112 高普考高考三級 汽車工程 汽車動力機 考古題詳解

核心觀念

本題考查內燃機之**空氣標準熱力學循環（Air-Standard Cycles）**的狀態變化過程與幾何繪圖。在熱力學與汽車動力機分析中，內燃機實際運轉的進氣、壓縮、燃燒膨脹與排氣過程，被簡化為封閉系統之可逆熱力過程。

考生須掌握以下四個熱力過程的狀態方程式與在 $P$-$V$ 平面上的曲線幾何特性：

1. 可逆絕熱（等熵）過程（Isentropic Process, $s = \text{const}$）： 滿足方程式： $P V^k = \text{常數}$ （其中 $k = C_p / C_v$ 為比熱比，空氣常溫下約為 $1.4$）。在 $P$-$V$ 圖上呈現向右下方遞減且下凹的平滑曲線，其斜率為： $\left(\frac{dP}{dV}\right)_s = -k \frac{P}{V}$
2. 定容（等容）過程（Isochoric Process, $v = \text{const}$）： 在 $P$-$V$ 圖上表現為垂直於橫軸的直線（斜率為無窮大）。
3. 定壓（等壓）過程（Isobaric Process, $P = \text{const}$）： 在 $P$-$V$ 圖上表現為平行於橫軸的水平直線（斜率為 $0$）。
4. 循環做功方向： 熱機正循環的狀態變化方向一律為順時針方向，圍成閉合面積即為循環之淨做功量（Net Work Output, $W_{net} = \oint P dV$）。

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解題方法與循環 $P$-$V$ 圖繪製

一、Otto 循環（四行程火星點火式汽油引擎之理想循環）

Otto 循環由兩個等熵過程與兩個定容過程組成，其燃燒加熱與排氣放熱皆在瞬間完成，容積保持不變。

1. 各狀態熱力過程說明

• 過程 $1 \to 2$（等熵壓縮）：活塞由下死點（BDC, $V_1$）移至上死點（TDC, $V_2$），氣體被可逆絕熱壓縮，壓力與溫度急遽升高，滿足 $P_1 V_1^k = P_2 V_2^k$。
• 過程 $2 \to 3$（定容加熱）：火星塞點火燃燒，視為由外界定容加入熱量 $Q_{in}$。活塞暫留於上死點（$V_2 = V_3$），壓力暴增至最高壓力 $P_3$。
• 過程 $3 \to 4$（等熵膨脹 / 動力行程）：高溫高壓氣體推動活塞由上死點（$V_3$）向下死點（$V_4$）作可逆絕熱膨脹做功，滿足 $P_3 V_3^k = P_4 V_4^k$。
• 過程 $4 \to 1$（定容放熱）：排氣門開啟，缸內廢氣定容排出（熱量 $Q_{out}$ 釋出至冷槽），容積維持不變（$V_4 = V_1$），缸內壓力驟降回初壓 $P_1$。

2. 幾何容積關係

• 壓縮比：$r = \frac{V_1}{V_2}$
• 膨脹比：$r_e = \frac{V_4}{V_3}$
• 特性：$r_e = r$（膨脹比等於壓縮比，$V_1 = V_4$ 且 $V_2 = V_3$）。

3. Otto 循環 $P$-$V$ 圖

 P (壓力)
 ^
 | 3 (最高溫壓點)
 | *
 | /|
 | Qin | / |
 | v / |
 | / |
 | 2 |
 | | |
 | | | * 4
 | | | |
 | | | | v Qout
 | | | |
 | 1----+--+-------->
 +--------+----+------------> V (容積)
 TDC BDC
 (V2) (V1)
 (V3) (V4)

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二、理想 Diesel 循環（四行程壓縮點火式柴油引擎之理想循環）

