112 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

船舶柴油主機排氣中的氮氧化物（$NO_x$）主要包括一氧化氮（$NO$）及二氧化氮（$NO_2$）。柴油機燃燒溫度高，空氣中的氮與氧在高溫下反應，形成的熱力型 $NO_x$ 是主要來源。因此減量的基本方向是降低燃燒最高溫度、縮短高溫氣體停留時間，或降低燃燒區氧濃度。

法規依據為《MARPOL 73/78 公約附則 VI》第 13 條及《2008 年氮氧化物技術章程》。船舶柴油機須依適用的 Tier I、Tier II 或 Tier III 排放限值管制；Tier III 限值較嚴，適用於指定的氮氧化物排放管制區及符合規定的船舶、主機。本題法規說明以命題當年（民國 112 年）法規為準。

解題方法

依控制位置分類作答最清楚：先說明降低缸內生成量的「機內措施」，再說明處理排氣中既有 $NO_x$ 的「排氣後處理」。每項技術都交代其減量原理，並補充主要限制或適用考量。

一、機內減量措施

1. 延遲燃油噴射正時 延後噴油可降低燃燒最高溫度，減少高溫下氮與氧反應的程度，因而降低 $NO_x$。缺點是燃燒相位延後，可能使燃油消耗率增加、排氣溫度升高，且煙度或微粒排放可能增加。

2. 改善燃油噴射與燃燒控制 採用電子控制噴油、共軌噴射、適當調整噴油壓力與噴油率，可控制燃燒速率及缸內溫度，降低 $NO_x$。須兼顧燃燒效率、燃油消耗與微粒排放，不能只追求降低燃燒溫度。

3. 廢氣再循環（EGR） 將部分排氣經冷卻、清潔後導回進氣側。再循環廢氣稀釋進氣中的氧，並提高混合氣熱容量，使燃燒溫度下降，進而減少 $NO_x$。其代價包括系統複雜、排氣中的硫與微粒可能造成積垢或腐蝕，並須處理清洗水等問題。

核心觀念

本題考查三鼓式自然循環水管鍋爐的構造與水、汽循環原理，以及自然循環對產汽量的限制。典型三鼓式鍋爐有一個上方汽鼓及兩個下方水鼓；水在受熱管內汽化，汽水混合物上升至汽鼓，利用熱水與汽水混合物的密度差形成自然循環。

主要構件及功能

1. 汽鼓（steam drum） 位於鍋爐上方，接收受熱管送來的汽水混合物，分離蒸汽與水。分離後的蒸汽可送往過熱器或蒸汽管路；鼓內的水則供循環使用，也具有一定的蓄水、蓄汽作用。

2. 水鼓（water drum／mud drum） 位於下方，與汽鼓及水管相連，作為水的集管與分配空間，使水能進入各管束；也可沉積水垢、泥渣，並設置排污管。

3. 下降管（downcomer） 將汽鼓或水鼓中的較冷、含汽量低的水導向下方水鼓或管束入口。下降管通常避開強烈受熱區，使其中水的密度較高，提供自然循環所需的下降水柱。

4. 上升管／蒸發管（riser／generating tubes） 管內水受到爐膛熱量加熱，部分汽化後形成汽水混合物，密度降低並上升至汽鼓。管束同時提供主要蒸發受熱面。

5. 爐膛與燃燒設備 燃料在爐膛內燃燒，產生高溫燃氣；燃氣掃過水管外側，將熱量傳給管內水。爐膛及燃燒設備的容量，決定可供鍋爐吸收的熱量。

6. 擋板與煙道 引導燃氣依序流經各受熱面，延長燃氣與管束接觸的時間，提高傳熱效果；燃氣最後經煙道排出。

7. 過熱器（若設置） 利用燃氣餘熱將汽鼓送出的飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽，以供主機或其他設備使用。

8. 給水及排污設備 給水設備補充蒸發所損失的水量；排污設備排出水鼓中的沉積物及部分鍋水，以控制鍋水濃度與水質。

解題方法：自然循環如何形成

先辨認三鼓配置，再沿水流方向說明各構件功能。循環的驅動力來自受熱上升管與較冷下降管之間的密度差：

核心觀念

本題考閃激室中間冷卻的雙級壓縮冷凍循環，重點是把高壓液態冷媒先節流至中間壓力，在閃激室分離成飽和蒸氣與飽和液體：蒸氣與低壓壓縮機排氣混合後進入高壓壓縮機；液體再節流至蒸發壓力，進入蒸發器。

以下以狀態點表示循環：

• $1\to2$：低壓壓縮機壓縮，冷媒由蒸發壓力升至中間壓力。
• $2+7\to3$：低壓壓縮機排氣與閃激室分離出的蒸氣混合。
• $3\to4$：高壓壓縮機壓縮，升至冷凝壓力。
• $4\to5$：冷凝器放熱，冷媒凝結為高壓液體。
• $5\to6$：第一膨脹閥節流至中間壓力，近似等焓，故 $h_6=h_5$。
• $6\to7,8$：閃激室分離；$7$ 為中間壓力飽和蒸氣，$8$ 為中間壓力飽和液體。
• $8\to9$：第二膨脹閥節流至蒸發壓力，近似等焓，故 $h_9=h_8$。
• $9\to1$：蒸發器吸熱，冷媒蒸發後回到低壓壓縮機。

