112 高普考高考三級 輪機技術 內燃機 考古題詳解

核心觀念

雙燃循環（Dual combustion cycle）先在定容下加熱，再在定壓下加熱。切斷比定義為定壓燃燒結束與開始時的體積比：

$$\rho=\frac{V_4}{V_3}=\frac{T_4}{T_3}$$

其中 $T_3$、$T_4$ 分別是定容燃燒結束、定壓燃燒結束時的溫度。兩段加熱量為：

$$Q_v=c_v(T_3-T_2),\qquad Q_p=c_p(T_4-T_3)$$

題目給出 $Q_p/Q_v=1.5$，但這只提供一個關係式；仍須知道燃燒前後的壓力比或溫度比等額外資料，才能唯一決定切斷比及熱效率。

解題方法

令定容燃燒後的溫度比為 $\alpha=T_3/T_2$。由切斷比定義，$T_4=\rho T_3=\rho\alpha T_2$。代入熱量比：

$$\frac{Q_p}{Q_v} =\frac{c_p(T_4-T_3)}{c_v(T_3-T_2)} =\frac{c_p}{c_v}\frac{\alpha(\rho-1)}{\alpha-1} =1.5$$

因此：

$$\rho=1+\frac{1.5}{k}\frac{\alpha-1}{\alpha} =1+\frac{1.5}{1.4}\left(1-\frac{1}{\alpha}\right)$$

核心觀念

船舶柴油主機之燃油消耗率，工程上通常以「制動比燃油消耗率」（Brake Specific Fuel Consumption, $BSFC$ 或 $b_e$）來衡量，定義為柴油機單位有效制動功所消耗之燃油質量：

$BSFC = \frac{\dot{m}_f}{P_e} = \frac{1}{\eta_e \cdot LHV} \quad (\text{g/kWh})$

其中：

• $\dot{m}_f$ 為每小時燃油消耗質量率（$\text{g/h}$）
• $P_e$ 為主機曲軸輸出之有效制動功率（$\text{kW}$）
• $LHV$ 為燃油之低位發熱量（Lower Heating Value，$\text{kJ/g}$）
• $\eta_e$ 為主機制動熱效率（Brake Thermal Efficiency，有效熱效率）

由公式可知，在燃油品質（$LHV$）固定的前提下，降低燃油消耗率之根本途徑為提高柴油機的制動熱效率 $\eta_e$。而 $\eta_e$ 可分解為指示熱效率 $\eta_i$ 與機械效率 $\eta_m$ 的乘積：

$\eta_e = \eta_i \cdot \eta_m = (\eta_{th} \cdot \eta_c \cdot \eta_{tr}) \cdot \eta_m$

其中 $\eta_{th}$ 為理想熱力循環效率、$\eta_c$ 為燃燒效率、$\eta_{tr}$ 為傳熱效率（冷卻與散熱控制）、$\eta_m$ 為機械效率。因此，降低燃油消耗率之實務方法，必須從「熱力循環優化」、「燃燒與噴射系統改良」、「進排氣增壓匹配」、「機械摩擦損失降低」、「廢熱回收利用（WHRS）」以及「運轉操作與維護管理」等維度著手。

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解題方法

本題為輪機工程核心申論題，作答時應以熱力學原理為骨幹，依序由主機本體設計與熱力循環、燃燒與控制技術、進排氣與廢熱回收，推進至運轉與管理實務，展現條理分明的系統性論述：

一、 熱力循環與本體結構設計優化

1. 加大行程缸徑比（超長行程化，Ultra-long Stroke）

• 現代二行程大型船用低速柴油機普遍採用極大之行程缸徑比（$S/D > 4.0$，如 MAN B&W G型機、WinGD X系列）。
• 增大行程可提高壓縮比與膨脹比，使氣缸內工質充分膨脹作功，降低排氣損耗；同時能搭配較大直徑、低轉速之高效螺旋槳，同步提升推進效率。

2. 提高最高爆發壓力（$P_{\max}$）與壓力比（$P_{\max}/P_{comp}$）

• 強化氣缸蓋、氣缸套、連桿及曲軸結構強度，適度拉高燃燒爆發壓力 $P_{\max}$，提高燃燒初期定容加熱比例，逼近卡諾循環（Carnot Cycle）之高效率特徵。

3. 採用米勒循環（Miller Cycle）技術

• 透過提早或延遲進（掃）氣閥關閉時機，使氣缸有效壓縮比小於膨脹比（超膨脹循環）。
• 此舉可降低壓縮終了溫度與爆發溫度以抑制 $\text{NO}_x$ 排放，同時維持甚至擴大膨脹作功行程，提升指示熱效率。

