115 高普考高考三級 汽車工程 汽車電機與電控學 考古題詳解

核心觀念

本題是五個汽車工程名詞的定義題，重點在說明各名詞的功能、作用方式與系統界線。作答時，先給出精確定義，再補充目的、主要構成或典型應用；不宜只寫英文全名或舉例。

解題方法與名詞說明

（一）可變壓縮比（Variable Compression Ratio, VCR）

**定義：**引擎能依運轉狀況改變壓縮比的技術。內燃機的幾何壓縮比為汽缸總容積與燃燒室容積之比：

其中 $V_s$ 為活塞行程容積，$V_c$ 為活塞位於上死點時的燃燒室容積。VCR 系統會以可變連桿機構、可動汽缸頭或其他機械結構，改變活塞上死點位置或燃燒室容積，讓壓縮比可調。

**目的與控制原則：**在低負荷等不易爆震的狀況採較高壓縮比，以提升熱效率與燃油經濟性；在高負荷、增壓或爆震傾向較高時採較低壓縮比，以降低爆震風險並保留動力輸出。

**易混淆處：**VCR 改變的是幾何壓縮比；可變汽門正時或可變汽門揚程改變的是汽門操作特性，兩者不是同一技術。

（二）伺服控制電動機（Servo Control Motor）

**定義：**伺服控制電動機是伺服系統中的致動元件，接受控制器命令，驅動負載達到指定的位置、速度或轉矩。伺服系統通常包含控制器、驅動器、電動機及回授元件，例如編碼器或旋轉變壓器。

**控制方式：**控制器比較目標值與回授的實際值，依誤差調整電動機輸出，形成閉迴路控制。常見控制目標包括位置、速度與轉矩；常見伺服馬達有交流伺服馬達與直流伺服馬達。

**汽車應用：**可用於電子節氣門、電動座椅、頭燈調整、線控致動器及自動化生產設備等。

易混淆處：「伺服」描述的是具有命令與回授控制的系統功能，不代表某一種特定的馬達結構。只寫「能精確轉動的馬達」未說明回授控制，定義不完整。

（三）先進駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistance System, ADAS）

**定義：**ADAS 是利用感測器、電子控制器及致動器，監測車輛周遭或行駛狀態，並提供警示、控制輔助或緊急介入，以協助駕駛人降低事故風險的系統。

基本流程：

1. **感測：**攝影機、雷達、光達、超音波感測器及車輛動態感測器取得環境或車況資訊。
2. **判斷：**控制器融合感測資料，辨識車道、車輛、行人或障礙物，並判斷是否需要警示或介入。
3. **輸出：**透過聲光或觸覺警示，或控制煞車、轉向、動力等系統執行輔助動作。

**常見功能：**車道偏離警示、車道維持輔助、盲點偵測、前方碰撞警示、自動緊急煞車及主動車距控制巡航。

核心觀念

本題結合齊納二極體穩壓電路與理想反相運算放大器：

• 齊納二極體使左側節點電壓固定為 $V_Z=6\text{ V}$。
• 理想運算放大器且負回授正常工作時：
• 輸入端電流為零；
• 「虛接地」使反相端電壓等於同相端電壓。
• 同相端接地，因此反相端電壓為 $0\text{ V}$。

解題方法

（一）求輸出電壓 $V_O$

反相端電壓為

由齊納二極體穩壓，$R_2$ 左端電壓為 $6\text{ V}$，因此流經 $R_2$ 的電流為

由於理想運算放大器輸入端不吸收電流，這 $2\text{ mA}$ 必須經由回授電阻 $R_3$ 流向輸出端。

輸出端電壓為

亦可直接使用反相放大器公式：

（二）求電流 $I$

核心觀念

直流無刷馬達（Brushless DC Motor, BLDC）以電子換向取代有刷直流馬達的電刷與機械換向器。其定子繞組由電子驅動器依轉子位置依序通電，形成旋轉磁場；轉子上的永久磁鐵受到磁場吸引與排斥而連續轉動。

