍵組件之功能，架構方顯完整。
2. 動態控制面（負荷參數控制）：從主機負荷由低到高（或部分負荷到全負荷）的工況出發，說明調速器如何聯動噴射機構，控制供油量、噴射定時及噴射壓力。
3. 燃燒物理面（噴霧特性與混合機制）：闡明霧化度、貫穿距、分散度之相互權衡（Trade-off），並說明其如何配合缸內高溫高壓空氣運動，促進蒸發、著火與均勻燃燒。

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選項分析

本題為國家考試專業科目申論問答題，無選擇題選項。閱卷給分三大核心主軸拆解如下：

1. 第一配分區塊（系統組成，約占 30%）：若僅寫出「高壓油泵與噴油嘴」，分數將被大幅扣除；必須涵蓋自日用櫃開始的低壓迴路（含加熱、黏度調節）、高壓部件（柱塞泵、高壓雙層油管、噴油閥）及控制系統（調速器／電控單元）。
2. 第二配分區塊（負荷參數控制，約占 35%）：核心在於「循環供油量」之調節原理（斜槽式柱塞有效行程）及「噴油定時」之控制（如 VIT 系統於 40%～85% 負荷提早噴油以維持最高燃燒壓力 $P_{\max}$）。
3. 第三配分區塊（噴霧特性與促進燃燒，約占 35%）：必須精準寫出「霧化細度」、「貫穿距」與「噴霧錐角」，並解釋油滴直徑過大或貫穿距過大（撞壁結碳）所造成的負面效應，以及氣流渦流與燃燒室形狀的輔助效果。

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解題技巧

1. 記憶口訣：

• 系統組成記「兩路一控」：低壓調節路、高壓噴射路、負荷回授控制。
• 噴射參數記「量、時、壓、期」：循環噴油量、噴油定時、噴射壓力、噴射持續期。
• 噴霧特性記「細、遠、廣」：霧化細度（細）、貫穿距（遠）、噴霧錐角（廣）。

2. 高分陷阱防範：

• 嚴禁只回答傳統機械式系統；宜在說明機械式凸輪柱塞泵之餘，簡要帶入現代電控主機（如 MAN B&W ME 系列或 WinGD X 系列之高壓共軌）的彈性噴射概念，展現專業廣度。
• 「貫穿距」與「霧化度」在物理上具互斥性（油滴越細，動量越小，貫穿越短），答題時應強調「最佳折衝配合」，而非單方面追求無限微細化。

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【答案】

一、柴油機燃油噴射系統的組成

現代船用柴油機燃油噴射系統依工作壓力與功能，主要劃分為低壓供油迴路、高壓噴射迴路與控制調節機構：

1. 低壓供油系統（燃油準備與輔助迴路）：

• 燃油日用櫃（Daily Service Tank）：儲存經離心分離機淨化後之合格燃油。
• 供油泵與增壓泵（Supply & Circulating Pumps）：提供系統基本循環動力，克服阻力並防止管路因高溫氣化產生氣穴（Vapor Lock）。
• 燃油加熱器與黏度控制器（Heater & Viscosity Controller）：將重燃油（HFO）加熱並調控其黏度至噴射標準（約 $10 \sim 15 \text{ cSt}$）。
• 濾清器（Fuel Filters）：配置粗濾器與自動反沖洗細濾器，攔截固體微粒，保護精密偶件。

核心觀念

本題考核大型低速二行程船用柴油主機的熱工性能、結構特點及功率提升途徑。核心依據為內燃機輸出功率之熱力學基本公式與功率密度（單位體積出力）之定義。

二行程柴油主機的制動功率（Brake Power, $P_e$）公式為： $P_e = p_{me} \cdot V_s \cdot n \cdot z = p_{me} \cdot \left( \frac{\pi}{4} D^2 S \right) \cdot n \cdot z$ 其中：

• $p_{me}$：平均有效壓力（Brake Mean Effective Pressure, BMEP）
• $V_s$：單缸工作容積（排氣量）
• $D$：氣缸直徑（缸徑）
• $S$：活塞行程（衝程）
• $n$：主機轉速（低速二行程機每轉做功一次）
• $z$：氣缸數