二、 電控燃油噴射與燃燒系統改良

1. 電控共軌燃油噴射系統（Electronic Fuel Injection）

• 取代傳統凸輪軸與機械式噴油泵，改用高壓電控伺服噴射技術（如 ME-C 或 RT-flex 機型）。
• 可依不同負載即時調整噴射壓力（高達 1000 bar 以上）、噴油定時（Variable Injection Timing, VIT）以及噴射率曲線（如微量預噴、多段噴射），在中低負荷下仍能使燃油徹底霧化，維持極高的燃燒效率 $\eta_c$。

2. 可變排氣閥正時與可變壓縮比（VVT / VCE）

• 藉由電控液壓精確控制排氣閥關閉時間（Variable Exhaust Valve Timing），在部分負荷時提早關閥以維持足夠的有效壓縮壓力與溫度，防止著火延遲過長，維持最佳熱效率。

3. 燃燒室外型與噴嘴匹配最佳化

• 採用淺碟型或優化幾何形狀之活塞頂，配合新型滑動閥式噴油嘴（Slide Fuel Valve），消除噴油嘴端部袋狀死區（Sac volume），避免殘油滴漏導致的不完全燃燒與積碳。

三、 進排氣與廢氣渦輪增壓系統改良

1. 高效廢氣渦輪增壓器（High-efficiency Turbocharger）

• 採用高增壓比、高總效率（$\eta_{TC} > 70\%$）之增壓器，提供充足的過剩空氣係數（Excess Air Ratio, $\lambda$），保證燃油完全燃燒，並降低排氣煙度。

2. 低負荷增壓匹配技術（Turbocharger Cut-out / Waste-gate）

• 在雙增壓器配置下，低速航行時氣動切除其中一台增壓器（TC Cut-out）；或使用廢氣旁通閥（Exhaust Gas Bypass, EGB），在低負荷時關閉旁通以引導全部廢氣推動渦輪，補足掃氣壓力，改善低工況下 $BSFC$ 劣化問題。

四、 減少機械摩擦與附屬設備消耗

1. 電控氣缸油注油系統（Alpha Lubricator / Pulse Lubrication）

• 依主機轉速與負荷精確計量注油，配合活塞環運動位置以脈衝方式噴注潤滑油，確保最佳油膜厚度，減少機械摩擦阻力，同時防止滑油過量引起的燃燒不良。

2. 低摩擦活塞環與缸套抗磨表面處理

核心觀念

本題旨在考查柴油機（二行程／高速機）之「缸內燃燒機理（Combustion Mechanism）」與「燃燒放熱規律」，核心概念包括：

1. 指示燃燒過程曲線（$P\text{-}\theta, T\text{-}\theta$ 圖）與時序關聯：

• 噴油規律（噴油速率 $dQ_f/d\theta$ 或針閥升程）：決定燃料進入燃燒室的時間歷程。
• 放熱規律（放熱速率 $dQ/d\theta$）：反映燃料物理化學準備與燃燒反應釋放能量的歷程。
• 缸內壓力變化（$P\text{-}\theta$）與缸內平均燃氣溫度變化（$T\text{-}\theta$）：受容積變化、熱量釋放及傳熱損失共同作用，且兩者峰值具備相位差（$P_{\max}$ 先於 $T_{\max}$）。

2. 高速柴油機燃燒四階段理論： 經典內燃機熱力學將柴油機壓燃燃燒劃分為：

• 著火延遲期（滯燃期，Ignition Delay Period）
• 速燃期（急燃期／預混合燃燒期，Rapid / Premixed Combustion Phase）
• 緩燃期（主燃期／控制燃燒期，Controlled / Diffusion Combustion Phase）
• 後燃期（後燃階段，Afterburning Phase）

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解題方法

1. 圖形繪製部分：

• 以橫軸為曲柄轉角 $\theta$（以壓縮上死點 TDC 為 $0^\circ$，標示上死點前 BTDC 與上死點後 ATDC）。
• 縱軸整合繪出「燃氣壓力 $P$」、「燃氣溫度 $T$」、「噴油速率/量」及「燃燒放熱量/放熱率 $dQ/d\theta$」之相對變化曲線。
• 明確標出各關鍵特徵點的先後時序：噴油始點（SOI）$\rightarrow$ 著火始點（SOC）$\rightarrow$ 放熱峰值 $\rightarrow$ 最高壓力點（$P_{\max}$）$\rightarrow$ 最高溫度點（$T_{\max}$）$\rightarrow$ 燃燒終點。

