111 高普考高考三級 輪機技術 內燃機 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評量考生對內燃機兩大核心架構——火花點火引擎（Spark Ignition Engine, SI Engine，即汽油引擎）與壓縮點火引擎（Compression Ignition Engine, CI Engine，即柴油引擎）——在基本熱力循環（Otto cycle 與 Diesel/Sabathé cycle）、混合氣形成機制、點火燃燒熱力學歷程，以及「異常燃燒（爆震）」微觀機理上的根本差異。

主要考點概念涵蓋：

1. 進氣充填物與混合氣形成原理：均質混合氣（Homogeneous charge）預混模式與非均質擴散充填模式。
2. 燃料輸送與霧化系統：低壓/高壓進氣道或歧管噴射（Port Fuel Injection, PFI）、缸內直噴（Gasoline Direct Injection, GDI）與柴油極高壓缸內燃油噴射系統（Common Rail / Unit Injector）。
3. 點火機制：外部給予局部活化能（電弧火花點火）與絕熱壓縮超越柴油自燃溫度（Auto-ignition temperature）之自主壓縮著火。
4. 燃燒異常與爆震機理（Knock Mechanism）：末端氣體（End-gas）提前自燃，與著火延遲期（Ignition delay period）過長引發之急劇壓力上升率（$\frac{dp}{d\theta}$）。

---

解題方法

本題為標準的對比分析題型。作答時應避免發散敘述，採取「系統化四大構面比較矩陣」切入，針對題目所明確指定的四大要點逐項深度剖析，並自「發生時機」、「物理化學機制」、「影響參數（辛烷值 vs. 十六烷值）」深入說明爆震本質，方能取得滿分評分標準。

---

選項分析

本題為公職專技高考試題（申論問答題），無選擇題選項。依題旨評分指標，將汽油引擎與柴油引擎於四大核心構面進行深度逐項分析如下：

一、進氣行程時進入氣缸的物質

1. 汽油引擎（SI Engine）：

• 傳統與主流歧管噴射（PFI）：進氣行程吸入的是**「汽油與空氣均勻預混之混合氣」**（均質混合氣，Homogeneous mixture）。節氣門開度調節進入的混合氣總量（以質控制量）。
• 缸內直噴（GDI）：進氣行程僅吸入**「純空氣」**，汽油延後至進氣行程中後期或壓縮行程才直接噴入氣缸。但在熱力學基本分類與傳統內燃機分類考題中，汽油機基本充填特徵仍以「吸入可燃混合氣」為代表。

2. 柴油引擎（CI Engine）：

• 在進氣行程中，進氣閥打開，氣缸內**「僅吸入純空氣（新鮮空氣）」**。柴油引擎無節氣門阻流，進氣量保持充沛，燃燒主要依靠噴油量進行質調節（Quality governing）。

二、燃料進入氣缸的方式

1. 汽油引擎：

• 進氣道／歧管噴射（PFI / 化油器）：燃油在進入氣缸前即在進氣歧管或進氣門背面以相對低壓（約 $3 \sim 5\text{ bar}$）噴出，利用進氣流剪切蒸發，隨氣流在進氣行程中流經進氣閥進入氣缸。
• 缸內直噴（GDI）：利用高壓噴油嘴（約 $100 \sim 350\text{ bar}$）直接噴入燃燒室內。

2. 柴油引擎：

• 高壓直接噴射：柴油絕不預混。在**壓縮行程接近上死點（TDC 前數度至十數度）**時，高壓噴油泵或共軌系統（Common Rail）以極高壓（約 $200 \sim 2500\text{ bar}$）將柴油經多孔噴油嘴直接霧化噴入燃燒室之高溫高壓壓縮空氣中，形成液滴微粒並進行微觀蒸發擴散。

三、點火源之差異

1. 汽油引擎（火花點火，Spark Ignition）：

• 依賴外部點火裝置——火星塞（Spark Plug）。
• 在壓縮行程末期，火星塞電極間隙被施加數萬伏特高壓電，擊穿空氣產生電火花（電弧），釋放熱活化能強制點燃周圍之混合氣，隨後藉由正常火焰波前（Flame front）向外穩定傳播燃燒。