柴油引擎因壓縮比極高，燃料噴入高溫空氣中自燃。在活塞剛由上死點下行初期，燃料持續噴注燃燒，吸熱過程維持定壓。

1. 各狀態熱力過程說明

• 過程 $1 \to 2$（等熵壓縮）：空氣自下死點（$V_1$）被等熵壓縮至上死點（$V_2$），缸內溫度超過柴油自燃點。
• 過程 $2 \to 3$（定壓加熱）：噴油嘴持續噴油自燃，活塞開始微幅下行，氣體容積膨脹的同時燃燒吸熱（$Q_{in}$），缸內壓力維持定值（$P_2 = P_3$）。點 3 稱為燃油截止點（Cut-off point）。
• 過程 $3 \to 4$（等熵膨脹 / 動力行程）：停止噴油後，燃燒氣體自容積 $V_3$ 繼續可逆絕熱膨脹至下死點（$V_4$）對外做功。
• 過程 $4 \to 1$（定容放熱）：排氣門開啟，缸內工作流體在下死點定容放熱（$Q_{out}$），壓力迅速降至 $P_1$（$V_4 = V_1$）。

2. 幾何容積關係

• 壓縮比：$r = \frac{V_1}{V_2}$
• 截止比（Cut-off ratio）：$r_c = \frac{V_3}{V_2} > 1$
• 膨脹比：$r_e = \frac{V_4}{V_3} = \frac{V_1}{V_3} = \frac{r}{r_c} < r$（膨脹比小於壓縮比）。

3. 理想 Diesel 循環 $P$-$V$ 圖

 P (壓力)
 ^
 | Qin
 | 2 ------> 3 (P2 = P3，定壓加熱)
 | / \
 | / \
 | / \
 | / * 4
 | / |
 | / | v Qout
 |1 |
 +----+------------+--+-----> V (容積)
 TDC (V3) BDC
 (V2) (V1=V4)

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三、理想 Atkinson 循環（古典理想超膨脹循環）

核心觀念

本題旨在測驗內燃機（汽油機）燃燒學中不正常燃燒（Abnormal Combustion）之「爆震（Knock / Detonation）」現象及其電子控制技術：

1. 汽油機爆震的物理與化學本質：四行程火星點火（SI）引擎中，正常燃燒係由火星塞引燃並以次音速火焰傳播（約 $15 \sim 30\text{ m/s}$）。若燃燒室末端未燃混合氣（End-gas）在正常火焰波前尚未到達前，因承受壓縮與已燃氣體膨脹擠壓帶來的高溫高壓，使其自燃滯燃期（Induction Time / Ignition Delay $\tau$）小於火焰傳遞至該處所需之時間，末端氣體將產生自燃（Auto-ignition）。自燃引發極高之局部壓力突增與超音速壓力震波（$1000\text{ m/s}$ 以上），在燃燒室壁間來回震盪，產生金屬敲擊聲與高週波振動。
2. 爆震反饋控制原理：現代電子控制單元（ECU）利用閉迴路控制（Closed-loop Control），以點火提前角（Spark Advance Timing）為主要調控變數。當偵測到爆震訊號時，立即延遲點火角（退角，Retard）；當爆震消失後，逐步提前點火角（進角，Advance）逼近最佳燃油經濟與扭矩之爆震臨界點（Knock Borderline）。
3. 感測器匹配原理：利用壓電效應（Piezoelectric effect）偵測汽缸體特定頻率之加速度振動，並搭配曲軸／凸輪軸角度感測器開闢「偵測視窗（Knock Detection Window）」，實施個別汽缸獨立控制。

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解題方法

1. 子題 (一) 剖析切入點：

• 採「熱力與化學反應動力學微觀成因」出發，定義末端氣體自燃機制。
• 系統化歸納導致未燃氣體「溫度過高、壓力過大、時間過長、抗爆性不足」之實務運轉與幾何因素（點火時間、壓縮比、空燃比、進氣條件、積碳、燃油辛烷值等）。

2. 子題 (二) 剖析切入點：

• 依「感知 $\to$ 判斷 $\to$ 控制執行」之閉迴路架構回答原理：偵測特徵頻率（一般約 $5 \sim 8\text{ kHz}$）$\to$ 視窗濾波比較閾值 $\to$ 階躍退角 $\to$ 斜坡進角恢復。
• 詳列核心感測器（壓電式爆震感測器）之構造與量測原理，並指明協同決定曲軸相位與負載條件之輔助感測器（CKP、CMP、MAP/MAF 等），展現全面性工程架構。