2. 四階段說明部分：

• 依序界定各階段的「起始與終止節點」。
• 闡述各階段發生的「物理／化學本質現象」。
• 分析各階段對引擎工作性能（最高爆壓、壓力升高率 $dP/d\theta$、熱效率、爆震與熱負荷）之工程影響。

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解題技巧

1. 時序相位切勿顛倒：

• 噴油開始（BTDC $10^\circ \sim 20^\circ$）早於著火開始（BTDC $5^\circ \sim 10^\circ$）。
• 最高壓力 $P_{\max}$ 通常出現在 TDC 後約 $10^\circ \sim 15^\circ$ ATDC；而最高溫度 $T_{\max}$ 則滯後於最高壓力點，約在 $15^\circ \sim 25^\circ$ ATDC。
• 著火延遲期內放熱率為負值或接近零（因燃油吸熱蒸發）。

2. 記憶口訣：

• 「延、速、緩、後」：
• 延：不升壓只吸熱，油氣預混。
• 速：全面爆燃，決定最大壓力升高率 $dP/d\theta$。
• 緩：邊噴邊燒，放熱主體，熱效率核心。
• 後：活塞已下行，高溫耗油冒黑煙。

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【答案】

一、二行程柴油機燃燒過程各參數隨曲柄角度變化示意圖

下圖繪製壓縮末期至膨脹初期（約 $30^\circ\text{ BTDC} \sim 60^\circ\text{ ATDC}$）之燃氣壓力（$P$）、燃氣溫度（$T$）、噴油量（噴油速率 $dQ_f/d\theta$）及放熱率（$dQ/d\theta$）隨曲柄角度（$\theta$）變化之特性：

 (數值強度)
 ▲
 │ P_max (最高壓力)
 │ / \
 │ / \ T_max (最高溫度)
 │ / \ /---\
 │ 放熱第一峰 / \ / \
 │ (速燃) / * \ [燃氣溫度 T]
 │ /\ / / \ \
 │ / \ / / \-------\______
 │ / \--/ /
 │ / \ (緩燃段) / [燃氣壓力 P]
 │ / \ /
 │ [噴油規律] / \______/
 │ ┌─────┐ / \
 │ / \ / \_____ [放熱量 dQ/dθ]
 │ / \ /
 │ / \__/ (吸熱蒸發)
 ───┼───*──────*─────────────────*───────────────*───────────────────►
 │ │ │ │ 曲柄角度 θ
 SOI SOC TDC P_max T_max
 (噴油始) (著火始)
 │◄──Ⅰ──►│◄──────Ⅱ───────►│◄──────Ⅲ──────►│◄────────Ⅳ───────►│
 著火延遲期 速燃期 緩燃期 後燃期

核心觀念

本題旨在評量考生對大型船舶柴油主機（尤其是二行程十字頭式或大型四行程柴油機）在啟航或點火運轉前，各輔助外圍系統之連動運作機制與工安標準作業程序（SOP）之掌握程度。

柴油主機無法自行空載啟動，必須仰賴外在系統建立穩定的「熱工狀態」、「潤滑流體動力油膜」、「高壓霧化燃油條件」、「壓縮氣動力源」以及「機械防護連鎖」。評分關鍵在於能否精確掌握下列幾項熱工流體與機械原理：

1. 熱平衡預熱（暖機）：防止低溫啟動造成燃燒室組件（氣缸蓋、氣缸套、活塞）產生巨大的熱應力破裂，並避免燃燒產物中的硫化物冷凝造成低溫硫酸腐蝕。
2. 流體動壓潤滑建立：啟動前預先注油並建立靜/動態油壓，避免金屬直接摩擦導致拉缸或軸承燒損。
3. 燃油黏度與霧化控制：確保重油加熱至噴射黏度（約 $10 \sim 15\text{ cSt}$），防止低溫霧化不良造成後燃或熄火。
4. 液擊（Water Hammer/Liquid Lock）防範：透過開示功閥盤車與吹車，徹底排除燃燒室內積聚之冷凝水、燃油或漏洩冷卻水。

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解題方法

本題為高普考「內燃機」之典型實務申論題，切入作答時應避免雜亂條列，建議採取**「系統分類架構法」搭配「標準作業時序」**開展，從核心外圍流體系統（油、水、氣）依序推進至本體機械安全程序（盤車、吹車、連鎖測試）：

