111 專技高考高等考試 驗船師 輪機工程(包括1柴油機2鍋爐及壓力容器3泵、閥4起錨機、舵機5冷藏設備6通風設備7防止污染設備) 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評述現代船舶與陸用大型柴油引擎在電控燃油噴射技術上的重大革新。核心考核重點涵蓋：

1. 燃油噴射系統原理與分類：傳統機械凸輪驅動高壓噴油泵（Jerk Pump System，如 Bosch 直列式或獨立柱塞泵）與現代電子控制高壓共軌系統（Common Rail System, CRS）之作動機理。
2. 壓力產生與噴射控制的解耦（Decoupling）概念：探討噴射壓力、噴射定時（Injection Timing）、噴射持續期（Injection Duration）是否與柴油機曲軸轉速或凸輪軸運動位置相互獨立。
3. 燃油霧化與燃燒力學：霧化液滴之索特平均直徑（Sauter Mean Diameter, SMD）與噴射壓力的反比關係；燃燒初期壓力升高率（$dp/d\theta$）及燃燒峰值溫度對氮氧化物（$NO_x$）生成的影響。
4. 國際防止船舶污染公約（MARPOL 73/78）附約六（Annex VI）規範：以命題當年（民國 111 年）法規為準，柴油機排氣之 $NO_x$ Tier II 與 Tier III 排放標準，以及減低黑煙微粒（PM/Soot）之實務工程需求。

解題方法

本題為標準的觀念比較與系統評析題，審題後應採取「三段式結構」破題解答：

1. 定義界定（何謂共軌系統）： 從系統組成（高壓供油泵、共軌蓄壓管、電控噴油嘴、ECU）切入，點出其核心本質為「以共用高壓蓄壓管儲存高壓燃油，將高壓建立與噴射控制完全解耦」。
2. 對比分析（與傳統系統之差異）： 採構件屬性與運作特徵對比法，從「壓力產生機制」、「噴射壓力與轉速關係」、「定時與計量控制手段」、「噴射規律與多次噴射能力」四個維度，系統性對比傳統機械系統與共軌系統。
3. 優點歸納（共軌系統之優勢）： 由熱工性能（噴射品質、油耗）、環保排放（$NO_x$、碳煙）、引擎運轉品質（震動、噪聲、低速穩定性）及控制靈活性等工程維度條列陳述，展現輪機工程師之實務技術視野。

選項分析

本題為申論問答題，非選擇題。依國家考試閱卷評分規準，各子題之評分關鍵指標如下：

• 子題一：何謂共軌系統： 若僅回答「有一根共同的油管」僅得基礎分數；必須明確說明「高壓油泵將燃油打入蓄壓軌，維持恆定高壓，由電子控制單元（ECU）控制電磁閥或壓電晶體噴油嘴開閉」，方為滿分關鍵。
• 子題二：兩者相異之處： 核心給分點在於「傳統系統受凸輪幾何形狀限制，低轉速時油壓低、噴霧不良；共軌系統完全獨立於引擎轉速，可在全轉速域維持恆定超高壓」。
• 子題三：共軌系統優點： 評分重點在於是否具體列舉「全轉速域微粒細化」、「降低燃油消耗率（$SFOC$）」、「實現多次噴射（預噴、主噴、後噴）」、「改善排氣污染（抑制 $NO_x$ 與煙度）」及「低速性能改善與降噪」。

解題技巧

1. 關鍵字破題：作答時務必強調「壓力蓄存與噴射時程解耦（Decoupling of Pressure Generation and Injection）」及「多次噴射（Multiple Injections）」，此二詞為閱卷委員評分之核心指標。
2. 圖表化或對照排版：比較兩者差異時，使用清晰之對稱條列或對比架構，有助於閱卷委員在短時間內掌握重點。
3. 緊扣驗船師專業法規：說明優點時帶入 MARPOL 附約六之 $NO_x$ 減排要求與 EEDI（能源效率設計指數），可顯現驗船師特有的工程與法規整合深度。

【答案】

核心觀念

本題考查船舶蒸汽鍋爐（Marine Boiler）之熱力循環系統與**熱交換設備（Heat Exchangers）**的構造配置、工作原理及熱力學功用。

1. 朗肯循環（Rankine Cycle）與熱效率改善：

• 朗肯循環之熱效率為 $\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}} = \frac{(h_1 - h_2) - (h_4 - h_3)}{h_1 - h_4}$。
• 提高平均吸熱溫度（如過熱、再熱）與利用低溫廢熱預熱工質（如節熱器給水加熱），均可顯著提高熱效率並節省燃油。

