114 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

四行程壓縮點火引擎（柴油引擎）以活塞在汽缸內完成四個行程為一個工作循環。曲軸每轉兩圈、活塞上下往復四次，完成一次循環；其中只有膨脹行程產生主要動力。

壓縮點火的關鍵是：汽缸先吸入空氣，再將空氣高度壓縮，使其溫度升高；燃油於壓縮行程末期噴入汽缸，與高溫空氣接觸後自行著火，不需火星塞點火。

解題方法：依活塞行程與氣門狀態說明

判讀每一行程時，依序確認活塞運動方向、進排氣門開閉，以及汽缸內發生的作用。

1. 進氣行程：活塞由上死點（TDC）向下死點（BDC）移動，進氣門開啟、排氣門關閉。活塞下行使汽缸容積增加，空氣經進氣門進入汽缸。柴油引擎吸入的是空氣，不是預先混合好的油氣。

2. 壓縮行程：活塞由 BDC 向 TDC 移動，進氣門與排氣門均關閉。汽缸內空氣被壓縮，壓力與溫度上升。接近壓縮行程末期時，噴油器將燃油噴入高溫、高壓空氣中；燃油霧化、混合後自行著火。

核心觀念

本題考查引擎的排氣容積與壓縮比定義。單一汽缸的排氣容積 $V_d$，是活塞由上死點移至下死點所掃過的圓柱體積；壓縮比 $r$ 則是下死點時汽缸總容積與上死點時餘隙容積的比值：

題目雖給定 4 氣缸，但要求的是「每汽缸」容積，因此不需乘以汽缸數。

解題方法

（1）每汽缸排氣容積 $V_d$

汽缸截面積為 $\frac{\pi b^2}{4}$，乘上衝程 $s$ 即為活塞掃過的體積：

（2）每汽缸餘隙容積 $V_c$

由壓縮比定義：

核心觀念

辛烷值是衡量汽油抗爆震能力的指標。汽油引擎以火星塞點火，正常燃燒時，火焰由火星塞附近向外平順傳播；若未燃混合氣在火焰抵達前，因高溫、高壓而自行點燃，就會造成爆震。

辛烷值以標準燃料比較測定：異辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的辛烷值定為 100，正庚烷的辛烷值定為 0。試驗汽油若呈現與某一體積百分比異辛烷、其餘正庚烷所組成的參考燃料相同的抗爆震能力，其辛烷值即為該異辛烷體積百分比。例如辛烷值 90，表示其抗爆震能力相當於 90% 異辛烷與 10% 正庚烷的參考燃料；這是抗爆震能力的比較尺度，並不表示汽油實際上含有相同比例的兩種成分。

解題方法與燃燒特性

本題先說明辛烷值代表的燃料性質，再由爆震的成因推論辛烷值高低對燃燒的影響。關鍵是區分「抗爆震能力」與「燃料熱值」：辛烷值描述汽油抵抗未燃混合氣自燃的能力，並非汽油的能量含量或火焰傳播速度。

• **辛烷值較高：**汽油較能抵抗壓縮末期未燃混合氣的自燃，爆震傾向較低，燃燒較能依火星塞點火後的火焰傳播平順進行。引擎在設計允許下，可採用較高壓縮比或較大的點火提前角，以提升效率或輸出；

核心觀念

本題考查燃氣渦輪機用於船舶推進時的主要限制及改善方式。燃氣渦輪機的主要缺點是燃料消耗率較高，尤其在部分負荷運轉時效率下降明顯，因此推進經濟性通常不如柴油機。這與燃氣渦輪機的熱效率、壓縮機耗功，以及船舶長時間低負荷航行的運轉特性有關。

燃氣渦輪機的基本循環為布雷頓循環：空氣經壓縮機升壓後進入燃燒室，燃燒後的高溫燃氣推動渦輪作功。渦輪輸出功須先供應壓縮機，剩餘部分才可作為有效軸功；而在低負荷時，壓縮機仍須消耗相當比例的功率，故整體效率降低。

解題方法

作答時先指出「燃料消耗率高、低負荷效率差」這項主要缺點，再從回收排氣熱能與改善負荷匹配兩個方向說明改善方法：

1. 設置回熱器（再生器）：利用渦輪排氣的高溫預熱壓縮機出口空氣，減少燃燒室所需燃料熱量，降低燃料消耗率。

核心觀念

典型燃氣渦輪機燃燒室沿氣流方向可分為一次區（主燃燒區）、二次區（中間區）與稀釋區。這三區的設計目的，是在高速壓縮空氣中穩定燃燒、使燃燒完全，並將燃氣溫度調整至渦輪可承受的範圍。

燃燒室也須兼顧火焰穩定、燃燒完全、出口溫度分布均勻，以及降低壓力損失。

解題方法與各區功能

由燃燒室入口往渦輪出口依序說明三區，並標出燃油噴嘴、火焰穩定器及各區進氣孔，即可清楚呈現分區與作用。

1. 一次區（Primary zone） 燃油由噴嘴噴入，與部分壓縮空氣混合並點燃。旋流器或其他火焰穩定裝置形成回流區，使部分高溫燃氣回流，協助新鮮混合氣持續點燃。此區需維持適當的燃油空氣比，以穩定火焰並進行主要燃燒。

2. 二次區（Secondary／Intermediate zone） 加入額外空氣，使一次區尚未完全反應的燃料繼續燃燒，完成燃燒反應。此區也讓燃燒產物與空氣進一步混合。

3. 稀釋區（Dilution zone） 加入剩餘的稀釋空氣，降低燃氣溫度至渦輪入口所需範圍，並改善出口截面上的溫度均勻性，以保護渦輪葉片。

圖示