113 高普考高考二級 機械工程 內燃機 考古題詳解

核心觀念

本題考四行程引擎的制動平均有效壓力（bmep）與制動熱效率。bmep 是由曲軸輸出功換算成每循環、每單位總排氣容積的平均壓力；四行程引擎每兩轉完成一次工作循環。制動熱效率則是曲軸輸出功率與燃料輸入熱功率的比值。

解題方法

（一）制動平均有效壓力

四行程引擎每汽缸每循環轉兩圈，因此總排氣容積為 $V_{d,\mathrm{tot}}=8V_d$ 時，每循環的制動功為 $W_b=p_{bm}V_{d,\mathrm{tot}}$。每分鐘工作循環數為 $N/2$，故：

由扭矩求制動功率：

代入功率式，並取 $V_d=0.09\ \mathrm{m^3}$、$N=1500\ \mathrm{rpm}$：

換算為 bar：

核心觀念

本題考查四行程引擎與動力系統常用名詞的定義、物理意義及判讀方式。作答時應先指出各參數比較的對象，再說明其對引擎性能或運轉特性的意義。

解題方法

（一）容積效率 $e_v$

四行程引擎在一個工作循環中，汽缸理論上可吸入的空氣體積，等於引擎排氣量；實際吸入的空氣量則受進氣阻力、汽門正時、轉速及進氣溫度等因素影響。容積效率定義為實際吸入空氣量與理論吸入空氣量之比：

若以質量流率表示，四行程引擎每兩轉完成一次進氣循環，故：

其中 $\dot m_a$ 為空氣質量流率、$\rho_a$ 為基準進氣空氣密度、$V_d$ 為引擎總排氣量、$N$ 為曲軸每秒轉數。容積效率提高，表示在相同排氣量與轉速下吸入的空氣較多，通常有利於提升可供燃燒的燃料量與輸出功率。自然進氣引擎的容積效率常低於 1；增壓引擎因進氣密度提高，則可大於 1。

（二）複合電動車（HEV）

HEV 是同時搭載內燃機與電動馬達，並以電池等儲能裝置供應馬達電力的車輛。內燃機與馬達可依車輛需求分別或共同提供驅動力；車輛減速或煞車時，馬達可作為發電機回收部分動能，儲存於電池中。

HEV 的動力配置可分為串聯式、並聯式及混聯式。其電池主要由車載發電機及再生煞車充電，通常不需像插電式複合電動車（PHEV）般以外接電源充電。透過引擎與馬達協同運作，可改善部分工況的燃油經濟性並降低排放。

（三）制動熱效率 $\eta$

制動熱效率是引擎在曲軸端輸出的有效功率，相對於燃料化學能輸入率的比值：

核心觀念

掃氣是指在排氣行程末期，以新鮮空氣或新鮮混合氣將汽缸內的燃燒廢氣排出的過程。二行程引擎的排氣與進氣會在活塞接近下死點時短暫重疊，因此掃氣的目的在於：

• 排出汽缸內的燃燒廢氣，降低殘留廢氣比例。
• 補入新鮮充量，提升下一循環可燃混合氣的量與燃燒品質。
• 增進引擎的容積效率與輸出性能，並協助汽缸散熱。

解題方法：以曲軸箱預壓式引擎說明

下圖為常見的曲軸箱預壓式二行程引擎簡圖。新鮮混合氣先進入曲軸箱，再由活塞下行加壓，經掃氣口送入汽缸。

 排氣口 → 排出燃燒廢氣
 ┌──────────────┐
 │ ↑ ↗ │
 │ 新鮮混合氣 │
 │ │
 │ ┌────┐ │
 │ │活塞│ ↓ │
 ├────┴────┴────┤
 │排氣口 掃氣口│
 └───────────↑──┘
 │
 曲軸箱內受壓混合氣

