115 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

本題考查柴油機的「掃氣（Scavenging）」定義、發生時機及主要作用。

掃氣是指在排氣行程末期或掃氣期間，利用新鮮空氣流入汽缸，將燃燒後的廢氣排出汽缸，並以新鮮空氣取代殘留廢氣的換氣過程。

其本質是汽缸內的氣體交換，涉及：

• 廢氣排出
• 新鮮空氣導入
• 殘留廢氣降低
• 新鮮空氣充填汽缸

解題方法

判斷掃氣的內容，可掌握「排除廢氣、補入新鮮空氣」兩個動作：

$$\text{掃氣}=\text{新鮮空氣流入汽缸}+\text{燃燒廢氣排出汽缸}$$

柴油機燃燒後，汽缸內仍含有高溫、高壓的燃燒廢氣。若這些廢氣未能有效排出，會占據汽缸容積，使下一循環能進入的新鮮空氣量減少。因此，掃氣必須在排氣閥開啟、排氣口開放，且進氣閥或掃氣口開啟的時段進行。

四行程柴油機

四行程柴油機通常在排氣行程末期與進氣行程初期，排氣閥尚未完全關閉、進氣閥已開始開啟，形成氣門重疊（Valve Overlap）。此時利用新鮮空氣流入汽缸，將殘留廢氣推送出去，即為掃氣作用。

二行程柴油機

二行程柴油機在排氣閥或排氣口開啟後，掃氣口開啟，新鮮空氣由掃氣空間進入汽缸，將燃燒廢氣排出。新鮮空氣通常由掃氣泵、鼓風機或渦輪增壓器提供足夠壓力。

二行程柴油機的掃氣方式常見有：

• 橫流掃氣（Cross-flow Scavenging）
• 迴流掃氣（Loop Scavenging）
• 單流掃氣（Uniflow Scavenging）

大型船用低速二行程柴油機多採單流掃氣，通常由汽缸下部掃氣口送入新鮮空氣，廢氣經汽缸上部排氣閥排出，氣流方向較為單純，掃氣效率較高。

掃氣的主要目的

1. 排出燃燒後的廢氣

掃氣首先要將燃燒後殘留於汽缸內的廢氣排出，降低汽缸內的殘餘廢氣量。

若廢氣排出不完全，殘餘廢氣會稀釋新鮮空氣，使下一循環的混合氣含氧量下降。

2. 充填足量的新鮮空氣

掃氣可提高汽缸內的新鮮空氣充填量，使燃料獲得充分氧氣。進入汽缸的新鮮空氣量增加，通常能提升燃燒效率與輸出功率。

汽缸充氣能力可用容積效率表示：

核心觀念

鍋爐爆管是指鍋爐受熱面管因管壁強度降低、金屬溫度過高、內外壓力作用或機械損傷而發生裂紋、穿孔或破裂，使高溫高壓水、蒸汽或汽水混合物大量洩漏。

本題應掌握三個判斷方向：

1. 管壁金屬溫度是否過高
2. 管壁厚度與材料強度是否降低
3. 管子是否受到壓力、熱應力、振動或腐蝕等長期作用

鍋爐管的承壓能力可用薄壁圓筒環向應力表示：

$$\sigma_h=\frac{pD}{2t}$$

其中：

• $\sigma_h$：管壁環向應力
• $p$：管內外壓力差
• $D$：管徑
• $t$：管壁厚度

當管壁因腐蝕、磨耗或高溫蠕變而變薄時，$t$ 減小，環向應力即增加，爆管風險隨之升高。

---

解題方法

本題適合採用「原因分類—失效機制—預防措施」的方式作答。原因可分為：

1. 過熱與熱應力
2. 水側結垢、腐蝕與循環不良
3. 火側腐蝕、磨耗與火焰衝擊
4. 機械應力、振動與疲勞
5. 材料、製造及維修缺陷
6. 操作管理不當

每一項原因均應對應具體的預防方法，才能形成完整答案。

---

一、鍋爐爆管之主要原因

1. 管壁過熱

管壁過熱是鍋爐爆管最重要的原因之一。常見情形包括：

• 鍋爐水位過低，使部分受熱管失去水的冷卻。
• 管內水循環不良或循環中斷。
• 管內結垢，使熱量不能有效傳入鍋水。
• 燃燒器調整不良，火焰直接衝擊管壁。
• 局部受熱過強，造成管壁金屬溫度超過設計值。
• 停爐或點火程序不當，使受熱不均。

