115 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

壓縮比是汽缸內活塞由下死點移至上死點時，汽缸容積縮小的比例，表示引擎壓縮混合氣或空氣的程度。它是容積比，不是壓力比。

令：

• $V_s$：活塞排氣量（上、下死點間的掃氣容積）
• $V_c$：燃燒室容積（活塞位於上死點時，汽缸內的餘隙容積）
• $V_1$：活塞位於下死點時的汽缸總容積
• $V_2$：活塞位於上死點時的汽缸容積

則 $V_1=V_s+V_c$，$V_2=V_c$，壓縮比 $\varepsilon$ 為：

解題方法

本題分成兩部分作答：先以活塞兩死點間的容積定義壓縮比並列式，再比較汽油引擎與柴油引擎的點火方式，說明柴油引擎為何需要較高壓縮比。

例如，若某汽缸排氣量為 $500\ \text{cm}^3$，燃燒室容積為 $50\ \text{cm}^3$，則：

因此壓縮比為 $11:1$。這表示下死點時的汽缸總容積，是上死點時燃燒室容積的 11 倍。

柴油引擎需要較高壓縮比的原因

核心觀念

本題比較兩種汽油引擎供油方式：化油器是利用進氣氣流造成的壓力差，將燃油吸出並與空氣混合；噴射系統則以燃油泵建立壓力，再由噴油器將燃油定量噴入進氣道或汽缸。兩者的主要差異，在於燃油霧化、混合的位置，以及燃油量如何計量與控制。

解題方法

依序說明「燃油如何送到引擎」與「燃油量如何調整」：先交代燃油路徑與形成混合氣的原理，再指出決定供油量的控制因素，並補充不同工況下的修正方式。

（一）供油原理（15 分）

1. 化油器系統

燃油由燃油泵送入化油器浮筒室。浮筒與針閥控制進油，使浮筒室維持一定油面高度。引擎吸氣時，空氣流經化油器喉管（文氏管），喉管截面縮小使氣流速度增加、靜壓下降；浮筒室與喉管之間形成壓力差，燃油便經主量孔及噴油口進入氣流中，霧化後與空氣混合，再經進氣歧管進入汽缸。

化油器也設有不同工作油路，以因應運轉狀況：怠速與低負荷時由怠速系統供油；冷車起動時由阻風門使混合氣加濃；節氣門突然開大時由加速泵補充燃油；大負荷時由加濃系統增加供油。

2. 燃油噴射系統

燃油由油箱內或附近的電動燃油泵加壓，經燃油濾清器、燃油管路送至燃油軌。燃油壓力調整器維持適當的燃油壓力，噴油器則依控制訊號開啟，將燃油霧化噴出。

依噴射位置，可分為：

• 進氣歧管噴射：單點噴射將燃油噴入節氣門附近；多點噴射則由各汽缸的噴油器，將燃油噴在進氣門附近，與進入汽缸的空氣混合。
• 汽缸內直噴：噴油器直接將燃油噴入汽缸內，再與缸內空氣混合。

（二）進入汽缸之燃油量控制方式（10 分）

1. 化油器系統

化油器主要藉由燃油通道、量孔、節氣門及各工作油路，隨氣流與引擎工況改變供油量。

核心觀念

本題考查電子燃油噴射系統如何量測引擎進氣量。空氣流量感知器將進氣流量轉換成電氣信號，供電子控制單元（ECU）估算供油量。常見三種為翼板式（葉片式）、卡門渦流式及熱線式。