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選項分析

本題為高考工程類科之申論論述題，非選擇題型。針對子題配分之得分架構分析如下：

• 子題 (一) 配分重點（10 分）：
• 機制定義（4 分）：明確點出「末端未燃混合氣（End-gas）」受未燃壓縮與高溫輻射影響，在火焰到達前發生「自燃（Auto-ignition）」產生衝擊波。
• 影響因子（6 分）：涵蓋設計面（高壓縮比、不良燃燒室幾何）、運轉調整面（點火過早、引擎過熱、稀薄混合氣）與燃料面（辛烷值過低、積碳熱點）。
• 子題 (二) 配分重點（10 分）：
• 控制原理（6 分）：必須寫出 ECU 閉迴路控制、特徵頻率帶通濾波、爆震時間視窗（Knock Window）、以及「偵測到爆震時快速退角、爆震終止時緩慢進角」之閉迴路閉環邏輯。
• 感測裝置（4 分）：以「壓電式爆震感測器（Piezoelectric Knock Sensor）」為主體，寫出壓電陶瓷與共振／非共振型式，並輔以曲軸位置感測器以達成「汽缸判缸識別」。

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解題技巧

1. 專有名詞精準度：切記區分「爆震（Knock/Detonation）」與「表面著火／早燃（Pre-ignition）」。早燃是火星塞點火前由熱點引燃，屬於無控制的先期著火；爆震是火星塞點火後「末端混合氣自燃」，兩者常相互誘發但機理不同，答題應精確陳述末端混合氣（End-gas）。
2. 控制邏輯階梯圖思維：在文字中展現動態響應——退角通常是「即時且大幅（如每次 $1^\circ \sim 2^\circ$ CA）」，進角則是「平緩而遞增（如每隔數十個循環前進 $0.2^\circ \sim 0.5^\circ$ CA）」，此種非對稱調節速度可避免引擎反覆劇烈爆震。
3. 視窗效應（Knock Window）：爆震只發生在上死點（TDC）後燃燒膨脹初期（約 $10^\circ \sim 50^\circ$ ATDC），說明 ECU 僅在此曲軸轉角開窗取樣，可彰顯工程實務鑑別度（過濾汽門開閉等機械雜訊）。

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【答案】

(一) 產生爆震的原因

汽油引擎之爆震（Knock）屬於異常燃燒現象，其生成機制與運轉誘發原因詳述如下：

1. 基本發生機制（末端氣體自燃理論）：

• 正常燃燒時，火星塞在壓縮上死點前跳火，火焰呈均勻球狀波前以約 $15 \sim 30\text{ m/s}$ 之燃燒速度向外擴展。
• 隨著已燃氣體膨脹，未燃之**末端混合氣（End-gas）**受到急遽壓縮與輻射加熱，其局部的溫度與壓力急遽攀升。

核心觀念

本題旨在評量考生對**汽油引擎進氣口噴射系統（Port Fuel Injection, PFI）**之硬體致動原理與電子控制單元（ECU）噴油量計量策略的專業理解，核心考點包含：

1. 流體孔口流動與電磁閥致動原理：噴油器本質為一由電磁線圈驅動之高精密孔口閥門。在定壓差條件下，噴油量直接取決於針閥開啟之持續時間，即噴射脈衝寬度（Injection Pulse Width, $T_{\text{inj}}$）。 根據孔口流量公式： $\dot{m}_f = C_d A \sqrt{2 \rho_f \Delta P}$ 單次噴射燃油質量為： $m_f = \dot{m}_f \times (T_{\text{inj}} - T_{\text{dead}})$ 其中，$C_d$ 為流量係數、$A$ 為噴孔截面積、$\rho_f$ 為燃油密度、$\Delta P = P_{\text{fuel}} - P_{\text{manifold}}$ 為噴油器前後有效壓差、$T_{\text{dead}}$ 為電磁針閥克服慣性與線圈充電所需之無效噴射時間（Dead Time / Latency）。
2. 基本噴射脈寬與狀態補正：ECU 透過空氣流量計（MAF）或進氣歧管絕對壓力感知器（MAP）搭配引擎轉速感知器（CKP）計算進氣質量，依據理論空燃比（$\text{AFR} = 14.7:1$）計算基本噴油時間（$T_{\text{base}}$），再依各感知器信號施加乘法與加法補正。
3. 開迴路（Open-Loop）與閉迴路（Closed-Loop）控制架構：在不同工況（冷車、怠速、巡航、加速、全負荷、減速）下，切換理論空燃比閉迴路反饋或動力/保護導向之開迴路增濃/斷油模式。