轉速控制的核心是調整馬達的平均端電壓或電流，常見方法包括脈波寬度調變（PWM）、改變直流母線電壓，以及調整換相頻率或電角頻率。

解題方法

本題為分項說明題，可依「構造與換相原理—優點—轉速控制方法」作答。說明換相時，應交代轉子位置如何被偵測，以及驅動器如何依位置切換定子相電流；說明轉速控制時，則要指出控制量如何影響平均電壓、電磁轉矩或旋轉磁場速度。

（一）直流無刷馬達之工作原理

直流無刷馬達主要由定子、轉子、轉子位置感測器（或無感測器位置估測電路）及電子驅動器組成。定子設有多相繞組，轉子通常裝有永久磁鐵。

馬達運轉時，位置感測器（常見為霍爾感測器）回報轉子磁極位置，驅動器依此控制功率開關，使定子各相繞組按適當順序通電。各相電流形成旋轉磁場，與轉子永久磁鐵的磁場產生吸引、排斥作用，形成電磁轉矩，使轉子持續旋轉。轉子轉過一定電角度後，驅動器再次切換導通相位，完成電子換相。

因此，BLDC 雖以直流電源供電，馬達繞組仍須由驅動器切換電流，才能形成連續旋轉磁場；其「無刷」是指以電子換相取代電刷及機械換向器。

（二）直流無刷馬達之優點

1. 維護需求低、壽命較長：沒有電刷與機械換向器，免除電刷磨耗及定期更換，也減少換向器接觸面磨損。

2. 效率較高：沒有電刷接觸造成的摩擦與電氣損失，且可由電子驅動器依運轉狀態控制電流，因此效率通常較高。

3. 轉速範圍廣、易於控制：驅動器可調整相電流與換相時序，便於控制轉速、轉矩及正反轉，也適合與自動控制系統整合。

核心觀念

本題考查含氧感知器如何回報排氣中的氧含量，以及引擎控制電腦（ECU）如何利用訊號修正空燃比、控制排放。作答時先說明感知器的功能，再依感測原理區分種類：氧化鋯型以電壓反映濃稀，二氧化鈦型以電阻變化反映濃稀，寬域型則以泵氧電流量測較廣範圍的空燃比。

空燃比常以過量空氣率 $\lambda$ 表示：

汽油理論空燃比約為 $14.7:1$；$\lambda=1$ 為理論空燃比，$\lambda<1$ 為濃混合氣，$\lambda>1$ 為稀混合氣。

解題方法

（一）功能及用途

含氧感知器安裝於排氣系統，感測排氣中殘餘氧量，將排氣狀態轉換成電壓、電阻或電流訊號，傳送至 ECU。ECU 將訊號與其他引擎資訊一併判讀，調整噴油量，使空燃比符合引擎運轉與排放控制需求。

主要功能及用途如下：

1. **空燃比回授控制：**判斷混合氣偏濃或偏稀，供 ECU 修正噴油脈波寬度；暖車後常以閉迴路控制使空燃比維持在適當範圍。
2. **降低排氣污染：**配合三元觸媒轉化器控制空燃比，使觸媒能有效處理一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）及氮氧化物（NOx）。
3. **改善燃油經濟性與運轉性能：**讓供油量配合負荷及運轉狀況，兼顧燃燒穩定、油耗與動力需求。
4. **監測排放控制系統：**觸媒前方的感知器常供空燃比回授使用；觸媒後方的感知器可協助 ECU 監控觸媒轉化效能及排放系統異常。

（二）常見種類及運作原理

1. 氧化鋯型窄域含氧感知器

感測元件主要為氧化鋯（$ZrO_2$）陶瓷，兩側設有電極，一側接觸排氣，另一側接觸參考空氣。元件須達工作溫度後，氧離子才可在陶瓷中移動。排氣與參考空氣之間的氧分壓差會形成電位差，產生感知器電壓，其原理可用能斯特（Nernst）電池說明。

排氣偏濃時，殘餘氧少，與參考空氣間的氧分壓差大，輸出電壓較高；排氣偏稀時，殘餘氧較多，輸出電壓較低。一般窄域氧化鋯感知器在理論空燃比附近會有明顯的電壓跳變，常見約為濃時 $0.8\sim0.9\text{ V}$、稀時 $0.1\sim0.2\text{ V}$，實際數值依車種及控制系統而異。