110 高普考高考三級 輪機技術 內燃機 考古題詳解

核心觀念

完全燃燒時，碳轉為 $CO_2$、氫轉為 $H_2O$，題目指定硫轉為 $SO_2$。每莫耳燃料所需理論氧氣量為

$$n_{O_2,\mathrm{st}}=n_C+\frac{n_H}{4}+n_S$$

燃料空氣當量比定義為

$$\phi=\frac{(F/A)_{\mathrm{actual}}}{(F/A)_{\mathrm{st}}} =\frac{(A/F)_{\mathrm{st}}}{(A/F)_{\mathrm{actual}}}$$

因此 $\phi=0.6$ 表示實際供氣量是理論空氣量的 $1/0.6$ 倍，屬於稀薄燃燒，產物中會有剩餘氧氣。

解題方法與計算

以 $1\ \mathrm{kmol}$ 燃料為基準，並採用燃燒計算常用空氣組成 $O_2+3.76N_2$。

（一）理論計量空燃比

燃料化學式為 $C_{14.2}H_{24.2}S_{0.15}$，完全燃燒反應可寫為

$$C_{14.2}H_{24.2}S_{0.15} +a(O_2+3.76N_2) \rightarrow 14.2CO_2+12.1H_2O+0.15SO_2+3.76aN_2$$

由氧原子平衡，所需氧氣莫耳數為

$$a=14.2+\frac{24.2}{4}+0.15=20.40\ \mathrm{kmol\ O_2/kmol\ fuel}$$

所以理論空氣量為

$$n_{\mathrm{air,st}}=20.40(1+3.76) =97.104\ \mathrm{kmol\ air/kmol\ fuel}$$

燃料分子量為

$$M_f=14.2(12)+24.2(1)+0.15(32) =199.4\ \mathrm{kg/kmol}$$

每 $1\ \mathrm{kmol}$ 理論空氣的質量為

$$M_{\mathrm{air}}=32+3.76(28)=137.28\ \mathrm{kg/kmol\ O_2}$$

因此理論空燃比為

$$(A/F)_{\mathrm{st}} =\frac{20.40[32+3.76(28)]}{199.4} =14.04\ \mathrm{kg\ air/kg\ fuel}$$

（二）$\phi=0.6$ 時的 $SO_2$ 排放濃度

實際供應氧氣量為

核心觀念

本題考查柴油機的排氣量、四衝程引擎制動功率、平均活塞速度、摩擦平均有效壓力，以及機械效率。

• 排氣量為所有汽缸的掃氣容積總和。
• 四衝程引擎每一汽缸每兩轉完成一次工作循環，因此制動功率可由制動平均有效壓力計算。
• 平均活塞速度為活塞每分鐘往返行程總長度。
• 機械效率為制動功率與指示功率之比；在平均有效壓力表示下，$\eta_m=\mathrm{bmep}/(\mathrm{bmep}+\mathrm{fmep})$。

解題方法

已知汽缸數 $z=8$、缸徑 $D=0.120\ \mathrm{m}$、衝程缸徑比 $S/D=1.2$，故衝程為

$$S=1.2D=1.2(0.120)=0.144\ \mathrm{m}$$

（一）排氣量

總排氣量為單缸掃氣容積乘以汽缸數：

$$V_d=z\frac{\pi}{4}D^2S =8\frac{\pi}{4}(0.120)^2(0.144) =0.01303\ \mathrm{m^3}$$

因 $1\ \mathrm{m^3}=1000\ \mathrm{L}$，

$$V_d=0.01303(1000)=13.03\ \mathrm{L}$$

（二）制動馬力（kW）

四衝程引擎每汽缸每兩轉作功一次，因此每秒作功循環數為 $N/120$。制動功率為

$$P_b=\mathrm{bmep}\times V_d\times\frac{N}{120}$$

代入 $\mathrm{bmep}=861\ \mathrm{kPa}=861000\ \mathrm{Pa}$、$N=2000\ \mathrm{rpm}$：

$$P_b=861000(0.01303)\frac{2000}{120} =186.9\ \mathrm{kW}$$

（三）摩擦平均有效壓力

先求平均活塞速度：

核心觀念

排氣渦輪增壓機利用柴油機排氣的能量帶動渦輪，渦輪與壓縮機裝在同一根軸上；渦輪轉動後，壓縮機將較高密度的空氣送入汽缸，增加每循環可供燃燒的空氣量，因而提升柴油機的功率與效率。

本題考查兩項觀念：一是增壓器轉速無法隨引擎負載瞬間改變所造成的渦輪遲滯；二是可變幾何渦輪如何藉由調整渦輪入口的有效流道面積，改善不同轉速與負載下的增壓性能。

解題方法

（一）渦輪遲滯的原因

渦輪遲滯（turbo lag）是指引擎負載或油門增加後，增壓壓力不能立即上升，造成增壓供氣與引擎需求之間的時間差。作答可從「能量來源、轉子慣性、氣體流動與控制限制」逐層說明：

1. 渦輪依賴排氣能量 排氣渦輪的動力來自柴油機排出的高溫、高壓氣體。負載突然增加時，噴油量雖先增加，排氣流量、溫度與可用能量仍須隨燃燒及排氣過程逐步上升，因此渦輪不能立即取得足夠功率。