2. 蒸汽品質與汽輪機葉片防蝕：

• 飽和蒸汽在汽輪機（Steam Turbine）內部膨脹作功時，隨壓力下降容易凝結析出水滴，造成末級葉片嚴重的沖蝕（Erosion）。藉由過熱器提高初溫，或使用再熱器於膨脹中途再次加熱，能有效控制排汽乾度（一般要求乾度 $x \ge 0.88 \sim 0.90$）。

3. 輔助蒸氣系統溫度調節與設備熱應力防護：

• 主鍋爐產生的過熱蒸汽溫度極高，甲板機械與輔機無法承受，需透過降熱器冷卻以提供合適溫度的輔助蒸汽；同時降熱器亦作為控制過熱蒸汽溫度的調溫裝置。

解題方法

本題為標準的輪機工程名詞解釋與系統功用分析題。答題切入點應針對題目列出的四種熱交換器，採「流體介質與熱源定位（解釋）」及「熱力性能與系統保護（功用）」兩大維度進行條理化剖析：

1. 過熱器：說明其如何將汽鼓飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽，著重熱效率提升與葉片防蝕。
2. 節熱器：說明其如何回收排煙廢熱預熱給水，著重排煙溫度降低、鍋爐效率提升與汽鼓熱應力減免。
3. 降熱器：說明其工作形式（內裝式、噴水式）以及將高溫蒸汽調降之機制，著重輔機供汽與過熱蒸汽溫度微調。
4. 再熱器：說明蒸汽於汽輪機高壓段膨脹後重新送回鍋爐加熱之過程，著重再熱朗肯循環與末級排汽乾度改善。

選項分析

本題為申論解釋題，非選擇題。針對題目指定的四種鍋爐輔助熱交換器，其個別定位與工程功能分析如下：

1. 過熱器（Superheater）

• 定位分析：位於鍋爐高溫煙氣區（分為輻射型、對流型或對流輻射混合型），介於汽鼓乾管與主蒸汽管路之間。
• 熱交換機制：以高溫煙氣為熱源，鍋爐汽鼓產生的乾飽和蒸汽（Dry Saturated Steam）在管內流動，吸熱後轉變為過熱蒸汽（Superheated Steam）。

2. 節熱器（Economizer）

• 定位分析：位於鍋爐低溫煙道末端（通常在空氣預熱器之前）。
• 熱交換機制：以即將排入煙囪的廢煙氣為熱源，管內流動的介質為由給水泵送入鍋爐的高壓低溫給水（Feedwater），藉由煙氣餘熱預先加熱給水。

3. 降熱器（Desuperheater / Attemperator）

• 定位分析：可採「內裝式（Submerged Type，裝於汽鼓或水鼓之水空間內）」或「噴水式（Spray Type，串聯於過熱器級間或出口管道中）」。
• 熱交換機制：利用低溫爐水冷卻管內的高溫過熱蒸汽，或直接將純淨的高壓給水霧化噴入蒸汽流中混合降溫，使過熱蒸汽溫度降低。

4. 再熱器（Reheater）

• 定位分析：設置於鍋爐中高溫煙道對流管區，通常用於大型高壓蒸汽動力船舶。
• 熱交換機制：高壓汽輪機作功後的排汽（乏汽，Exhaust Steam），引回鍋爐再熱器管束內，利用鍋爐煙氣再次加熱至接近原始主蒸汽之溫度，隨後送往中壓或低壓汽輪機繼續膨脹作功。

解題技巧

1. 口訣記憶法（煙氣路徑與水汽路徑對照）：

• 煙氣流向（高溫 $\to$ 低溫）：爐膛 $\to$ 過熱器 $\to$ 再熱器（若有配置） $\to$ 對流管束 $\to$ 節熱器 $\to$ 空氣預熱器 $\to$ 煙囪。
• 水汽流向（水 $\to$ 汽）：給水泵 $\to$ 節熱器 $\to$ 汽鼓 $\to$ 水冷壁 $\to$ 汽鼓 $\to$ 過熱器 $\to$ 主汽輪機（部分經降熱器供輔機使用）。

核心觀念

本題測驗輪機工程中「閥件自動化與遙控系統（Remote Control Valve System）」之工作原理、作動機構及其在船舶管路安全與操作之實務應用。涉及之核心觀念與法規規範如下：