單位體積出力（比容積功率 / 功率密度 $P_v$）定義為主機輸出功率與主機外形體積（或總排氣量）之比： $P_v = \frac{P_e}{V_{\text{engine}}}$

提升單位體積出力的核心在於：在抑制或縮減主機外部幾何尺寸（$V_{\text{engine}}$）的同時，極大化單缸熱力做功能力（主要依靠提高 $p_{me}$），而非單純依賴擴大幾何尺寸（$D, z$）。

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解題方法

本題應從「熱力做功參數（提升出力）」與「機械結構配置（縮減體積）」兩大維度切入，並結合兩者之交互作用推導出提升單位體積出力的具體工程措施：

一、 增加主機出力的途徑（提升分子 $P_e$）

1. 大幅提升平均有效壓力（$p_{me}$）——最主要手段

• 高壓比廢氣渦輪增壓與增壓空氣冷卻（Turbocharging & Air Cooling）：採用高效能廢氣渦輪增壓機（如可變幾何渦輪 VGT 或兩級增壓系統），提高進氣充量壓力；配合高性能空氣冷卻器降低進氣溫度，大幅增加氣缸內進氣密度與空氣質量流量，使氣缸內能噴入並完全燃燒更多燃油，直接推升 $p_{me}$。
• 提高最高爆發壓力（$p_{max}$）與壓縮比：透過強化燃燒室耐壓結構與軸承承載力，允許更高的 $p_{max}$，提升循環熱效率與平均有效壓力。
• 電子控制燃油噴射系統（電控共軌技術）：揚棄傳統機械凸輪驅動，採用電子控制共軌噴射技術（如 MAN ME 系列、WinGD X 系列）。可依據不同負荷精確調節噴油正時、噴射壓力（高達 $1000 \sim 1500\text{ bar}$ 以上）及多段噴射率，達到最佳霧化與充分燃燒，提高燃燒效率與有效功輸出。
• 最佳化直流掃氣（Uniflow Scavenging）品質：利用電子液壓控制排氣閥的開關定時（Variable Exhaust Valve Timing, VVT），提高掃氣效率、減少新鮮充量損失，確保缸內具有極高的新鮮空氣比例。

2. 維持最佳推進轉速（$n$）

• 船用大型低速柴油機通常為直接驅動螺旋槳，受限於螺旋槳推進效率及空蝕限制，轉速無法隨意拉高（通常維持在 $60 \sim 120\text{ rpm}$）。因此，出力增加主要由提高 $p_{me}$ 貢獻，而非提高轉速。

3. 提高機械效率（$\eta_m$）

• 改善十字頭（Crosshead）滑塊、活塞環與氣缸套間之潤滑狀態；採用減摩塗層與精確注油技術（Alpha Lubricator），降低內部摩擦損耗。

二、 減少主機體積的途徑（縮減分母 $V_{\text{engine}}$）

1. 取消凸輪軸機構（無凸輪軸電控化設計）

• 傳統柴油機需要龐大的凸輪軸、驅動齒輪箱或鏈條傳動機構及推桿。改採電控液壓伺服系統驅動排氣閥與燃油噴射器後，可完全移除凸輪軸系與繁重的傳動機構，顯著縮小主機的寬度、高度與整體體積。

核心觀念

本題評量船舶柴油主機於航行中遭遇重大設備損壞或控制系統失效時，輪機人員的「應急運轉（Emergency Operation）」決策與安全管理能力。

主機故障常直接導致推力喪失或電力、液壓源中斷而影響舵機功能，危及航行與人命安全。依據國際海上人命安全公約（SOLAS Convention）第 II-1 章機械裝置安全要求、國際安全管理代碼（ISM Code）應急準備程序，以及我國《船舶設備規則》（以命題當年民國 111 年法規為準），主機應急運轉管理核心在於：以最低限度維持船舶自力航行與操舵避碰能力為前提，採取「降級控制」、「封缸/旁通運轉」、「安全保護超控」及「嚴格監控與通報」等綜合管理措施。

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解題方法

本題為國家考試專業科目之申論問答題。解答切入點應避免雜亂羅列單一零件修護步驟，而應站在「輪機長／值班輪機員之管理決策」高度，將應急運轉管理劃分為四大系統性層次進行論述：