1. 潤滑油系統（Lubricating Oil System）：油位檢查、預潤滑與分區壓力建立。
2. 冷卻水系統（Cooling Water System）與暖機程序：排氣去氣、利用港內熱源預熱主機本體。
3. 燃油系統（Fuel Oil System）：沉澱排污、循環加壓與黏度/溫度控制。
4. 起動與控制空氣系統（Starting & Control Air System）：氣瓶儲壓、排污脫水、主起動閥與安全控制空氣回路確認。
5. 排氣與掃氣系統（Exhaust & Scavenge Air System）：掃氣箱洩放、輔助鼓風機設定、排氣閥作動源。
6. 機械本體檢查、盤車與吹車（Turning Gear, Indicator Cocks & Blowing Through）：防液擊檢查與連鎖解除。

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選項分析（系統構面深度剖析）

本題為申論題型，考生在論述各系統時，應明確指出各系統的「操作標的」、「設定參數」與「物理目的」：

1. 潤滑油系統（LO System）

• 油櫃檢查：檢查循環油櫃（Sump Tank）、氣缸油日用櫃（Cylinder Oil Daily Tank）、增壓機重力油櫃之油位、油溫與油質。
• 泵浦運轉：啟動主潤滑油泵（Main LO Pump）及十字頭潤滑油泵（Crosshead LO Pump），確認主軸承、連桿小端、十字頭滑塊與活塞冷卻油路壓力符合原廠規範（主軸承約 $0.3 \sim 0.5\text{ MPa}$；十字頭約 $1.0 \sim 1.2\text{ MPa}$）。
• 氣缸預注油：以手動或自動模式觸發氣缸注油器（Cylinder Lubricator），對氣缸套壁面進行預先潤滑（Pre-lubrication），防止首轉乾摩擦刮傷缸壁。

2. 冷卻水系統（CW System）與暖機

• 系統充水與排氣：檢查膨脹水櫃（Expansion Tank）水位，啟動氣缸套淡水泵（Jacket Cooling Water Pump），開啟管路高處排氣閥，徹底排除系統殘留空氣以避免氣鎖（Vapor Lock）與穴蝕。
• 暖機程序（Warming-through）：利用運轉中輔機之冷卻水或透過暖機加熱器（利用輔鍋爐蒸汽），將高溫淡水導入主機夾套，將缸套預熱至 $50^\circ\text{C} \sim 60^\circ\text{C}$ 以上，使缸壁熱膨脹至合適間隙，減小熱應力衝擊。
• 活塞冷卻與海水系統：若活塞採淡水冷卻，同步啟動循環；低溫淡水/海水冷卻泵備妥，空氣冷卻器（Air Cooler）旁通閥置於適當開度。

3. 燃油系統（FO System）

• 沉澱櫃與日用櫃放殘：對重油日用櫃（HFO Service Tank）及沉澱櫃進行底部洩水與排污，防止水分及沉澱雜質進入燃油迴路。
• 供油與循環加壓：啟動燃油供給泵（Supply Pump）與循環泵（Circulating Pump），建立低壓管路（約 $0.4 \sim 0.6\text{ MPa}$）與高壓循環迴路（約 $0.8 \sim 1.2\text{ MPa}$）壓力，防止燃油高溫汽化。
• 燃油加溫與黏度調節：投用燃油蒸汽加熱器，透過黏度控制器自動調節溫度，使噴油嘴入口處重油黏度維持在 $10 \sim 15\text{ cSt}$（溫度通常約為 $120^\circ\text{C} \sim 140^\circ\text{C}$）。若進出港規定切換為輕柴油（MGO/LSMGO），則注意冷卻以維持黏度下限（不低於 $2\text{ cSt}$）。

4. 起動空氣與控制空氣系統（Starting & Control Air System）

• 氣瓶排污與儲壓：主空氣瓶（Starting Air Receiver）開閥洩水，排除冷凝水；確認主空氣瓶壓力充足（通常應達到 $2.5 \sim 3.0\text{ MPa}$ / $25 \sim 30\text{ bar}$）。
• 閥件待命：開啟主空氣瓶出口閥至主機主起動閥（Main Starting Valve）前之截止閥；開啟減壓後控制空氣閥（壓力約 $0.7 \sim 0.8\text{ MPa}$），供應安全保護、氣動操縱系統及氣動排氣閥之作動。

5. 掃氣與排氣系統（Scavenge & Exhaust System）

核心觀念

本題考查大型與中小型柴油機（二行程十字頭式及四行程筒形活塞式）運轉中活塞組與氣缸套（Piston assembly and Cylinder liner）之摩擦副力學機制、配合間隙控制及失效分析。

