108 港務人員升資考試員級晉高員級 技術類(選試輪機工程)-航港局 輪機工程 考古題詳解

核心觀念

柴油引擎增壓是以增壓器將較高壓力的空氣送入汽缸，使每一工作循環能吸入較多空氣，增加汽缸內的氧氣量。燃油量配合增加後，可燃燒更多燃料，提升引擎輸出功率。增壓主要改善引擎的功率與經濟性，並非單純提高轉速。

性能改變項目

1. 輸出功率提高 單位汽缸工作容積內可燃燒更多燃油，平均有效壓力隨之提高，因此單位排氣量的輸出功率增加。若引擎轉速及尺寸不變，增壓可提高功率；若維持原有功率，也可縮小引擎尺寸或減少汽缸數。

2. 燃油消耗率降低 增壓改善汽缸充氣與燃燒條件，並可回收部分排氣能量驅動渦輪增壓器，使每單位輸出功所需燃油量降低。實際燃油消耗率仍受增壓器效率、空氣冷卻效果、燃燒狀況及負載等因素影響。

3. 熱效率提高 增壓後進氣量增加，燃燒較充分；渦輪增壓系統又利用排氣能量驅動渦輪，減少排氣能量的浪費。因此引擎的有效熱效率通常提升。

4. 機械效率與單位重量功率提高 在相同輸出功率下，增壓引擎可採用較小的排氣量或較少的汽缸，減少引擎本體的重量與尺寸，提升單位重量功率，並節省機艙空間。

5. 排氣溫度及排氣損失降低 充氣量增加使燃燒產物有較充分的膨脹條件；渦輪增壓系統也能利用排氣能量。設計與運轉適當時，排氣溫度及排氣能量損失可降低。

核心觀念

題目考的是同步發電機在端電壓、轉速及負載功率因數固定時，負載電流改變所需的磁場電流變化。此曲線稱為同步發電機的激磁特性曲線，也稱為複激特性曲線：橫軸為負載電流 $I_L$，縱軸為磁場電流 $I_f$。

負載電流會造成同步電抗壓降及電樞反應；為維持端電壓不變，必須調整磁場電流。滯後負載通常需要增加激磁；超前負載則通常可減少激磁。

解題方法

以每相相量分析，令端電壓 $\mathbf V$ 為參考相量，發電機的相量方程式為

其中 $\mathbf E$ 為內部感應電勢、$R_a$ 為電樞電阻、$X_s$ 為同步電抗、$\mathbf I_a$ 為電樞電流。忽略通常較小的 $R_a$，且固定端電壓與轉速時，所需磁場電流隨 $|\mathbf E|$ 增減。

令電流與端電壓的相角為 $\phi$：

• **功率因數滯後：**電流落後電壓，反應電勢的同相分量增加。

負載增加時，維持端電壓所需的內部電勢及磁場電流增加，曲線上升較明顯。

• **功率因數等於 1：**電流與電壓同相。

所需磁場電流隨負載電流增加而上升，通常比相同負載電流下的滯後功率因數曲線低。

核心觀念

操舵裝置的作用，是將駕駛台的操舵指令傳到船尾舵機，驅動舵葉偏轉，使船舶保持或改變航向。作答時可依「發出舵令 → 傳送舵令 → 產生動力 → 傳遞轉舵力 → 舵葉偏轉 → 回饋舵角」的工作流程，說明其主要部分及功能。

船舶舵設備的範圍較廣，通常包括舵裝置、舵機、轉舵機構及操舵裝置；其中操舵裝置著重於操縱指令與轉舵動力如何傳到舵葉。

解題方法

本題為申論題，宜由系統組成與功能切入，不只列出名稱。可按操舵流程，分述下列部分：

一、操舵控制裝置

設於駕駛台，供操舵人員發出操舵指令。控制方式包括手輪、操縱桿、按鈕或自動舵等。駕駛台的指令器將預定舵角或轉舵方向傳送至舵機控制設備。

二、舵令傳送裝置

負責將駕駛台的舵令送至舵機間。依船舶設計，可採機械連桿、鋼索、電氣訊號、液壓管路或其組合。現代船舶常以電氣訊號傳送指令，再由舵機控制系統驅動動力設備。

三、舵機控制與動力裝置

舵機控制設備依舵令控制動力設備的啟動、停止及轉向；動力設備則提供轉舵所需的力量。常見型式為電動液壓舵機，由電動機帶動液壓泵，供給壓力油；也有其他電動或機械式型式。通常設有主操舵及備用或輔助操舵安排，以維持操舵能力。

