113 高普考高考三級 輪機技術 內燃機 考古題詳解

核心觀念

本題考大型船用低速二行程柴油機的單流掃氣（uniflow scavenging）：新鮮空氣由汽缸下部的掃氣口進入，沿汽缸軸向向上流動，將燃燒後的廢氣從汽缸蓋上的排氣閥推出。活塞下行時完成膨脹作功並開啟掃氣口；活塞上行時關閉掃氣口、壓縮汽缸內空氣。排氣閥的開閉由凸輪機構控制。

曲軸轉一圈為 $360^\circ$，二行程柴油機每轉完成一個工作循環。圖中角度均以**上死點（TDC）**為基準，依曲軸旋轉方向標示。

氣門定時圖

下圖為典型大型單流掃氣式二行程柴油機的定時關係，實際角度依機型而異。

 上死點 TDC
 0°
 排氣閥關閉 │ 排氣閥開啟
 約 20°後 │ 約 70°前
 │
 壓縮、燃燒 │ 排氣閥關閉後
 ↑ │ 壓縮開始
 │ │
 掃氣口關閉│ │ 掃氣口開啟
 約 40°後│ │ 約 45°前
 │ │
 └──────┬───┘
 下死點 BDC
 180°
 掃氣口開啟、關閉
 約跨 BDC 前後

也可用曲軸角區間表示如下：

**繪圖要領：**排氣閥的開啟早於掃氣口開啟；掃氣口與排氣閥在下死點附近有一段同時開啟的重疊期間；掃氣口先關閉，排氣閥稍後才關閉。此一先後次序是圖中最重要的辨識特徵。

解題方法與運作過程

以活塞由上死點向下死點為作功行程起點，依序標出排氣閥、掃氣口的開閉，再沿曲軸旋轉方向說明一圈內的氣體交換與壓縮。

一、上死點後：燃燒膨脹作功

燃油在上死點附近噴入高溫高壓空氣，自行著火燃燒，燃燒氣體膨脹推動活塞向下，曲軸得到作功。此時排氣閥與掃氣口均關閉。

二、上死點前約 $70^\circ$：排氣閥先開

核心觀念

本題考二行程柴油機的指示功率。指示功率是各氣缸每單位時間所產生的指示功總和，計算時使用平均指示有效壓力、活塞面積、行程、轉速及氣缸數。

二行程機每一轉完成一個工作循環，因此每分鐘的作功次數等於曲軸轉速（rpm）。指示功率公式為：

其中 $p_m$ 為平均指示有效壓力、$L$ 為活塞行程、$A$ 為活塞面積、$N$ 為每分鐘轉數、$Z$ 為氣缸數。題目給定壓力單位為 $\mathrm{kg/cm^2}$，先求出每分鐘指示功，再換算為公制馬力與 $\mathrm{kW}$。

解題方法

先將尺寸換成與壓力單位相配的公制單位：

單一氣缸的活塞面積為：

每一工作循環、每一氣缸的指示功為：

二行程機每轉作功一次，轉速為 $100\ \mathrm{rpm}$，共有 $8$ 個氣缸，所以全機每分鐘的指示功為：

核心觀念

燃油消耗率是指引擎在產生一定功率或作功時，所消耗的燃油量，用來衡量引擎的燃油經濟性。比較時須採用相同的功率基準與計量單位。

常見的制動燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption, BSFC）為：

其中，$\dot m_f$ 為燃油質量流率，$P_b$ 為引擎輸出的制動功率。常用單位為 $\mathrm{kg/(kW\cdot h)}$ 或 $\mathrm{g/(kW\cdot h)}$。若分子使用燃油體積流率，則須以燃油密度換算為質量流率，才能與質量基準的數值比較。

若以汽缸內指示功率 $P_i$ 為分母，所得為指示燃油消耗率（Indicated Specific Fuel Consumption, ISFC）。制動功率是引擎經機械損失後實際輸出的功率，因此同一引擎在相同燃油流率下，制動燃油消耗率高於指示燃油消耗率。

解題方法

題目要求解釋名詞，作答應交代其物理意義、計算式與常用單位。燃油消耗率的分母是功率，因此其意義可讀作「每單位功率輸出、每小時所消耗的燃油質量」。數值愈低，代表產生相同功率所需燃油愈少，燃油經濟性愈佳。

解題技巧

辨認燃油消耗率時，注意它不是單純的燃油流率（例如 $\mathrm{kg/h}$），而是燃油流率除以功率；作答時也要指出採用制動功率或指示功率，避免混淆 BSFC 與 ISFC。