2. 柴油引擎（壓縮點火，Compression Ignition）：

• 無外加火星塞，依賴「高壓縮比之壓縮熱自燃」。

核心觀念

本題考查輪機工程中「柴油機本體結構設計」的核心理論，重點在於區分**筒型活塞機（Trunk Piston Engine）與十字頭式柴油機（Crosshead Engine）**在運動機構、潤滑機制、熱負荷與動力學特徵上的本質差異。涉及之關鍵物理與工程觀念如下：

1. 運動機構與受力傳遞（側推力 Side Thrust）：

• 筒型活塞機無十字頭導板，活塞裙兼作滑塊，直接承受連桿擺動之側推力 $F_N$： $F_N = F_p \tan \beta$ （其中 $F_p$ 為燃氣推力與往復慣性力之合力，$\beta$ 為連桿擺角）。
• 十字頭機設有活塞桿與十字頭導板，側推力由十字頭滑塊承受，活塞只做單純之垂直直線往復運動。

2. 往復慣性力與旋轉速度關係：

• 往復慣性力 $F_i \approx m \cdot r \cdot \omega^2 (\cos \theta + \lambda \cos 2\theta)$。慣性力與角速度平方 $\omega^2$ 成正比。高轉速對往復質量 $m$ 的輕量化要求極為嚴格。

3. 潤滑架構與空間隔離：

• 筒型機曲軸箱與汽缸相通，潤滑採全損與循環混合；
• 十字頭機藉由橫隔板（Diaphragm）與活塞桿填料函（Stuffing Box）將燃燒室／掃氣室與曲軸箱完全隔離，汽缸採獨立專用注油器。

---

解題方法

本題為經典比較型申論題，切入點應鎖定「結構差異」與「成因推導」之因果對應。解題架構採「四大系統維度」深入剖析：

1. 活塞總成與連接結構（裙部、銷／桿設計） $\to$ 從機構受力與側推力分配說明成因。
2. 活塞環組態設計（氣環、油環配置） $\to$ 從曲軸箱隔離與汽缸潤滑機制說明成因。
3. 活塞材質選用與壁厚 $\to$ 從轉速慣性力與熱負荷／燃油耐蝕性說明成因。
4. 冷卻介質與輸送方式 $\to$ 從缸徑尺寸、空間限制與熱應力消除說明成因。

---

選項分析

本題為高考三級申論題，非選擇題，故無選項對錯辨析。考生在作答申論題時，切忌僅以列點條列零碎組件，必須將「結構特徵（What）」與「運轉成因（Why）」成對闡述，方能取得滿分評分標準。

---

解題技巧

1. 四大答題對比關鍵詞：

• 裙部長短：中高速長裙（抗側推力） vs. 低速極短裙（無側推力、僅遮蔽掃氣口）。
• 活塞環數：中高速設有油環（刮油防止燒機油） vs. 低速無油環（曲軸箱由填料函完全隔離，汽缸用注油器定量注油）。
• 銷與桿件：中高速設有活塞銷孔與活塞銷 vs. 低速無銷孔，直接用法蘭螺栓連接活塞桿。
• 材料輕重：中高速重輕量化（鋁合金或組合式） vs. 低速重大剛性與抗高溫硫蝕（厚合金鋼頂）。

2. 常見失分陷阱：

• 陷阱一：誤以為大型二行程引擎尺寸龐大，因此活塞裙也「特別長」。實際上因設有十字頭承擔側推力，二行程大型機活塞裙非常短，僅作為輔助導向與防止下死點時排／掃氣竄氣。
• 陷阱二：漏寫「油環（刮油環）」的配置差異。是否配置刮油環是閱卷委員評定考生是否具備專業輪機系統觀念的關鍵分水嶺。

---

【答案】

中、高速四行程柴油機與大型低速二行程柴油機在活塞設計上存在顯著差異，其對照比較與設計原因詳細說明如下：

一、 活塞結構與功能設計差異對照表

比較項目	中、高速四行程柴油機	大型低速二行程柴油機
機構型式	筒型活塞（Trunk Piston）	十字頭式（Crosshead Type）
活塞裙（Skirt）長度	較長，直徑／長度比值小	極短，僅具裙環或導向帶
連接機構	活塞裙內部開有銷孔，裝設活塞銷（Gudgeon Pin）連接連桿小端	無活塞銷孔，活塞冠底部直接藉由螺栓固定於活塞桿（Piston Rod）