核心觀念

本題考柴油機冷卻水水質不良時，水中雜質、硬度鹽類、腐蝕性物質及微生物對冷卻系統造成的影響。冷卻水直接接觸缸套、缸蓋、冷卻器等部件；水質不當會造成結垢、腐蝕、沉積與堵塞，降低傳熱效率，嚴重時引起局部過熱、漏水及機件損壞。

解題方法

依「水質問題 → 系統內的作用 → 造成的故障」分項說明，涵蓋水垢、腐蝕、沉積污泥、生物污損與凍結等主要情形，並交代其對冷卻及機件運轉的影響。

水質不良引起的故障

一、水垢與硬質沉積

水中鈣、鎂等硬度鹽類受熱後析出，附著在缸套水套、缸蓋水道及冷卻器管壁，形成水垢。水垢的熱傳導能力遠低於金屬，會增加傳熱阻力，使金屬表面溫度升高，造成冷卻不均、局部過熱、潤滑油劣化，嚴重時可導致缸套或缸蓋變形、裂損。

水垢也會縮小水道截面，增加流動阻力，降低冷卻水流量；冷卻器管路堵塞後，冷卻能力進一步下降。

二、腐蝕與電化學侵蝕

溶解氧、酸性物質、氯化物或水質酸鹼度不適當，會使缸套、缸蓋、冷卻器及管路腐蝕。腐蝕會造成金屬減薄、點蝕及穿孔，引起冷卻水洩漏；若冷卻水滲入汽缸或潤滑油系統，會造成燃燒不良、潤滑失效，甚至軸承損壞。

核心觀念

本題考查板式熱交換器與殼管式熱交換器的結構差異如何影響傳熱、設備尺寸、清潔維修及操作彈性。一般所稱板式熱交換器，是由多片壓製成波紋形狀的金屬薄板疊合而成；熱流體與冷流體分別流經相鄰板片的流道，透過板片間壁傳熱，兩流體不直接混合。

相較於殼管式熱交換器，板式熱交換器常見的優點如下。

解題方法

作答時可從「傳熱效率、體積與重量、溫度控制、清潔維修、設備擴充」五個面向整理，並說明各項優點的結構原因。以墊片式板式熱交換器為例，板片可拆開檢查及清洗；其他全焊接或半焊接型式的維修方式則依其結構而異。

板式熱交換器的優點

一、總傳熱係數較高，所需傳熱面積較小

板片表面的波紋使流體產生擾動與混合，通常可提高流體側的對流傳熱能力；板片又很薄，熱量穿過金屬壁的路徑短。因此，在相同熱負荷下，板式熱交換器通常可用較小的傳熱面積達到所需效果。

其基本傳熱關係為：

其中，$Q$ 為熱交換量、$U$ 為總傳熱係數、$A$ 為傳熱面積，$\Delta T_{\mathrm{lm}}$ 為對數平均溫差。板式熱交換器的波紋流道有助於提高 $U$，因此可縮小所需的 $A$。相關技術資料亦指出，板片的波紋與流動配置可提升傳熱效率。Alfa Laval：Heat exchangers—types and theory

二、設備緊湊，佔地與重量較小

板片以疊合方式提供大量傳熱面積，單位體積內可配置較大的傳熱面積，因此設備體積與佔地通常較小。對船舶而言，機艙空間有限，設備較緊湊可減少安裝空間需求，也有利於降低設備支撐及管線配置負擔。

三、可達到較小的端溫差，回收熱量能力較佳