1. 操縱控制系統的應急切換管理（由遠程失控轉為就地控制）
2. 主要機構系統的應急降級運轉管理（封缸運轉、增壓機故障處置）
3. 安全保護系統的應急超控管理（Emergency Override）
4. 航行協同、狀態監視與法規紀錄管理

透過層次分明的架構，展現應急程序（SOP）與輪機實務的結合。

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選項分析

本題為申論題（問答題），非選擇題。考生於答題時應注意辨析「一般例行維護」與「應急運轉管理」之差異：

• 例行檢修 vs. 應急運轉：停俥吊缸更換零件屬於維修作業；在不能長期停航的急迫狀況下，切斷故障缸供油並降載航行，才屬於「應急運轉」。
• 常態運轉 vs. 降級運轉：應急運轉允許主機在局部機構隔離或安全限制放寬條件下載負荷運行，但必須重新核算臨界轉速與熱負荷上限。

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解題技巧

1. 口訣架構記憶法：以「控、機、防、管」四字訣涵蓋所有答題要點：

• 控（控制轉換）：駕駛台 $\rightarrow$ 集控室 $\rightarrow$ 機側就地操縱。
• 機（機械降級）：單缸故障「封缸運轉」、增壓機故障「鎖死旁通」。
• 防（防護超控）：避碰緊急關頭啟用 Emergency Override（除超速外暫時屏蔽減速/停車）。
• 管（管理紀錄）：與駕駛台密切通訊、監控排溫與水油參數、記錄輪機日誌。

2. 答題關鍵陷阱：

• 勿忘「臨界轉速（Critical Speed）」：封缸運轉會改變曲軸扭轉振動頻率，答題時必須特別點出「嚴禁在新的危險轉速區運轉」，這是評分關鍵得分點。
• 超控（Override）的限制：應急超控通常僅針對「自動減速（Slowdown）」與「低油壓/高水溫自動停車（Shutdown）」，超速跳脫保護（Overspeed Trip）絕對不可超控。

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【答案】

因柴油主機故障造成航速變更或影響舵機時，為確保人命與船舶航行安全，應採取之「主機應急運轉管理」措施如下：

一、 操縱與控制系統之應急管理（控制切換）

1. 操縱位置緊急切換：

• 當駕駛台遙控或機艙集控室（ECR）控制系統失靈時，應立即將操縱權依序切換至集控室手動或「機側就地操縱台（Local/Emergency Control Sta

核心觀念

本題旨在考驗應考人對燃氣渦輪機（Gas Turbine）基本熱力模型——**空氣標準理想布萊頓循環（Air-Standard Ideal Brayton Cycle）**之物理架構與熱力學第一定律的掌握程度。解題核心包含：

1. 開口系統之穩態穩流能量方程式（Steady-Flow Energy Equation, SFEE）： 對單位質量流體，忽視進出口動能與位能變化（$\Delta ke \approx 0, \Delta pe \approx 0$），系統能量平衡式為： $q - w = \Delta h = h_{out} - h_{in}$ 其中 $q$ 為熱傳量，$w$ 為軸功，$h$ 為比焓（Specific Enthalpy）。
2. 冷空氣標準假設（Cold-Air-Standard Assumptions）： 工作流體視為理想氣體，比熱 $c_p$ 為定值，焓差與溫差之關係為 $\Delta h = c_p \Delta T$。
3. 布萊頓循環之四大熱力過程： 由兩個「可逆絕熱（等熵）過程」與兩個「可逆定壓過程」交替構成。

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解題方法

本題為標準申論題，作答時宜切入「系統假設 $\to$ 四大熱力過程說明 $\to$ 各過程之焓變化與功／熱定量轉換推導」，邏輯方能嚴密完整：

步驟一：控制體積與熱力假設

燃氣渦輪機由壓縮機（Compressor）、燃燒室（Combustor）、渦輪機（Turbine）及熱交換／冷卻排氣區段所構成。在理想布萊頓循環分析中，建立以下假設：

1. 工作流體在封閉迴路中進行穩態穩流（Steady flow）循環。
2. 忽略系統內部摩擦與各管路壓降（可逆過程）。
3. 忽略流體進出口之動能變化（$\Delta ke$）與重力位能變化（$\Delta pe$）。