核心觀念

本題聚焦於船舶大型柴油主機（Main Propulsion Diesel Engine）之氣動／電子操控系統（Maneuvering and Control System）的系統定義、硬體架構，以及海事法規與國際船級協會（如中國驗船中心 CR、SOLAS 公約）對推進主機遠距操控與自動化系統之可靠性、安全連鎖（Interlocking）、失效安全（Fail-safe）與控制站權限管理之強制性技術規範（以命題當年民國 111 年適用之《鋼船建造與入級規範》及 SOLAS Chapter II-1 Reg. 31 為準）。

---

解題方法

本題為標準的申論綜合題，配分通常為 20 至 25 分。答題切入點應分為兩大核心骨幹：

1. 定義與功能界定：不可僅回答單一零件（如調速器或起動閥），應由系統工程觀點，說明操控系統是整合「命令輸入、邏輯判斷、動力執行、狀態回饋」之機、電、氣、液一體化系統，並明確列舉其五大操作功能（起動、換向、調速、正常停車、應急處置）。
2. 可靠性之基本要求（評分核心）：依據輪機工程實務與驗船規範，歸納為五大面向條列論述：

• 嚴密的安全連鎖保護（Interlock）（防止機械干涉與誤操作）。
• 多控制站層級與切換權限（確保機側現場之應急最高優先權）。
• 動力源（氣／電／液）之充足性與備援。
• 動態響應與操作性能（換向敏捷度、避開臨界轉速區）。
• 失效安全（Fail-safe）與極限保護機制（Slowdown / Shutdown）。

---

解題技巧

1. 關鍵字精準度：閱卷委員著重專業術語，答題務必包含：盤車機連鎖（Turning Gear Interlock）、換向與凸輪軸連鎖、點火轉速連鎖、機側應急操縱（Local Emergency Control）、失效安全（Fail-safe）、臨界轉速禁區（Barred Speed Range）、超速跳脫（Overspeed Trip）。
2. 常見答題陷阱：

• 誤將「操控系統」窄化為「電子噴射系統」或「調速器系統」。
• 忽略「控制站轉換原則」（駕駛台 Bridge、機艙控制室 ECR、機側 Local 之切換與權限衝突處置）。
• 忽略啟動空氣系統在規範上的容量與壓力限制儲備。

---

【答案】

一、船舶柴油主機操控系統之定義與功能

船舶柴油主機操控系統（Marine Diesel Engine Maneuvering and Control System）是指接收來自駕駛台（Bridge）、機艙集中控制室（ECR）或機側操縱台（Local Control Station）的運行指令，透過氣動、電子、液壓及機械邏輯迴路與執行機構，對主機之運轉狀態進行遠距或就地控制、監測與安全防護的完整控制體系。

其核心功能涵蓋：

1. 起動（Starting）：按點火順序向氣缸內依序供應壓縮空氣，驅動曲軸旋轉加速至最低發火轉速。
2. 換向（Reversing）：改變凸輪軸與曲軸的相對相位（或改變電控主機之噴油與排氣閥定時），使主機具備正車（Ahead）與倒車（Astern）的運轉能力。
3. 調速（Speed Governing）：依指令調節噴油泵供油齒條（或電控共軌噴射閥），配合調速器維持設定轉速並防止超速。
4. 停車與制動（Stopping & Braking）：迅速切斷燃油供應，並在緊急狀況下實施衝程氣體反接制動以縮短停車時間。
5. 應急操控（Emergency Maneuvering）：在遠距遙控或自動化失效時，提供完全獨立的旁路手動操控途徑。

