115 高普考高考三級 輪機技術 內燃機 考古題詳解

核心觀念

柴油機刮缸（scuffing）是活塞環與汽缸套之間的潤滑油膜破裂或失效，造成局部金屬直接接觸、黏著磨耗及擦傷的現象。接觸處因摩擦發熱，金屬可能局部熔著、撕裂並轉移到另一接觸面；若未及時處理，會進一步造成汽缸套拉傷、活塞環卡死或折損。

刮缸常發生於活塞環與汽缸套的滑動接觸面，也可能涉及活塞裙部。它不同於單純的均勻磨耗：刮缸通常呈現局部、沿活塞運動方向的嚴重擦傷痕跡。

解題方法

依序從「潤滑膜為何失效」與「失效後會留下什麼痕跡」兩方面作答。原因可歸納為潤滑不足、熱負荷異常、配合或運轉不良，以及磨粒污染；症狀則分為拆檢可見的機械痕跡與運轉中可觀察的性能、溫度及潤滑油變化。

一、刮缸原因

1. 潤滑油供應不足或潤滑狀況不良 汽缸油注油量不足、注油器故障或油孔堵塞，會使汽缸套表面油膜不足。汽缸油黏度、鹼價或種類選用不適當，或油品受水、燃油及雜質污染，也會降低潤滑與承載能力。

2. 汽缸套及活塞環溫度過高 冷卻不良、過負荷、燃燒異常或噴油器故障，可能造成局部過熱，使潤滑油黏度下降、油膜承載能力變差，進而引發金屬接觸。長期低負荷運轉也可能因燃燒溫度與汽缸狀況改變，造成潤滑及表面狀況不良。

3. 活塞環或汽缸套狀況不佳 活塞環卡滯、磨損、斷裂，環槽積碳或環面接觸不良，會使環與套的接觸壓力分布不均。汽缸套表面磨損、鏡面化、珩磨紋破壞，或活塞與汽缸套間隙不適當，也會使油膜難以維持。

4. 燃燒沉積物或磨粒造成表面損傷 積碳、灰分、催化裂化細粉（cat fines）、金屬磨屑或其他硬質顆粒進入環與套之間，會破壞油膜並刮傷接觸面。沉積物若使活塞環卡在環槽內，也會妨礙其貼合與潤滑。

核心觀念

本題比較三種理想內燃機熱力循環的加熱方式。三者都假設工作流體為空氣，壓縮與膨脹皆視為可逆絕熱（等熵）過程，並以定容放熱完成循環；主要差別在燃燒加熱時，氣體的體積是否改變、壓力是否維持不變。

• 定容循環：又稱奧圖循環（Otto cycle）。加熱在定容下進行，常作為汽油引擎的理想循環。
• 定壓循環：又稱狄塞爾循環（Diesel cycle）。加熱在定壓下進行，常作為柴油引擎的理想循環。
• 複合加熱循環：又稱雙燃循環、沙巴特循環（Sabathe cycle）。先定容加熱，再定壓加熱，常用來描述實際柴油機燃燒過程的理想化模型。

解題方法

抓住「加熱過程的條件」即可區分三種循環。設循環狀態依序為 $1、2、3、4$；複合加熱循環另將定容與定壓加熱分為 $2\to3$、$3\to4$：

• $1\to2$：絕熱壓縮。
• $2\to3$：定容加熱，適用於定容循環；也是複合加熱循環的第一段加熱。
• $3\to4$：定壓加熱，適用於定壓循環；也是複合加熱循環的第二段加熱。
• 膨脹過程為絕熱膨脹，之後定容放熱回到初始狀態。

三種循環的主要差異如下：

核心觀念

排氣溫度是燃燒後氣體經汽缸膨脹、排出時的溫度，反映燃燒狀況、供油量、進氣量及排氣閥件狀態。判讀時須先分清楚是全機各缸普遍偏高或偏低，還是單一汽缸與其他汽缸差異明顯：全機變化多與負荷、空氣供應及共通系統有關；單缸異常則多與該缸供油、噴油器、氣閥或溫度感測器有關。