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解題方法

本題為高普考典型之申論說明題，作答應採「先機械/電磁致動架構，次數學控制邏輯，後分工況詳述策略」的三段演繹法：

1. 基本工作原理：

• 繪製或以文字條列電磁線圈、針閥、回位彈簧、噴孔之作動時序。
• 說明燃油系統「定壓差維持機制」（燃油壓力調節器與進氣歧管負壓連通），確立「脈寬等比於噴油量」之物理前提。

2. 總噴油脈寬計算公式： $T_{\text{inj}} = T_{\text{base}} \times K_{\text{total}} + T_{\text{dead}}$ 列出統整公式，作為後續工況控制之量化基礎。
3. 不同引擎運轉情況下之控制： 依引擎運轉生命週期與駕駛需求分類說明：

• 起動與暖機工況（冷車濃化、開迴路）
• 部分負荷與穩定巡航（化學計量比、含氧感知器閉迴路、STFT/LTFT修正）
• 加速與重負荷/全開節氣門（WOT濃化、進氣壁濕補正）
• 減速工況（減速斷油、回油平滑補正）

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選項分析

本題為國家考試專業科目申論題，非選擇題。針對各運轉工況之控制特徵與運作模式，比對分析如下：

運轉工況	控制模式	空燃比（$\text{AFR}$）目標	主要依據感知器	控制手段與物理目的
冷車起動 (Cold Start)	開迴路	極濃 ($2:1 \sim 8:1$)	冷卻水溫感知器 (ECT)、轉速 (CKP)	低溫下汽油不易蒸發且歧管壁冷凝嚴重，大幅增加脈寬以確保氣缸內輕質油氣達到可燃下限。
暖機過程 (Warm-Up)	開迴路	隨水溫上升漸稀 ($10:1 \sim 14.7:1$)	冷卻水溫感知器 (ECT)	水溫上升，壁面蒸發條件改善，逐步減少暖機增濃倍率（$K_{\text{tw}}$ 遞減），維持運轉平穩。
怠速與輕中負荷巡航	閉迴路	理論空燃比 ($\approx 14.7:1, \ \lambda = 1.0$)	含氧感知器 ($\text{O}_2$/AFR)、MAF/MAP、節氣門位置 (TPS)	以含氧感知器訊號計算短期燃油修正（STFT）與長期燃油修正（LTFT），確保三元觸媒轉換器維持最高淨化效率。
急速加速 (Acceleration)	開迴路	偏濃 ($12.5:1 \sim 13.5:1$)	節氣門位置變化率 ($d\text{TPS}/dt$)、MAP 變化率	補償進氣歧管壁濕（Wall-wetting）動態延遲，並輸出額外加速扭力；通常採用非同步噴射或脈衝疊加。
全負荷 (WOT / Power Enrichment)	開迴路	動力空燃比 ($12.0:1 \sim 12.8:1$)	TPS（全開）、MAF/MAP（高進氣量）	獲取最大輸出功率（最高動力混合比），同時藉由過量液態燃油汽化吸熱以降低排氣溫度，保護排氣閥與觸媒。
減速行駛 (Deceleration Fuel Cut-off)	開迴路	$\text{AFR} \to \infty$（停止供油）	TPS（怠速接點閉合）、高轉速 (CKP)、歧管高真空	當轉速高於設定閾值且節氣門關閉時，噴油脈寬降為 0，達到節省燃油、防止觸媒過熱及增強制動效果。