掃氣過程如下：

1. **活塞下行、排氣口開啟：**燃燒膨脹推動活塞下行；活塞先開啟排氣口，汽缸內高壓廢氣先排出。
2. **掃氣口開啟：**活塞繼續下行，曲軸箱內的新鮮混合氣受壓，經掃氣口進入汽缸。
3. **新鮮混合氣掃除廢氣：**新鮮混合氣在汽缸內形成掃氣流，推擠殘留廢氣由排氣口排出。
4. **活塞上行、關閉各口：**活塞上行後依序關閉掃氣口與排氣口，汽缸內的新鮮充量開始壓縮；同時曲軸箱形成低壓，吸入下一循環的新鮮混合氣。

解題技巧

作答時掌握「先排氣、後進氣，進入的新鮮充量把廢氣推出」即可說明掃氣的基本目的與順序。掃氣效率也受流場影響；若新鮮混合氣直接由排氣口逸出，會造成短路損失，因此掃氣流向須盡量有效地置換廢氣。

第三題（二）：氨氣密度

核心觀念

視氨氣為理想氣體，使用理想氣體方程式：

核心觀念

渦輪增壓機利用引擎排氣的能量帶動渦輪，再以同一根轉軸帶動壓縮機，將較多空氣送入汽缸。增加進氣密度後，每一循環可吸入較多空氣，因而能配合增加燃油量，提高引擎輸出。

簡圖與運作過程

新鮮空氣 → [壓縮機] →（冷卻器）→ 增壓進氣 → 引擎
 │
 └────── 共用轉軸 ──────┐
 │
引擎排氣 →（廢氣旁通閥）→ [渦輪] → 排氣

1. 引擎排出的高溫、高壓廢氣流經渦輪，使渦輪葉輪旋轉。
2. 渦輪與壓縮機由共用轉軸連接，因此渦輪旋轉時，壓縮機同步旋轉。
3. 壓縮機吸入外界空氣並提高其壓力，將增壓空氣送入進氣歧管；冷卻器可降低壓縮後空氣的溫度，增加其密度。
4. 進入汽缸的空氣質量增加後，可燃燒較多燃油，提升引擎功率。
5. 增壓壓力過高時，廢氣旁通閥可讓部分排氣繞過渦輪，以調節渦輪轉速及增壓壓力。

渦輪側排氣與壓縮機側新鮮空氣是分開的，兩者只透過轉軸傳遞機械功，不會在正常運作下混合。

解題技巧

圖中要清楚畫出兩條氣流：一條是「引擎排氣帶動渦輪」，另一條是「壓縮機壓縮新鮮空氣送往引擎」。再以共用轉軸連接渦輪與壓縮機，即可呈現工作原理。常見失分點是把渦輪與壓縮機畫成直接混合氣體，或漏畫兩者間的轉軸。

（二）汪克爾引擎（Wankel engine）

核心觀念

核心觀念

雙循環由五個過程組成：等熵壓縮、定容加熱、定壓加熱、等熵膨脹、定容放熱。熱效率定義為

其中定容過程的熱量變化為 $c_v\Delta T$，定壓過程為 $c_p\Delta T$；等熵過程則使用 $TV^{\gamma-1}=\text{常數}$。

解題方法

以 $V_2$ 為比容座標基準，狀態點座標如下。由壓縮比 $r=V_1/V_2=17$，狀態 1、5 的 $V/V_2$ 均為 17；狀態 2、3 為 1；狀態 4 則為截止比 $\beta=1.31$。

 P/P₁
 ↑
 │ 3 ───────── 4
 │ │ ╲
 │ │ ╲
 │ 2 5
 │ ╲ │
 │ ╲ │
 │ ╲ 1
 └────────────────────────────→ V/V₂
 1 1.31 17

圖中 1→2 為等熵壓縮；2→3 為定容加熱；3→4 為定壓加熱；4→5 為等熵膨脹；5→1 為定容放熱。示意圖未按比例繪製。

由等熵壓縮關係：

其中 $T_1=36+273.15=309.15\ \mathrm{K}$，故

定壓加熱時 $T_4/T_3=V_4/V_3=\beta$，因此

狀態 4→5 為等熵膨脹，且 $V_5/V_2=r$、$V_4/V_2=\beta$：