---

二、保證操控系統可靠工作之基本要求

依據國際海上人命安全公約（SOLAS）及驗船協會規範（以民國 111 年規範為準），為確保主機在任何海況下均能安全、可靠、精確地響應指令，操

核心觀念

本題為內燃機熱力學與動力性能評定的經典考題，測驗考生對缸內作功過程、示功圖（Indicator Diagram）解析及引擎性能參數之掌握。核心觀念涵蓋：

1. 平均指示壓力（Indicated Mean Effective Pressure, IMEP，符號為 $p_i$ 或 $P_{mi}$）之定義：作用於活塞頂部之假想恆定壓力，其在一個工作行程容積中所作之功，等於該循環實際氣體所作之指示功。
2. 指示功（Indicated Work, $W_i$）與工作容積（Displacement, $V_s$）之關係： $p_i = \frac{W_i}{V_s}$
3. 示功圖測繪原理：利用機械或電子示功器取得 $p-V$ 圖（壓力－容積圖），藉由封閉面積求得循環淨指示功。
4. 引擎指示性能關聯式： $p_i = \rho_a \cdot \eta_v \cdot \frac{Q_{LHV}}{\alpha \cdot L_0} \cdot \eta_i$ 式中 $\rho_a$ 為進氣密度、$\eta_v$ 為充氣效率（容積效率）、$Q_{LHV}$ 為燃油低發熱量、$\alpha$ 為過量空氣係數、$L_0$ 為理論空氣量、$\eta_i$ 為指示熱效率。

---

解題方法

本題屬於申論問答題，作答時須依題意拆解為四個子題，並以條理化與工程數學定義嚴謹呈現：

1. 定義說明：先給出明確的工程物理定義，並列出數學定義式 $p_i = \frac{W_i}{V_s}$，強調「假想」、「恆定」與「等功」三大要素。
2. 量測與計算推導：

• 區分「傳統機械示功器」與「現代電子式示功器」之量測原理。
• 寫出以示功圖面積 $A$、長度 $L$、彈簧常數 $k$ 計算平均高度與壓力的標準公式 $p_i = \frac{A}{L} \cdot k$。
• 補充連續數值積分式 $W_i = \oint p \, dV$。

3. 性能指標定位：精確指出其為評定柴油機「熱力循環完善程度」與「缸內作功能力（熱負荷與動力潛能）」之指標，非軸輸出端指標。
4. 影響因素分析：利用熱力學能量關聯式，自「充氣（空氣量）」、「供油（燃油量及品質）」、「燃燒（指示熱效率）」與「氣缸密封性」四大維度全盤分析。

---

選項分析

本題為公職專技申論問答題，無選擇題選項。申論題型之作答關鍵在於避免缺漏子題，各要點配分皆有對應之評分標準，須依序作答。

---

解題技巧

1. 公式引導理論：說明「影響因素」時，切忌只憑直覺條列；若能先寫出 $p_i = \rho_a \cdot \eta_v \cdot \frac{Q_{LHV}}{\alpha \cdot L_0} \cdot \eta_i$，再逐一解釋各參數的物理意義與實務影響，立即可獲閱卷老師高分。
2. 注意「指示（Indicated）」與「制動／有效（Brake）」之區別：平均「指示」壓力純粹考量氣缸內燃燒氣體對活塞頂作功，尚未扣除活塞環摩擦、軸承摩擦及驅動泵浦等機械損耗。切勿與平均有效壓力（$p_e$）混淆。
3. 單位一致性：示功器彈簧刻度 $k$ 的單位通常為 $\text{bar/mm}$ 或 $\text{MPa/mm}$，示功圖高度為 $\text{mm}$，相乘即得壓力單位 $\text{bar}$ 或 $\text{MPa}$。

---

【答案】

一、平均指示壓力（IMEP, $p_i$）之定義

平均指示壓力是指柴油機在一個完整工作循環中，假想作用在活塞頂部且大小維持不變的平均氣體壓力。 此假想壓力在活塞移動一個衝程工作容積（$V_s$）時所作的功，恰好等於該循環內氣缸氣體對活塞所作的實際指示功（$W_i$）。 其數學關係式為： $p_i = \frac{W_i}{V_s} \quad (\text{Pa 或 bar})$

---

核心觀念

本題評量船用大型低速二行程柴油主機之「進排氣與增壓系統（Scavenging and Turbocharging System）」運作原理及熱力學與機械防護機制，涵蓋以下核心觀念：