1. 作動器與閥體之組合分類：能遠端遙控之閥件本質為「閥體（Valve Body）」結合「動力作動器（Actuator）」。作動動力源可分為氣動（Pneumatic）、液壓（Hydraulic）、電動（Electric）與電磁驅動（Solenoid）。
2. 國際海事法規要求（以命題當年民國 111 年之 SOLAS 公約及我國《船舶設備規則》為準）：

• SOLAS 第 II-1 章（結構、水密與損害管制）：要求穿透水密隔壁之艙底水管路閥件，須具備自水密甲板上方遠端遙控關閉之能力，並附帶閥位指示器。
• SOLAS 第 II-2 章（防火與滅火）：要求位於燃油艙櫃、滑油艙櫃之出油閥，必須能自機艙外部安全處所實施遠端遙控快速切斷（Quick-closing valves）。
• 船級協會規範（如 CR 鋼船建造與入級規範）：明定遙控閥必須具備現地手動應急操作機構（Manual override）與遠端位置回授確認功能。

解題方法

本題為標準申論題，答題架構應條理分明，切入點分為四大部分：

1. 界定閥件種類：分別由「作動驅動源（Actuator Type）」與「常見閥體形式（Valve Type）」雙向切入，避免僅列單一元件而失之偏頗。
2. 說明遙控達成機制：從「信號傳輸與控制盤」、「動力轉換單元」、「驅動作動器」、「閥位回授」及「應急手動備援」之完整迴路說明運作過程。
3. 歸納適用之管路系統：列舉壓載水系統、艙底水系統、燃油/滑油系統、油輪貨油系統等四大船舶核心系統。
4. 解析系統功用：結合配平、損害管制、機艙防火避險與防污染作業進行深層闡述。

解題技巧

1. 避免片面答題：若僅回答「電磁閥」或「氣動閥」，無法展現系統工程概念。務必寫出「閥體型式＋驅動機構（如：配備液壓旋轉作動器之蝶閥）」。
2. 拿分關鍵字：答出「閥位回授指示（Position Feedback / Limit Switch）」與「手動應急機構（Local Manual Override）」，這兩項是驗船師審圖與現場檢驗之重點法規項目。
3. 法規呼應：在系統功用中點出「燃油緊急快速切斷閥（Quick-closing valve）」之機艙外部操作特性，直接命中考官之閱卷標準。

【答案】

一、可藉由遠端遙控信號開啟、關閉之閥件類型

能接收遠端信號開關之閥件，主要由「閥體」與「動力作動器（Actuator）」組合而成，依作動動力源及閥體構造區分如下：

1. 依作動動力源分類（驅動型式）：

• 氣動作動閥（Pneumatically Actuated Valve）：利用壓縮空氣推動氣缸活塞或彈簧膜片。動作迅速、防爆性高，多為常閉（NC）或常開（NO）彈簧復歸型。
• 液壓作動閥（Hydraulically Actuated Valve）：利用高壓液壓油推動液壓油缸（或齒條齒輪機構）。輸出扭矩大、耐震抗壓，常用於浸水環境或深艙大型閥件。
• 電動作動閥（Motor-Operated Valve, MOV）：利用交／直流馬達經由減速齒輪箱驅動閥桿。控制精準，無洩漏油氣污染之虞，但動作時間較液壓與氣動稍慢。
• 電磁閥（Solenoid Valve）：利用電磁線圈通電產生之磁力吸引閥芯。動作極快，但受限於線圈推力，多用於小口徑管路或作為氣動／液壓閥之先導控制閥（Pilot valve）。

2. 依閥體結構形式分類：

• 蝶閥（Butterfly Valve）：旋轉 $90^\circ$ 即可全開／全關，結構緊湊、重量輕，最常搭配氣動或液壓旋轉作動器。
• 球閥（Ball Valve）：流阻低、密封性佳，同樣旋轉 $90^\circ$ 操作，廣泛應用於電動與氣動控制管路。

核心觀念

本題考查輪機工程中「通風設備」之核心理論、系統分類、實務組成構件與運轉特性。本科目為驗船師之關鍵專業考科，作答時須結合流體力學原理與國際海事法規架構：

1. 通風基本目的：提供人員充足之新鮮空氣（維持氧氣濃度、排除二氧化碳與異味）；提供柴油機、鍋爐等燃燒設備足夠之助燃空氣；帶走機艙與電氣設備運轉所產生之大量輻射熱；稀釋並排除危險區域（如油漆間、蓄電池室、貨油泵間）之易燃、有毒或腐蝕性氣體；防止貨艙產生「船汗（Ship sweat）」或「貨汗（Cargo sweat）」。
2. 法規依據（以命題當年民國 111 年法規為準）：