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解題技巧

1. 切勿遺漏「無效噴射時間（$T_{\text{dead}}$）」：噴油嘴開啟受電磁感應線圈充電時間及針閥機械慣性延遲影響，電瓶電壓愈低，延遲愈長。回答時必須指出 ECU 會監測電瓶電壓並給予電壓補正（$T_{\text{batt}}$），方能展現答題深度。
2. 鎖定「定壓差」假設：PFI 系統藉由燃油壓力調節器將油軌壓力固定在比進氣歧管高約 $2.5 \sim 3.5 \text{ bar}$ 的定值。若未提及此點，則無法在物理上直接論證「脈衝寬度正比於噴油量」。
3. 明確區分閉迴路與開迴路條件：全開節氣門（WOT）、冷車、減速斷油時，含氧感知器皆退出反饋，轉由開迴路控制；只有在正常工作溫度且負荷穩定時才進入閉迴路反饋控制。

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【答案】

一、進氣口噴射式噴油器（PFI）之基本工作原理

1. 結構組成： 進氣口噴射式噴油器安裝於進氣歧管末端、朝向進氣門背部。主要零件包含濾網、磁軛、電磁線圈（Solenoid Coil）、動鐵芯（柱塞）、針閥（Needle Valve）、回位彈簧與微孔噴嘴盤。
2. 工作物理歷程：

核心觀念

本題測驗「全複合油電混合動力系統（Full Hybrid Electric Vehicle, FHEV）」的動力匹配原理、能源管理策略（Energy Management System, EMS）與工作模式切換。核心考點包含：

1. 原動機特性互補：

• 汽油引擎：最佳有效燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption, BSFC）集中於中高轉速與中高負載區域；低速與低負載時泵氣損失與熱損失大、熱效率低。
• 電動馬達：於零轉速即可輸出額定最大扭矩，低速高負載區運轉效率極佳；但在高速運轉時受反電動勢（Back-EMF）限制且弱磁控制損耗增加。

2. 串並聯複合動力架構（動力分割系統，Power Split Device）：透過行星齒輪機構結合引擎、發電機（MG1）與驅動馬達（MG2），根據車速與行駛阻力，靈活切換「純電驅動」、「雙動力合流」與「能量回充」等動力流向。

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解題方法

1. 比較引擎與馬達運轉優點：從「轉速－扭矩特性曲線」、「熱效率／能量轉換效率區間」、「動態響應與怠速能耗」及「功能多樣性（動能回收）」切入，具體條列兩者優點，彰顯混合動力互補之必要性。
2. 剖析四種運行模式：針對起步、中高速、加速／爬坡與煞車四個工況，分別詳述：

• 引擎狀態（熄火、工作點維持在阿金森循環之高熱效率區、全開負載）。
• 馬達／發電機狀態（MG2 驅動、MG1 發電調速、電能回充）。
• 高壓動力電池之能量流動方向（放電、充電或待機）。

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選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。各子題評分著重於「動力流向是否正確」及「控制邏輯是否切中最佳燃油經濟性」。

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解題技巧

1. 答題口訣：「低速馬達避低效、高速引擎走定點、爬坡加速雙動力、煞車減速全回充」。
2. 關鍵專業名詞鋪陳：論述引擎時提及「阿金森循環（Atkinson Cycle）」與「BSFC 最適工作線」；論述馬達時強調「零轉速峰值扭矩」與「再生制動（Regenerative Braking）」，閱卷評分更具說服力。
3. 避免混淆系統架構：不可將全複合系統（Full Hybrid）誤答為無純電驅動能力的輕型油電（Mild Hybrid），亦不可答成引擎僅能發電的純串聯式架構。