（二）理論熱效率（Theoretical thermal efficiency）

核心觀念

理論熱效率是理想熱力循環將供給熱量轉變為淨功的比例，表示循環在理論條件下將熱能轉換為功的能力。其一般定義為：

核心觀念

本題考查柴油主機曲柄軸軸承的構造、潤滑與承載特性，以及運轉時作用力的來源與方向。曲柄軸主要由主軸頸支承於主軸承，連桿大端則以曲柄銷軸承連接曲柄軸；兩者皆屬承受週期變化負荷的滑動軸承。

軸承的主要工作，是支承曲柄軸、維持軸頸與軸承間的油膜，並將作用力傳遞至機架。正常運轉時，軸頸與軸承金屬面由潤滑油膜隔開，形成流體動壓潤滑；油膜可降低摩擦與磨耗，並帶走摩擦熱。啟動、停車或潤滑不良時，油膜可能不足，金屬表面便有接觸風險。

軸承構造與特性

主軸承通常由軸承座、上軸瓦與下軸瓦組成，軸瓦以軸承蓋或主軸承座固定；大型主機常採可更換的薄殼式軸瓦。軸瓦內面具有承載合金層，並設有供油孔、油槽或油道，使潤滑油送入軸頸與軸瓦的間隙。部分主軸承也設有止推面或止推軸承，以承受曲柄軸的軸向推力。

曲柄銷軸承位於連桿大端，包覆曲柄銷並隨曲柄旋轉承載。常見構造也是上下軸瓦合抱曲柄銷，潤滑油可由連桿油道或曲柄軸內部油道供給。

兩類軸承的共同特性如下：

• 軸瓦可拆換，便於檢查、刮研或更換。
• 軸承合金須具備承載、抗疲勞、耐磨及適應性等特性，並能與軸頸材料及潤滑油配合。
• 軸瓦與軸頸間須保有適當油隙；油隙過小會妨礙供油，過大則會降低油膜承載能力並造成油壓下降。
• 軸承負荷隨曲柄轉角改變，油膜須承受燃燒與慣性作用所造成的週期性負荷。

運轉時軸承所承受的作用力

1. 燃氣壓力所造成的力

燃燒室氣體壓力作用於活塞頂面，形成活塞力：

其中 $p$ 為汽缸內壓力，$A$ 為活塞面積。此力經活塞、活塞銷與連桿傳至曲柄銷，再由曲柄軸及主軸承承受。連桿傾斜時，連桿力可分解為曲柄切向分力與徑向分力；切向分力產生轉矩，徑向分力則形成曲柄銷與主軸承的承載。

2. 往復運動件的慣性力

核心觀念

掃氣箱是二行程大型低速柴油機活塞下方與掃氣空間相連的區域。運轉時，掃氣氣流、氣缸潤滑油膜及少量燃燒產物都可能進入掃氣箱；若油液或油霧累積過多，便會與碳煙、未燃燃油混合成油泥與積垢。高溫燃氣竄入或積垢表面過熱時，可能引發掃氣箱著火。

作答時要分清兩類來源：一是油液漏入掃氣箱後形成油污；二是油液被氣流帶走或霧化後形成油霧。題目問的是油污及油霧過多的原因，重點在查出油源與異常帶入途徑。

解題方法

依油液來源逐項檢查：氣缸潤滑油、曲軸箱油、燃油與掃氣空氣系統。再連結各部件故障，說明油如何進入掃氣箱或懸浮於掃氣空氣中。

造成油污及油霧過多的原因

1. 氣缸潤滑油供給過量或分布不當 注油量設定過大、注油器調整不當、注油器故障，或注油點供油不均，會使多餘氣缸油沿缸套流下，經掃氣口進入掃氣箱。使用不適當的氣缸油或燃燒狀況不良，也會使油與碳質沉積物增加。

2. 活塞環或缸套磨損、黏著、斷裂 活塞環失去彈性、卡滯、磨損或破損，會造成密封不良、燃氣竄漏與異常磨耗。氣缸油膜及未燃燃油因而更容易進入掃氣空間，與碳煙形成油污；竄漏氣流也會將油滴和積垢揚起，增加油霧。

3. 活塞桿填料函（stuffing box）刮油與密封不良 刮油環、密封環磨損、裝配方向錯誤或間隙不當，會使曲軸箱系統的潤滑油沿活塞桿進入掃氣箱；