• 國際海事組織（IMO）《國際海上人命安全公約》（SOLAS 1974）第 II-2 章關於通風導管穿透防火艙壁、防火閘門（Fire dampers）之設置，以及機艙通風機應具備艙外緊急停止裝置之安全要求。
• 我國《船舶設備規則》第三編第三章相關通風裝置規定（通風筒高度、封閉裝置與各艙區換氣次數標準）。

3. 流體力學與熱工原理：風壓效應（Wind force）、熱浮力煙囪效應（Stack effect）、正壓（Positive pressure）與負壓（Negative pressure）流場分佈控制。

解題方法

本題為標準的申論型問答題，解題時應避免雜亂條列，建議採取「總論定義 $\rightarrow$ 分類架構 $\rightarrow$ 構件拆解 $\rightarrow$ 運作特性剖析」四段式標準工程答題邏輯：

1. 定義界定：以簡明且涵蓋安全、動力、熱平衡三面向的工程語言定義「船舶通風系統」。
2. 分類體系：依「驅動動力（自然／機械）」與「壓差導向（壓入／吸出／平衡）」兩大主軸建立清晰的分類樹。
3. 系統組成：依氣流路徑從吸風口（外部）、動力單元、管路導引、控制安全元件至排氣末端完整剖析。
4. 運作特性：針對一般住艙、機艙（重散熱與供氣）、貨艙（濕度露點控制）、特殊危險空間（負壓防爆）詳細論述其運作行為與安全連鎖機制。

選項分析

本題為專技高考驗船師之申論問答題，無選擇題選項。

解題技巧

1. 記住「壓差控制口訣」：

• 「乾淨、需供氣者維持正壓」：住艙區、機艙主要進氣，防止外界污濁氣體滲入。
• 「髒污、有害、危險者維持負壓」：廚房、衛生間、蓄電池室、油漆間，防止有害氣體外溢至其他艙室。

2. 機艙通風量之計算思維： 機艙通風量設計不可僅考慮人員呼吸，其最大需求量取決於兩者總和： $Q_{\text{total}} = Q_{\text{combustion}} + Q_{\text{cooling}}$ 其中 $Q_{\text{combustion}}$ 為主副柴油機與鍋爐燃燒所需空氣量，$Q_{\text{cooling}}$ 為將機艙溫度控制在允許範圍（通常高於外界環境溫度不超過 $10^\circ\text{C} \sim 12.5^\circ\text{C}$）所需之排熱風量。
3. 驗船師必考之安全切斷點： 只要申論題考到通風系統，務必主動寫出「防火閘門（Fire damper）」與「機艙通風機緊急速停開關（Emergency stop located outside machinery space）」，此為驗船師閱卷評分之高分關鍵指標。

【答案】

一、船舶通風系統之定義

船舶通風系統（Marine Ventilation System）係指裝設於船舶上，藉由自然對流或機械動力方式，將外界新鮮空氣引進船內各封閉艙區，並將艙內之污濁、過熱、潮濕或具危險性氣體排至大氣中之完整工程管網系統。其主要功用包括：

1. 維持船員及旅客之正常呼吸與舒適環境。
2. 供應內燃機、鍋爐等動力裝備燃燒運轉所需之充足氧氣。
3. 排除機艙、推進馬達室及電氣設備之運轉散熱，維持艙內設備正常運作溫度。
4. 排除或稀釋易燃、易爆、有毒氣體，消除火災或中毒風險。
5. 調節貨艙溫濕度，防止貨物因汗濕（Sweat damage）受損。

二、通風系統種類

船舶通風系統主要依據「驅動動力」與「氣流壓差組織方式」進行分類：

1. 依驅動動力分類：

• 自然通風（Natural Ventilation）：不藉由機械動力，純粹仰賴大氣風壓（航行相對風速）及艙室內外之空氣溫度差所產生之重力熱浮力（煙囪效應）進行換氣。
• 機械通風（Mechanical / Forced Ventilation）：利用電動風機產生壓差，強制進行空氣輸送，通風量穩定且可控。