步驟二：四大熱力過程說明

依流體流經之元件與循環狀態點（$1 \to 2 \to 3 \to 4 \to 1$）定義：

• 過程 $1 \to 2$：等熵壓縮過程（Isentropic Compression） 空氣進入壓縮機，進行可逆絕熱壓縮，壓力由 $P_1$ 升至 $P_2$，溫度由 $T_1$ 升至 $T_2$，比熵不變（$s_1 = s_2$）。
• 過程 $2 \to 3$：定壓吸熱過程（Isobaric Heat Addition） 高壓空氣流經燃燒室（或熱交換器），在定壓下自外部熱源吸收熱量 $q_{in}$，壓力維持 $P_2 = P_3$，溫度升至最高循環溫度 $T_3$。
• 過程 $3 \to 4$：等熵膨脹過程（Isentropic Expansion） 高溫高壓燃氣進入渦輪機膨脹對外作功，壓力由 $P_3$ 降至 $P_4 = P_1$，溫度由 $T_3$ 降至 $T_4$，比熵不變（$s_3 = s_4$）。
• 過程 $4 \to 1$：定壓放熱過程（Isobaric Heat Rejection） 乏氣在定壓下對外界低溫熱槽排放熱量 $q_{out}$，壓力維持 $P_4 = P_1$，冷卻回復至初始狀態點 $1$。

步驟三：各過程之焓變化與熱或功轉換關係推導

依穩態穩流方程式 $q - w = \Delta h$，分別對四大元件控制體積分析：

1. 壓縮過程（$1 \to 2$）：

• 熱傳條件：可逆絕熱，$q_{12} = 0$。
• 能量轉換：外界對流體輸入壓縮功 $w_{in,c} = -w_{12}$。
• 關係式： $w_{in,c} = h_2 - h_1 = c_p (T_2 - T_1)$
• 物理意義：流體焓的增加量完全等於壓縮機所消耗的軸功。

2. 吸熱過程（$2 \to 3$）：

• 功轉換條件：固定通道無移動邊界，$w_{23} = 0$。
• 能量轉換：外界向流體注入熱量 $q_{in} = q_{23}$。
• 關係式： $q_{in} = h_3 - h_2 = c_p (T_3 - T_2)$
• 物理意義：燃燒室內加入的熱量完全轉化為流體焓的增加量。

3. 膨脹過程（$3 \to 4$）：

• 熱傳條件：可逆絕熱，$q_{34} = 0$。
• 能量轉換：流體對外輸出渦輪功 $w_{out,t} = w_{34}$。
• 關係式： $w_{out,t} = h_3 - h_4 = c_p (T_3 - T_4)$
• 物理意義：渦輪機所輸出的軸功完全來自於流體焓的降低量。

4. 放熱過程（$4 \to 1$）：

• 功轉換條件：固定通道無軸功輸出入，$w_{41} = 0$。

核心觀念

本題考核船舶動力工程中「蒸汽渦輪主機（Marine Steam Turbine）」與「燃氣渦輪主機（Marine Gas Turbine）」的自動化操縱控制系統與安全保護系統。相關規範以命題當年（民國 111 年）施行之《船舶設備規則》第二編第二章「輪機設備」、國際海上人命安全公約（SOLAS 1974，修正案 Chapter II-1, Regulation 31「主機操作之控制」）及驗船協會（CR）《鋼船建造與入級規範》為基準。

主要觀念涵蓋：

1. 操縱控制系統（Maneuvering & Control System）：

• 推進機組之起動、暖機、加速、定速、減速、換向（前進／後退）與停車程序控制。
• 控制位置切換（駕駛台、機艙集中控制室 ECR、機側現場）之優先順序與防呆聯鎖（Interlock）。
• 轉速閉迴路控制（Governing）與負荷限制防護（負荷加速限制、熱應力控制）。

2. 保護裝置（Safety & Protection Devices / Automatic Shutdown & Trip）：

• 第一道防線：聲光警報（Alarm）與自動減載（Slowdown）。
• 第二道防線：自動緊急跳脫／停機（Emergency Trip / Shutdown），能在破壞性故障發生前瞬間切斷能源供給（主蒸汽閥關閉或燃油電磁閥斷電）。