翼板式與卡門渦流式主要量測體積流量；熱線式直接量測空氣質量流量。體積流量若要換算成質量流量，還須考慮空氣密度，而密度會隨溫度與壓力改變。

三種感知器的工作原理

一、翼板式（葉片式）空氣流量感知器

進氣推動流量計內的彈簧負載翼板轉動。進氣量愈大，翼板偏轉角度愈大；翼板軸連動電位計，使輸出電壓隨翼板位置改變，ECU據此判定進氣量。

此型感知器以翼板開度反映進氣的體積流量。其特點是構造直觀、信號易讀取，但翼板會造成進氣阻力，且有活動機件，會有慣性、磨耗與回差等影響。

二、卡門渦流式空氣流量感知器

氣流通過流道中的渦流發生柱時，柱後會交替產生渦流。渦流發生頻率與流速相關，常以史特勞哈數關係表示：

其中，$St$為史特勞哈數，$f$為渦流頻率，$d$為渦流發生柱的特徵尺寸，$V$為氣流速度。在感知器幾何尺寸固定時，渦流頻率可用來推算流速，再換算體積流量。

感知器可利用光學元件或壓力感測元件偵測渦流，輸出通常為頻率或脈波信號。ECU依脈波頻率判定進氣量。

三、熱線式空氣流量感知器

熱線式利用加熱電阻絲與氣流之間的熱交換量測進氣。氣流愈大，帶走的熱量愈多；控制電路會調整熱線電流或加熱功率，使熱線維持設定溫度，再由維持該溫度所需的電流或電壓推算空氣質量流量。

以定溫式熱線感知器為例，輸出與熱線散熱量相關；其基本關係可用下式概念表示：

其中，$P$為維持熱線溫度所需的電功率，$\dot{m}_{a}$為空氣質量流量。實際輸出關係由感知器校正曲線決定，通常不是單純線性關係。部分感知器另設補償元件，用以修正進氣溫度變化的影響。

解題方法與三者信號精確性比較

核心觀念

柴油引擎排放污染物可依物理型態分成粒狀污染物與氣狀污染物。題目重點是辨認各類污染物，再將污染物配對到合適的後處理設備與作用原理。

常用縮寫：

• PM（Particulate Matter）：粒狀污染物。
• HC（Hydrocarbons）：碳氫化合物。
• CO（Carbon Monoxide）：一氧化碳。
• NOₓ（Nitrogen Oxides）：氮氧化物，主要包括 NO 與 NO₂。
• DOC（Diesel Oxidation Catalyst）：柴油氧化觸媒。
• DPF（Diesel Particulate Filter）：柴油微粒濾清器。
• SCR（Selective Catalytic Reduction）：選擇性觸媒還原系統。
• EGR（Exhaust Gas Recirculation）：廢氣再循環。

解題時先依污染物是粒狀或氣狀分類，再說明設備如何捕捉、氧化或還原污染物。柴油車常見後處理系統會將 DOC、DPF 與 SCR 組合使用。

解題方法

本題為說明題，宜依「污染物成分 → 主要設備 → 防制原理」作答。粒狀污染物以捕集微粒及再生氧化為主；氣狀污染物則以氧化 HC、CO，還原 NOₓ為主。另須說明 EGR 屬於引擎端的 NOₓ 控制方式，與排氣後處理設備有所不同。

（一）主要粒狀排放污染物、設備及原理

1. 主要粒狀污染物

柴油排氣中的粒狀污染物主要包括：

1. 碳煙／元素碳微粒：燃燒不完全形成的碳質微粒，是黑煙的主要來源。
2. 可溶性有機成分（SOF）：未燃或部分燃燒的燃油、潤滑油碳氫化合物，附著或凝結在微粒上。
3. 硫酸鹽及其他無機成分：燃油中的硫經氧化形成硫氧化物，部分可進一步形成硫酸鹽微粒；另有潤滑油添加劑燃燒後形成的灰分。

2. 主要防制設備：DPF

DPF 以多孔陶瓷或金屬濾材構成，讓排氣通過濾材，藉由濾材孔道捕集碳煙及其他微粒，使粒狀物留在濾器內、潔淨排氣通過。DPF 的主要作用是物理捕集，需搭配再生以避免微粒累積造成排氣背壓升高。

3. DPF 再生原理

再生是將濾器中累積的碳煙氧化，常見方式如下：

• 被動再生：利用排氣中的 NO₂ 或排氣熱量，使碳煙在較有利的條件下氧化。
• 主動再生：當微粒累積至一定程度，由引擎控制系統提高排氣溫度，例如採用後噴油等方式，促使碳煙燃燒。

概念反應可寫為：

濾器內的不可燃物，例如潤滑油添加劑形成的灰分，不能像碳煙一樣經再生氧化，仍需定期清除或維護。

4. DOC 對粒狀物的輔助效果