2. 依氣流組織與壓差控制分類：

核心觀念

本題旨在測驗驗船師對甲板輔機（Deck Machinery）中「起錨設備（Anchor Equipment）」的系統組成、物理性能要求與動力配置原理的掌握程度。主要依據與核心知識包括：

1. 名詞定義與工作原理：起錨機（Windlass）之機械配置（鏈輪、離合器、帶式煞車、減速齒輪箱等）及船用標準術語。
2. 性能特性與規範要求：考查中國驗船中心（CR）《鋼船建造與入級規範》第四篇、國際船級協會招牌規範（IACS UR A1）以及我國《船舶設備規則》對錨機連續起錨速度（通常不小於 $9\text{ m/min}$）、破土力（Breakout force）、過載能力（1.5 倍工作拉力持續 2 分鐘）及煞車保持力（通常需達鏈條破斷負荷之 45%～80%）之物理與工況特性。
3. 動力源分類與選用考量：電動式、電氣液壓式（電動液壓式）與蒸汽式錨機的運轉特性、防爆要求、調速平滑度及在現代商船（如貨櫃船、散裝船、油輪）之適用性差異。

解題方法

本題為標準的申論型簡答與論述題，答題架構應採「定義 $\rightarrow$ 功用 $\rightarrow$ 關鍵特性（含法規工況要求） $\rightarrow$ 動力源分類與優缺點比較」，層次分明：

1. 定義切入：開門見山定義錨機的安裝位置、主要驅動對象及基本功能。
2. 功用歸納：從「拋錨」、「起錨」、「繫泊」、「緊急止動」四個作業情境進行條列說明，展現輪機實務視角。
3. 特性剖析：不能僅泛泛而談「力氣大」，必須以輪機工程與驗船規範角度，從「低速大扭矩與過載能力」、「調速範圍與自適應性」、「煞車制動力與重力自由拋錨」、「耐候防水與防爆等級」四大工程特性展開。
4. 動力源分類：區分「電動」、「電氣液壓（油壓）」與「蒸汽」三大主流動力源，並補充小型船之「柴油／手動」，說明各類之驅動原理、特性與適用船型。

選項分析

本題為申論題，無選擇題選項。評分給分點與作答要點對應如下：

• 第一子題（定義）：需答出「專用於收放錨與錨鏈之甲板甲板輔機，通常安裝於艏樓甲板（Forecastle Deck）」。
• 第二子題（功用）：需涵蓋起錨、動力下放錨、自由拋錨控制、協助繫泊靠泊（配備副卷筒/絞纜頭 Warping Head）等完整功能。
• 第三子題（特性）：需列出低速大扭矩、具短期超載能力、可空載高速收纜、機械帶式煞車獨立制動、離合器脫開自由拋錨等實務工況特性。
• 第四子題（動力源分類）：需清楚區分電動式（交流變極／變頻調速）、電液式（高低壓液壓馬達驅動）、蒸汽式（往復式蒸汽機，具防爆防悶車特點），並具體對比優劣點。

解題技巧

1. 答題結構化：使用醒目的標題與條列式，每一項特性務必扣合「船舶操縱」與「驗船安全規範」，切忌口語化描述。
2. 名詞精準度：寫出關鍵零組件之專業名詞，如「鏈輪（Gypsy / Wildcat）」、「止鏈器（Chain Stopper）」、「副卷筒／絞纜頭（Warping End / Drum）」、「帶式煞車（Band Brake）」，會大幅提升給分水準。
3. 陷阱防範：

• 拋錨時通常不是靠動力反轉硬放，而是靠鬆開離合器利用錨與錨鏈自重自由下墜、以帶式煞車控制降速；但在深水錨泊時會先動力倒退放下至接近海底（Walk-back）。此區別若能在特性中寫出，即為高分關鍵。
• 討論動力分類時，務必說明「油輪（Tanker）過往採用蒸汽式係基於防爆考量」，現代則以電液式與防爆電動式為主，切合航運科技演進。

【答案】

一、錨機之定義（Definition）

**錨機（Windlass / Anchor Windlass）**是裝設於船舶艏樓甲板（Forecastle Deck）之重型甲板輔機。其主要透過原動機經減速機構帶動鏈輪（Gypsy wheel / Wildcat）旋轉，用以操縱、絞收、受控下放與固定船錨（Anchor）及錨鏈（Anchor Chain），為保障船舶於錨地停泊、靠離泊操縱及應急制動的核心安全設備。