解題方法

可依「負荷與供油、進氣與增壓、燃燒與汽缸狀態、排氣與量測」四個面向整理。判斷原則是：燃燒過程延長或燃燒不完全、供油相對於空氣過多，排氣溫度常升高；負荷與供油量過低，則排氣溫度常降低。

排氣溫度過高的主要原因

1. 負荷過大或供油量過多：主機超負荷、螺槳負荷增加、調速器或燃油齒條調整不當，會使燃燒熱量增加；若供油增加超過可用空氣量，排氣溫度更易升高。

2. 進氣量不足或增壓效率降低：空氣濾器、掃氣空氣冷卻器或進氣通道髒堵，渦輪增壓器效率下降，會減少汽缸進氣量，使空燃比偏低、燃燒不完全，排氣溫度升高。

3. 燃油霧化不良或噴油異常：噴油器噴孔積碳、堵塞、磨損，或噴油壓力不足，會使燃油霧化與混合變差；噴油量過多也會造成燃燒不完全及排氣溫度偏高。

4. 噴油正時延遲：燃燒推遲，部分熱量在膨脹行程後段及排氣行程才釋出，廢氣排出時仍偏熱，因而提高排氣溫度。

5. 汽缸壓縮或氣閥密封不良：活塞環磨損、汽缸套磨損，或排氣閥燒損、閥座密封不良，會破壞正常壓縮與燃燒；排氣閥漏氣還會使高溫燃氣持續通過閥座，造成該缸排氣溫度異常。

6. 冷卻、排氣背壓或渦輪增壓器異常：掃氣空氣冷卻不足、排氣管或渦輪端阻塞、排氣背壓過高，均可能使燃燒與排氣狀況惡化，推高排氣溫度。

核心觀念

活塞環槽磨損，主要是活塞環在環槽側面承受燃燒氣體壓力與往復衝擊，長期摩擦後使環槽側壁凹陷、變寬或失去平行度，導致活塞環側隙增大。檢修時應量測環槽寬度與活塞環寬度，確認側隙及槽面狀況是否仍符合該型柴油機製造廠規範。

環槽側隙過大時，活塞環會在槽內竄動，密封性下降，造成燃氣竄漏、壓縮壓力降低、環槽積炭增加，也會加劇活塞環與槽面的衝擊磨損。

磨損原因

1. 燃燒壓力與機械衝擊：燃燒氣體壓力作用於活塞環，使環反覆撞擊環槽側面；上部環槽承受的熱負荷與氣體壓力通常較高，因此磨損較明顯。
2. 磨粒磨損：進氣中的灰塵、燃燒產物或磨耗碎屑進入環槽，夾在活塞環與槽面之間，刮削槽壁。
3. 潤滑不良與高溫：潤滑油供應不足、油品劣化或活塞溫度過高，會使接觸面油膜失效，造成黏著磨損、擦傷或局部咬合。
4. 積炭與腐蝕：燃燒殘渣、劣質燃油或潤滑油形成的沉積物會妨礙活塞環自由活動；燃燒產物與酸性物質也可能腐蝕槽面，促進磨損。
5. 活塞環或環槽材料、配合不當：材料硬度或表面處理不適當、環槽加工精度不足、環側隙不正確，都會提高槽面磨耗。
6. 燃燒狀況不良及保養不足：噴油器霧化不良、燃燒異常、空氣濾清不良，以及未按規定檢查或更換活塞環，均可能加速磨損。

解題方法：先檢查，再選修理方式

作答時依「清潔檢查—量測判定—修復環槽—復驗配合」的順序說明。修理方式取決於槽壁磨損程度、平行度及活塞本體是否仍可使用；修復後須恢復規定的環側隙，確保活塞環能在環槽內自由活動。

再生修理方法

1. 拆卸與檢查：拆出活塞環，清除環槽內積炭與油泥；檢查環槽側壁是否有裂紋、剝落、燒蝕、拉傷或局部崩損，並確認活塞本體未超出可修範圍。
2. 量測磨損量：以量具測量各環槽寬度、槽壁平行度及活塞環寬度，計算側隙：