1. 排氣能量回收與壓縮原理：利用排氣高溫、高壓之動能與焓降（Enthalpy drop）推動渦輪機（Turbine），同軸帶動離心式壓氣機（Compressor）壓縮環境新鮮空氣。
2. 二行程主機換氣特性與增壓目的：二行程柴油機無獨立的進氣與排氣行程，換氣必須依靠具有正壓差的「掃氣（Scavenging）」過程；透過增壓提升充氣質量，提高平均有效壓力（BMEP）與輸出馬力。
3. 充量空氣冷卻原理（空氣冷卻器）：氣體受壓升溫導致密度降低，依理想氣體狀態方程式 $\rho = \frac{P}{R T}$，經等壓冷卻降低進氣溫度 $T$，以大幅增加空氣密度 $\rho$ 並減輕燃燒室熱負荷。
4. 濕空氣熱力學與露點防蝕（氣水分離器）：增壓空氣經冷卻降溫至露點（Dew point）以下析出液態水霧，若不排除將破壞氣缸潤滑油膜，並與燃油燃燒產物（硫化物）結合形成低溫硫酸腐蝕（Cold corrosion）。

---

解題方法

本題為標準的輪機工程專業申論題，答題架構應採邏輯層層遞進之結構化剖析：

1. 剖析排氣渦輪增壓機原理：依「氣體路徑」說明能量轉換（廢氣動能/熱能 $\to$ 渦輪轉子機械能 $\to$ 同軸壓氣機葉輪 $\to$ 新鮮空氣壓力能與動能）。
2. 闡述使用增壓機之目的：由柴油機動力公式 $P_e = \frac{p_{me} \cdot V_s \cdot n}{60}$ 切入，分析質量充填率、掃氣驅動力、引擎小型化及降低油耗率（SFOC）等效益。
3. 論證加裝空氣冷卻器（Air Cooler）之必要性：從熱力學角度（密度恢復、燃燒改善）與機械安全角度（降低燃燒室組件熱應力）切入。
4. 論證加裝氣水分離器（Water Mist Catcher）之必要性：從凝結水成因（溫降至露點以下）出發，申論液態水滴對氣缸油膜沖刷、拉缸風險、低溫硫酸腐蝕及葉片沖蝕之危害。

---

選項分析

本題為高考三級申論問答題，無單選或多選選項。評分重點聚焦於下列四大主軸之精準論述：

1. 增壓機原理論述：

• 柴油機氣缸排出的廢氣具有可觀之熱焓與動能，經排氣管導入渦輪端（Turbine），高速噴嘴環膨脹做功，推動渦輪高速旋轉（轉速常達每分鐘數千至上萬轉）。
• 渦輪軸帶動同軸之離心式壓氣機（Compressor / Blower），將自機艙吸入之空氣增壓提升壓力至 $0.25 \sim 0.45\ \text{MPa}$（絕對壓力約 $3.5 \sim 4.5\ \text{bar}$）。

2. 增壓機目的論述：

• 完成二行程掃氣循環：二行程柴油機無單獨進氣行程，必須依靠增壓後的掃氣壓力（$P_{\text{scav}}$）大於排氣背壓（$P_{\text{exh}}$），將氣缸內殘留廢氣掃除並充填新鮮空氣。
• 大幅提升輸出功率：在氣缸排量 $V_s$ 不變下，增加每循環進氣質量 $\dot{m}_{\text{air}}$，允許噴射燃燒更多燃油，使平均有效壓力 $p_{me}$ 顯著提高，大幅提高功重比（Power-to-weight ratio），使機體小型化。
• 改善熱效率與燃油消耗率（SFOC）：增加過剩空氣係數 $\lambda$，促進燃燒完全；同時將原先排入大氣的排氣能量回收，降低排氣損失。

3. 加裝空氣冷卻器之原因：

• 避免充量密度下降：壓氣機進行近似絕熱壓縮，出風溫度急劇升高至 $150^\circ\text{C} \sim 200^\circ\text{C}$；高溫使氣體膨脹、密度降低，抵消增壓效果。經冷卻器冷卻後（降至約 $35^\circ\text{C} \sim 45^\circ\text{C}$），密度 $\rho$ 顯著上升，同體積下充入更多氧氣質量。
• 降低燃燒室熱負荷：降低壓縮始點與最高燃燒溫度，大幅減輕氣缸套、活塞頭、排氣閥等燃燒室零件的熱應力（Thermal stresses），延長組件壽命並降低氮氧化物（$\text{NO}_x$）排放。

4. 加裝氣水分離器之原因：

• 冷凝水之產生：海洋環境進氣濕度極高，高壓增壓空氣在冷卻器降溫後，飽和含水量銳減，空氣達到飽和狀態並低於露點溫度，析出大量懸浮水霧與冷凝水。