解題方法：$P$-$h$ 圖與流量關係

題目未提供冷媒種類及各段壓力，因此應畫出定性循環圖，不標示數值。縱軸為壓力 $P$，橫軸為焓 $h$；兩個節流過程在 $P$-$h$ 圖上為等焓線，壓縮過程則向高壓、較高焓方向移動。

 P
 ↑
冷凝壓力│ 4 ───── 5
 │ ↗ │ 第一膨脹閥
中間壓力│ 2 ─── 3 6
 │ ↑ ↑ │ 閃激室分離
 │ │ └── 7 8
 │ │ │ 第二膨脹閥
蒸發壓力│ 1 9 ─────
 │ ↑ │
 └────────────────────────────────────────→ h
 低壓壓縮機 蒸發器

圖中流程應讀作：$1\to2$ 低壓壓縮；$2$ 與 $7$ 混合成 $3$；$3\to4$ 高壓壓縮；$4\to5$ 冷凝；$5\to6$ 第一次節流；閃激室將 $6$ 分成 $7$ 與 $8$；$8\to9$ 第二次節流；$9\to1$ 蒸發。混合點 $3$ 的焓由能量平衡決定。

設蒸發器冷媒流量為 $\dot m_L$，閃激蒸氣流量為 $\dot m_F$，則高壓壓縮機流量為 $\dot m_H=\dot m_L+\dot m_F$。閃激室的質量與能量平衡為：

因此閃激蒸氣比例為：

核心觀念

本題考離心式泵的能量轉換原理，以及泵在轉速與葉輪固定時，排量（流量）改變對揚程、效率與軸輸入功率的影響。特性曲線通常以排量 $Q$ 為橫軸，分別繪出揚程 $H$、效率 $\eta$、軸功率 $P$ 隨 $Q$ 的變化。

離心式泵主要由葉輪、泵殼及吸入與排出管路構成。葉輪旋轉時，液體由葉輪中心（葉眼）進入，受葉片推動而獲得速度與壓力能，並向外緣流動；液體進入泵殼後，流道截面逐漸擴大，流速降低，部分速度能轉換為壓力能。液體被排出後，葉輪中心形成較低壓力，吸入側液體因而持續流入。

泵的有效水力功率為

其中 $\rho$ 為液體密度、$g$ 為重力加速度、$Q$ 為體積流量、$H$ 為泵的總揚程。泵效率為

$P_{\mathrm{軸}}$ 為原動機傳入泵軸的功率。

解題方法與特性曲線

題目未指定泵型、轉速及系統管路，因此以一般離心式泵在固定轉速、固定葉輪直徑下的典型特性曲線說明。泵曲線表示泵本身在不同流量下所能提供的揚程；實際運轉點則由泵曲線與管路系統曲線的交點決定。

揚程 H、效率 η、功率 P
↑
│ H ╲
│ ╲
│ ╲
│ ╲
│ η ∩
│ / ╲
│ P /
│ /
└──────────────────→ 排量 Q
 關閉閥 最佳效率點

上圖為示意：揚程曲線通常隨流量增加而下降；效率曲線先升後降；軸功率曲線通常隨流量增加而上升。曲線形狀與實際數值依泵的設計及性能資料而定。

排量對各項性能的影響

效率 $\eta$：先升後降。 在小流量區，液體在泵內的回流、渦流及摩擦損失占比高，效率較低。流量增加後，內部流動逐漸接近葉輪的設計工況，效率上升至最高點，即最佳效率點（BEP）。

核心觀念

液壓舵機以液壓泵供油，將液壓能轉換為舵葉的轉動。舵機的轉舵速度主要取決於泵送至舵機作動器的有效流量；操舵後的動作遲滯則表示操舵指令傳到作動器，或液壓力建立並帶動舵葉的過程不順暢。

以作動器有效排量（或每轉所需油量）$D$、供油流量$Q$及轉舵角速度$\omega$表示，理想狀態下：

因此，流量不足會使轉舵速度變慢；若系統內有空氣、控制機構反應不良或舵系阻力過大，則會出現操舵後延遲、動作遲鈍。

解題方法

依液壓傳動路徑逐段檢查：先看油液與吸油狀況，再看泵及控制閥，接著檢查舵機作動器、管路與舵系負載。回答時須分別指出「流量或壓力不足」造成的轉舵慢，以及「指令傳遞或力量建立不及」造成的動作遲滯。

轉舵速度過慢的原因

1. 液壓油量不足或油液狀況不良：油箱油位過低、油液黏度不適當，或油液受污染，會使泵供油不穩或流量下降。
2. 吸油受阻或泵吸入空氣：吸油濾器堵塞、吸油管路阻塞或接頭漏氣，會造成泵吸油不足，甚至產生氣蝕。
3. 泵的供油能力下降：泵磨耗、內部洩漏增加、驅動轉速不足，或泵未正常投入運轉，均會使實際流量降低。
4. 溢流閥或控制閥故障：溢流閥設定壓力過低、閥芯卡滯或閥座洩漏，會使油液提早回流油箱；方向控制閥開度不足或油路節流，也會限制供油。
5. 管路及作動器內漏：管路接頭洩漏、舵機油缸活塞密封不良，或旋葉式舵機內部密封磨損，會使有效流量及建立的壓力減少。