活塞環（包含氣環與油環）在氣缸內承受極端嚴苛的交變熱負荷與機械負荷：

1. 氣體壓力動態載荷：最高爆發壓力（$P_{\text{max}}$）迅速作用於環背與環上表面，產生高壓貼壁與壓槽效應。
2. 往復慣性力與摩擦剪應力：伴隨活塞線速度週期變化，活塞環在環槽內產生上下交變衝擊。
3. 熱應力與熱膨脹限制：燃燒室高溫傳遞至活塞環，環體受熱膨脹（膨脹量 $\Delta L = \alpha \cdot L \cdot \Delta T$），若缺乏足夠伸展空間將引發拘束應力。

活塞環折斷的本質可歸納為兩大失效模式：

• 脆性過載斷裂（Overload Fracture）：幾何干涉、衝擊撞擊或膨脹頂死導致應力瞬間超過抗拉/抗彎強度極限。
• 交變疲勞斷裂（Fatigue Failure）：間隙異常引起環體顫振（Ring Flutter）、反覆微幅撓曲或局部應力集中，經長期循環交變應力作用後裂紋萌生並擴展。

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解題方法

本題為典型的申論題，作答時宜採用**「失效導因系統分類法」，從配合間隙、氣缸幾何狀態、燃燒與熱負荷、潤滑與積碳、二行程特有結構（氣口干涉）及人為裝配**六大維度切入，方能全面涵蓋閱卷給分點：

1. 幾何配合間隙異常（Clearance Faults）：搭口間隙、側間隙（天地間隙）、背隙不符公差規範。
2. 氣缸套內壁異常（Cylinder Liner Conditions）：過度磨損、幾何失圓或磨損台階撞擊。
3. 燃燒工況與熱負荷過高（Combustion & Thermal Stress）：爆震、高溫過熱與材料劣化。
4. 摩擦與潤滑不良（Tribological Failure）：積碳卡滯（Sticking）、缸套拉缸（Scuffing）。
5. 結構干涉（二行程特有機制）：活塞環防轉銷失效導致搭口滑入氣口。
6. 安裝操作與材質瑕疵（Installation & Material Defect）：工具過度撐開、預存微裂紋。

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選項分析（申論題之核心肇因深入剖析）

本題為申論題，非選擇題。以下針對活塞環折斷的六大直接肇因進行條理化機理辨析：

1. 活塞環幾何間隙配合不當

• 搭口間隙（End clearance / Gap clearance）過小： 活塞環受熱膨脹後，兩端金屬在圓周方向伸長。若搭口間隙不足，兩端頭膨脹互頂，環體受到強烈圓周方向的壓縮應力，進而向外失穩彎曲變形，最終在極大彎曲應力下脆斷。
• 側間隙（Side clearance / 天地間隙）過大或過小：
• 側隙過小：活塞環在高溫工作時膨脹受卡，無法在環槽內靈活浮動，喪失順應氣缸壁微量變形之能力，甚至直接在槽內咬死折斷。
• 側隙過大（常見於環槽磨損嚴重）：活塞變向時，活塞環在環槽內產生劇烈軸向往復撞擊（即活塞環顫振，Ring flutter），造成環與槽底、槽頂連續衝擊，產生衝擊疲勞斷裂。
• 背隙（Back clearance）過小： 背隙不足或背部積碳填滿時，活塞環無法全縮入環槽。當活塞通過氣缸套狹窄處時，環背直接承受來自活塞本體的徑向硬推力而受擠壓折斷。

2. 氣缸套磨損與幾何輪廓突變

• 上止點磨損台階（Wear Ridge / Shoulder at TDC）撞擊： 氣缸套在第一道環對應的上止點處磨損最為嚴重。柴油機在更換新活塞環、調整連桿大端/小端軸承間隙後，活塞行程極限微幅上移，最上方的氣環會直接高速撞擊缸套頂部未磨損的硬金屬台階，產生強烈剪切衝擊斷裂。
• 氣缸套失圓（Ovality）與錐度（Taper）過大： 缸套嚴重磨損變形使內徑不均勻。活塞環上下往復滑動時，環徑隨之被迫連續擴張與收縮，使環體受到持續的週期性交變彎曲應力（Alternating bending stress），誘發疲勞斷裂。

3. 燃燒異常與嚴重熱負荷

• 爆震（Knocking）與異常燃燒衝擊：