110 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

本題考四衝程柴油機的氣門定時與工作循環。曲軸旋轉兩周、活塞完成四個行程，柴油機每兩周完成一次工作循環，並在壓縮行程末端噴油、靠壓縮熱使燃油自燃。進氣門與排氣門的開閉時刻通常不與上、下死點完全重合，這些提前或延後的角度稱為氣門提前角、遲閉角。

氣門定時圖

下圖以曲軸轉角表示一個工作循環。角度數值因機型及轉速而異，圖示為常見配置，重點是各事件的先後關係。

曲軸角度 0° 180° 360° 540° 720°
活塞位置 上死點 下死點 上死點 下死點 上死點
 │ │ │ │ │
行程 膨脹 排氣 進氣 壓縮 膨脹開始

進氣門 ─────── 開────────────────關──────
 上死點前開 下死點後關

排氣門 ──開────────────────────────關──
 下死點前開 上死點後關

噴油／燃燒 壓縮末期噴油
 上死點前後著火

氣門重疊發生在排氣行程末期、進氣行程初期：排氣門尚未關閉，進氣門已提前開啟。重疊角為進氣門提前開角與排氣門遲閉角之和。

四衝程柴油機運轉原理

1. 進氣行程（上死點至下死點） 活塞由上死點向下死點移動，進氣門開、排氣門關，汽缸吸入空氣。柴油機吸入的是空氣，不是預先混合好的油氣。

2. 壓縮行程（下死點至上死點） 活塞由下死點向上死點移動，進、排氣門均關閉，汽缸內空氣受壓縮，壓力與溫度升高。壓縮末期，噴油器將柴油噴入汽缸，燃油與高溫高壓空氣混合並自燃。

核心觀念

柴油機爆震（diesel knock）是燃燒初期壓力上升過快所造成的敲擊聲與振動。柴油機噴油後，燃油須先霧化、蒸發並與空氣混合，經過一段時間才會自燃；這段從開始噴油到開始燃燒的時間稱為著火延遲。

若著火延遲過長，延遲期間累積在汽缸內的燃油較多。開始自燃時，這部分預混燃油會在短時間內迅速燃燒，造成汽缸壓力急遽上升，形成柴油機爆震。爆震嚴重時會使機件承受衝擊負荷，增加活塞、汽缸蓋及軸承等零件的損傷風險。

可用下式表達其關鍵關係：

其中，$p$ 為汽缸壓力，$\theta$ 為曲軸轉角；$\frac{dp}{d\theta}$ 表示壓力隨曲軸轉角的上升率。

解題方法

本題分成「說明現象」與「列出防範措施」兩部分。作答時先交代著火延遲造成燃油累積、隨後快速燃燒及壓力急升的因果鏈，再從縮短著火延遲、改善噴油與燃燒條件著手列出措施。

柴油機正常燃燒主要由燃油噴射與燃燒速率控制；爆震的核心在於著火前累積過多燃油，導致燃燒初期壓力上升率過大。因此，防範措施應對應延遲過長的成因，包括燃油著火性不佳、噴油霧化不良、噴油正時不當，以及汽缸壓縮溫度不足等。

防範要項

核心觀念

本題考查蒸氣壓縮式冷凍空調循環的基本元件、冷媒在各元件中的壓力、溫度與相態變化，以及四個主要過程的能量交換。基本循環依序為：

蒸發器 → 壓縮機 → 冷凝器 → 膨脹閥（節流裝置）→ 蒸發器

為便於標示，以下以狀態點 1、2、3、4 表示冷媒通過各元件前後的狀態。

解題方法

先依冷媒流向畫出四個元件，再標示各狀態點的高低壓、高低溫與相態。標準理想循環可整理如下：

 高壓側：PH
 高溫、高壓過熱蒸氣
 1 ───────────────▶ 2
 ▲ │
 │ │ 壓縮機
 │ │ 輸入功 Ẇ
 │ ▼
 蒸發器 冷凝器
 吸熱 Q̇L 放熱 Q̇H
 ▲ │
 │ ▼
 4 ◀─────────────── 3
 膨脹閥
 節流降壓
 低壓側：PL

冷媒狀態與過程如下：

四個過程的說明

核心觀念

交流發電機是利用電磁感應將機械能轉換為電能的裝置。當導體與磁場發生相對運動，使導體所鏈結的磁通量隨時間改變時，導體內便會感應電動勢；若線圈接成閉合電路，便有感應電流流通。

交流發電機的主要部分為：

• 磁場系統：由磁極或勵磁繞組建立磁場。
• 電樞繞組：切割磁力線並感應電動勢；船用交流發電機多採旋轉磁場、固定電樞的構造。
• 原動機：例如柴油機，提供使轉子旋轉的機械能。
• 滑環與電刷：在旋轉電樞式機型中，用來連接轉動線圈與外部電路；固定電樞式機型則可直接由固定端子輸出。

工作原理與解題方法

依據法拉第電磁感應定律，線圈的感應電動勢大小與磁通量變化率成正比：

其中 $e$ 為感應電動勢，$N$ 為線圈匝數，$\Phi$ 為每匝線圈所鏈結的磁通量；負號表示感應電動勢的方向符合楞次定律，會反抗造成磁通量變化的原因。

以線圈在均勻磁場中等速旋轉為例，若線圈磁通量可表示為 $\Phi=\Phi_m\cos\omega t$，則感應電動勢為：

因此，線圈每旋轉半周，感應電動勢方向改變一次；連續旋轉時，輸出電動勢大小與方向週期性變化，形成交流電。線圈匝數、磁場強度及轉速提高，通常都會使感應電動勢增大。