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【答案】

一、引擎及馬達各自運轉的優點

(一) 汽油引擎運轉之優點

1. 中高速巡航時具備高熱效率：油電車多搭配阿金森循環（Atkinson Cycle）引擎，利用膨脹比大於壓縮比的特性，於中高轉速、中負荷定速巡航時，運轉在 BSFC 最佳工作點，可發揮最佳燃油經濟性。
2. 長途續航力強且能量密度高：汽油的化學能能量密度遠高於動力電池（約為現代車用鋰電池的數十倍），持續高功率輸出時無電量耗盡之疑慮，利於長途連續行駛。
3. 廢熱可用於車室空調暖房：引擎運轉產生之高溫冷卻水可直接導流至車內暖氣散熱芯，寒冷環境下毋需額外消耗電能啟動電熱器或高耗能熱泵系統。

核心觀念

本題旨在測驗汽車傳動系統中「四輪驅動（Four-Wheel Drive, 4WD / All-Wheel Drive, AWD）」的機械特性、動力傳遞原理，以及「差速器（Differential）」與「差速鎖定（Differential Lock）」的控制機制：

1. 輪胎抓地力極限（摩擦圓理論，Kamm's Friction Circle）： 輪胎能提供的總附著力受限於最大靜摩擦力 $F_{\max} = \mu F_z$（其中 $\mu$ 為摩擦係數，$F_z$ 為輪胎垂直載重）。輪胎總力向量為縱向力（驅動／制動力 $F_x$）與側向力（轉向力 $F_y$）的向量合成： $F_x^2 + F_y^2 \le (\mu F_z)^2$ 四輪驅動將引擎動力分攤至四個車輪，各輪所需負擔之縱向驅動力 $F_x$ 明顯下降，因而保留了更多的側向附著裕度（$F_y$），顯著提高動態循跡性與過彎穩定度。
2. 開放式差速器（Open Differential）之傳動缺陷： 對稱傘齒輪式差速器在理想狀態下遵循左右輪「等扭矩輸出」原則（$T_L = T_R$）。當一側車輪陷入泥沼或冰雪路面打滑時，該側摩擦係數趨近於零，阻力矩極小；由平衡關係可知，另一側具有抓地力的車輪亦僅能獲得與打滑側相同之微小扭矩，導致車輛動能流失、受困於原地。
3. 差速鎖定（Differential Lock）之功用： 透過剛性結合機構（機械爪、滑套或電控液壓離合器）將差速器箱與半軸（或將兩側半軸／前後傳動軸）強制鎖定，消除轉速差（$\omega_1 = \omega_2$），解除等扭矩限制，使引擎動力直接依地面阻力分配至有抓地力的車輪以脫困。

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解題方法

本題為經典的傳動學申論題，解題結構應層次分明、直切要點：

1. 優點分析：從物理抓地性能（摩擦圓）、加速性能、行車安全性（濕滑路面）、越野脫困能力及牽引載重等面向展開。
2. 缺點分析：從機構本體出發，剖析重量增加（簧下與總重）、機械傳動損耗（燃油經濟性）、製造成本／維護難度，以及傳統分時四驅在鋪裝路面轉向時所伴隨的「緊煞效應（Tight Corner Braking Effect）」。
3. 差速鎖定功能與原理說明：先點出「開放式差速器打滑即失動力」的致命傷，再明確闡述差速鎖定的「工作原理（剛性鎖合）」、「轉速與扭矩重新分配方式」，以及中央差速鎖與軸間差速鎖在實務上的功能效益。

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選項分析

本題為專業科目申論題，非選擇題，故無個別選項之正誤辨析。評分要點在於各項論點之學理依據是否完整、工程專有名詞使用是否精確。

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解題技巧

1. 破除等扭矩迷思：考生最常犯的觀念錯誤是誤以為開放式差速器會「把扭矩傳給轉得快的打滑輪」。事實上，差速器傳遞的是「相同扭矩」，但打滑輪因為地面抓不住，反作用力矩極低，進而限制了全軸的扭矩上限。說明差速鎖定時，務必強調「轉速相等、扭矩依抓地阻力分配」。
2. 缺點切勿只寫「耗油、車重」：國家考試答卷時，務必補上「轉向干涉／緊煞效應（Tight Corner Braking Effect）」以及「轉動慣量增加與傳動阻力」，能展現高階考生對傳動機構幾何學的深入理解。

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【答案】

一、四輪驅動（4WD/AWD）車輛之優點