2. 轉子具有慣性 渦輪與壓縮機共用轉軸，轉子組有轉動慣量。其轉速變化須由淨轉矩驅動，可用下式表示： $J\frac{d\omega}{dt}=T_{\mathrm{turbine}}-T_{\mathrm{compressor}}-T_{\mathrm{loss}}$ 其中 $J$ 為轉子組轉動慣量，$\omega$ 為轉速。排氣渦輪轉矩增加後，轉子仍需時間加速到新的平衡轉速。

3. 進氣增壓需要建立時間 壓縮機轉速上升後，壓縮空氣仍須經過管路與中冷器進入進氣歧管，逐步建立所需的增壓壓力及空氣質量流率。進氣系統容積、流阻及壓力波傳遞都會增加反應時間。

4. 低轉速時可用排氣能量較少 在低轉速或低負載下，排氣流量及焓較低，渦輪輸出功率有限；引擎加速初期仍處於增壓不足的狀態，進一步延緩增壓器升速。

5. 配合引擎保護的限制 柴油機的噴油與增壓器匹配通常須避免增壓尚未建立時過量供油，以免燃燒不完全、排煙增加或排氣溫度過高。供油限制雖可保護引擎，卻也使負載瞬變時的扭矩反應受到約束。

核心觀念

排氣含氧感測器又稱氧感知器（oxygen sensor），裝在汽油引擎排氣管或排氣歧管上游，量測廢氣中的氧含量，將訊號送給電子控制單元（ECU）。它不是直接量測空燃比，而是藉由判斷排氣含氧量，推知混合氣相對於理論空燃比是偏稀或偏濃。

汽油完全燃燒的理論空燃比約為 $14.7:1$（空氣與汽油的質量比，實際數值隨燃料成分而變），此時過量空氣係數 $\lambda=1$。氧感知器主要協助 ECU 在理論空燃比附近修正噴油量，使引擎兼顧燃燒效率與廢氣後處理效果。

解題方法

本題可從「感測器提供什麼資訊」及「ECU 如何運用資訊」兩個層次作答，再說明其對廢氣排放控制的影響。

一、感測與訊號回饋

常見的窄域氧感知器以氧化鋯為感測元件，利用感測元件兩側氧濃度差產生電壓訊號。其輸出在理論空燃比附近變化陡峭：混合氣偏濃、排氣含氧量低時，輸出電壓偏高；混合氣偏稀、排氣含氧量高時，輸出電壓偏低。ECU 依此判斷燃燒狀態，形成閉迴路燃料控制。

二、燃料計量控制

ECU 先依進氣量、引擎轉速、負荷、冷卻水溫等資料計算基本噴油量，再以氧感知器訊號修正：

• 排氣偏稀：氧感知器顯示排氣含氧量高，ECU 增加噴油量，使混合氣轉濃。
• 排氣偏濃：氧感知器顯示排氣含氧量低，ECU 減少噴油量，使混合氣轉稀。

核心觀念

本題考查柴油機氣缸襯套與活塞環之間的磨耗機制，以及造成這些磨耗的操作與維護因素。襯套內表面長期承受活塞環往復滑動、燃燒高溫高壓及燃燒產物作用；正常時，氣缸油形成油膜以減少直接接觸並中和酸性物質。當油膜保護不足，或磨粒、酸性冷凝物進入接觸面，就會加速襯套材料損失。

主要磨耗型態可歸納為：

1. 磨粒磨耗：硬質顆粒刮削襯套表面。
2. 黏著磨耗（擦傷、咬缸）：油膜破裂後，活塞環與襯套表面直接接觸，局部黏著並撕裂材料。
3. 腐蝕磨耗：酸性燃燒產物凝結或中和能力不足，使襯套表面受到化學侵蝕。
4. 疲勞與異常接觸磨耗：接觸壓力、振動或受力分布異常，造成表面剝落或局部磨耗。

解題方法

可由「磨耗機制」切入，再列出各機制背後的成因，並說明成因如何破壞油膜、增加磨粒或引起腐蝕。作答時須避免只羅列名詞；每項原因都要連結到襯套表面的磨耗方式。

一、潤滑不良與油膜破裂

氣缸油供給量不足、油品黏度或鹼值選用不當、油孔或潤滑器堵塞、油分布不均，均會使活塞環與襯套間的油膜變薄或中斷。啟動、低速運轉、負荷突變及高溫操作時，油膜較難維持，金屬表面容易直接接觸，造成黏著磨耗、擦傷，嚴重時發展為咬缸。

氣缸油過量也會造成沉積物或油泥，妨礙活塞環活動與油膜分布，並可能導致環槽積碳、環卡滯，使環與襯套接觸不均而局部磨耗。

二、燃油與進氣中的硬質磨粒

燃油淨化、過濾不良，或進氣濾清器失效，使砂塵、金屬屑、催化劑細粉等硬質顆粒進入氣缸。顆粒夾在活塞環與襯套之間，會刮傷表面，形成縱向溝痕，屬於磨粒磨耗。活塞環或襯套本身剝落的硬質碎屑，也可能成為磨粒，進一步加劇磨耗。

三、燃燒產生酸性物質造成腐蝕磨耗

含硫燃油燃燒後會形成含硫氧化物，與水分結合形成酸性物質。當襯套表面溫度低於酸性物質的凝結條件，酸液會凝結於缸壁；若氣缸油鹼值不足或供油不足，無法有效中和酸性物質，襯套表面便會腐蝕、形成腐蝕坑，再由活塞環滑動將腐蝕產物帶走，造成腐蝕磨耗。