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解題方法

本題為申論題，若僅零散條列名詞，分數將落在及格邊緣。獲取高分的解題切入點應採取**「系統性對比分析法」**：

1. 分開論述、對比鮮明：將「操作系統功能」與「保護裝置功能」各自拆解，並明確區分「蒸汽渦輪」與「燃氣渦輪」因工作介質與機構不同所衍生之特有需求。
2. 層次分明：

• 操作系統依「程序控制（啟動/暖機/加速）」、「操縱換向（前進/後退）」及「控制權限轉移」層層展開。
• 保護裝置依「全機致命性跳脫（Shutdown）」與「設備預警性減載（Slowdown/Alarm）」分級說明。

3. 緊扣熱工與結構特徵：

• 蒸汽渦輪著重在：主操縱閥控制、後退渦輪互鎖、排汽真空維護、軸向位移防護。
• 燃氣渦輪著重在：掃氣與點火程序、壓氣機防喘振（Surge）、可變螺距螺槳（CPP）合調控制、高溫燃氣（EGT）與熄火防護。

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試題分析（申論題答題架構）

本題非選擇題，考卷評閱著重考生對「控制邏輯」與「安全防護等級」之掌握度。考生易失分處在於將「柴油機的保護邏輯」套用至渦輪機，或忽略兩者倒俥機制的本質差異。答題架構規劃如下：

• 第一部分（操作系統功能）：分別列出蒸汽渦輪與燃氣渦輪之操作控制功能，並特別點出換向推進的實踐方式（蒸汽後退閥門 vs. CPP/逆轉齒輪箱）。
• 第二部分（保護裝置功能）：分別列出二者之自動跳脫（Trip）條件與自動降載（Slowdown）功能，點出如「超速切斷」、「潤滑油低壓」、「轉子軸向位移」、「高溫／失火」等核心參數。
• 第三部分（共同安全規範）：補充緊急就地停機與控制權限階層，展現完整的船規素養。

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解題技巧與應考陷阱

1. 倒俥（Astern）機制的陷阱：

• 蒸汽渦輪主機運轉方向單一，後退操作需透過開啟專用的「後退渦輪（Astern Turbine）進汽閥」，操作系統必須具備「前進閥與後退閥之機械／電氣互鎖」，防止兩閥同時開啟。
• 燃氣渦輪主機轉向固定且排氣量龐大，無法設置後退渦輪，通常搭配「可變螺距螺槳（Controllable Pitch Propeller, CPP）」或「電力推進／逆轉齒輪箱」。因此燃氣渦輪的操作系統必須整合「燃油供應量與螺槳螺距之聯合控制（Combinator Control）」。

2. 盤車裝置（Turning Gear）聯鎖：

• 渦輪機啟動前與停車後皆須盤車以防轉子受熱不均彎曲。操作系統必須具備：盤車齒輪未脫開前，絕對禁止主蒸汽／燃油進入主機之安全聯鎖。

3. 記憶口訣：

• 操作功能：「啟、暖、調、逆、聯」（啟動程序、暖機升溫、調速穩態、逆轉換向、聯鎖控制）。
• 保護功能：「速、油、位、溫、熄」（超速跳脫、滑油低壓、軸向位移、高溫失真、燃氣熄火）。

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【答案】

控制蒸汽渦輪主機與燃氣渦輪主機之操作系統與保護裝置，其核心功能分項說明如下：

一、操作系統（Operating & Control System）之功能

操作系統負責自待機狀態至全速航行過程中的程序控制、狀態調節與工況轉換：

1. 蒸汽渦輪主機操作系統之功能：

• 暖機與滾動程序控制：在進汽運轉前，自動配合盤車裝置（Turning Gear）執行預暖，並在盤車齒輪脫開後控制少量進汽進行低速慢轉（Rolling），避免轉子因熱應力造成熱彎曲。
• 進汽與操縱閥調節控制：透過主操縱閥（Ahead/Astern Maneuvering Valves）精確調節進入高壓渦輪之蒸汽流量，平滑控制轉速與負載變化，避免鍋爐汽壓劇烈震盪。
• 前後退互鎖與換向控制：控制前進節流閥與後退渦輪節流閥之開度。系統必須具備防呆互鎖功能，前進閥開啟時後退閥必須強制關閉（反之亦然），並配備防汽蝕保護與後退制動控制。