金屬溫度過高時，管材強度會降低，並可能發生高溫蠕變。長時間受高溫及內壓作用後，管壁會逐漸膨脹、變薄，最後破裂。

2. 管內結垢

鍋爐水中的鈣、鎂鹽類及其他雜質，會在水管內壁形成水垢。水垢的熱傳導率遠低於鋼管與水，因此會使管壁溫度急劇上升。

結垢造成的結果包括：

• 熱傳效率降低。
• 燃料消耗增加。
• 管壁金屬溫度升高。
• 管子局部過熱、變形及鼓包。
• 高溫蠕變後產生裂紋或爆管。

厚水垢也會縮小流通面積，使水循環更加惡化。

3. 管內水循環不良或阻塞

自然循環鍋爐依靠密度差形成水循環；強制循環鍋爐則依靠循環泵維持流量。下列情況會造成冷卻不足：

• 管內有水垢、污泥或腐蝕產物。
• 循環管路堵塞。
• 循環泵故障。
• 閥門開度錯誤。
• 鍋爐水位、負荷或燃燒狀態不當。
• 鍋爐內部設計或操作造成局部汽塞。

當管內流量不足時，管壁吸收的熱量無法及時由鍋水帶走，容易發生局部過熱及爆管。

4. 鍋爐水側腐蝕

水側腐蝕會使管壁逐漸變薄，降低承壓能力。主要形式包括：

• 溶氧腐蝕。
• 酸性腐蝕。
• 鹼性腐蝕。
• 點蝕。
• 腐蝕疲勞。
• 氫脆或氫損傷。

其中點蝕具有局部性，外觀上的平均管厚仍可能正常，但局部深坑已使實際承壓厚度大幅降低，容易形成穿孔。

5. 火側腐蝕與高溫腐蝕

燃料含有硫、釩、鈉等成分時，燃燒後可能形成腐蝕性灰分或熔融沉積物，附著於管子外表面，造成高溫腐蝕。

此外，煙灰、積碳及燃燒產物會：

• 阻礙熱傳。
• 造成局部高溫。
• 形成腐蝕性沉積物。
• 使管壁減薄。

6. 火焰直接衝擊管壁

燃燒器噴嘴偏移、霧化不良、燃燒器調整不當或火焰過長，均可能使火焰直接接觸受熱管。

火焰直接衝擊會造成：

• 局部金屬溫度過高。
• 管壁熱變形。
• 管材氧化及高溫腐蝕。
• 局部鼓包及裂紋。

此類損傷通常具有明顯的局部性。

7. 管壁磨耗與沖蝕

高速煙氣、含灰煙氣或管內高速水流，均可能造成管壁磨耗或沖蝕。常見位置包括：

• 煙氣轉向處。
• 管束間隙狹窄處。
• 吹灰器附近。
• 管子與擋板、支架接觸處。
• 管內流速過高或含有固體雜質之處。

磨耗會使管壁逐漸變薄，最後在正常工作壓力下破裂。

8. 熱膨脹受限制及熱疲勞

鍋爐升火、停爐或負荷變化過快時，管子內外及各部位的溫度不同，會產生熱應力。

若管子受到支架、管板或焊接接頭限制，熱膨脹無法自由伸縮，即會產生較大應力。長期反覆升降溫後，容易形成熱疲勞裂紋，尤其常見於：

• 管板與管子接合處。
• 焊接接頭。
• 彎管部位。
• 支撐及固定點附近。

9. 振動與機械疲勞

煙氣流動、燃燒器脈動、循環泵及船體振動，均可能使鍋爐管產生振動。若管子與擋板、支架或鄰近管子反覆碰撞，會造成磨耗及疲勞裂紋。

管子固定不良、支撐鬆脫或管束間距不當，會加重此類損傷。

10. 材料、製造及維修缺陷

管材本身若有夾渣、裂紋、偏析、壁厚不足或材質不符，會成為破壞起點。製造及修理時的下列缺陷也可能造成爆管：

• 焊接不良。
• 未完全熔合。
• 焊縫內部缺陷。
• 管子脹接不良。
• 管板孔加工不良。
• 更換管材規格不符。
• 熱處理不當。
• 修理後未進行適當壓力試驗。

11. 超壓及安全裝置失效

鍋爐蒸汽壓力過高，會增加管壁所承受的環向應力。若安全閥失靈、壓力控制器故障、蒸汽出口受阻或操作人員未依規定處理，可能造成超壓。

超壓通常不是管子初始損壞的唯一原因，但會使已經腐蝕、變薄或疲勞的管子迅速破裂。

12. 水錘及操作不當

給水、排污、蒸汽管路操作過快，或冷熱水突然進入高溫鍋爐，可能引起水錘及急劇熱衝擊。

常見操作錯誤包括：

核心觀念

本題考查蒸氣壓縮式冷凍循環中：

1. 過冷與過熱的定義及發生位置。
2. 液吸式熱交換器（Liquid-Suction Heat Exchanger, LSHE）的熱量交換原理。
3. 過冷、過熱對蒸發器冷凍效果、壓縮機工作及冷凍性能的影響。
4. 以壓力–焓圖（$p$–$h$ diagram）表示單段壓縮冷凍循環。

本題無涉及法條，以下依熱力學定義及冷凍循環原理作答。

---

一、過冷（Subcooling）

1. 定義

冷媒在某一壓力下，已完成冷凝成為液體後，繼續被冷卻，使其液體溫度低於該壓力所對應的飽和液體溫度，此現象稱為過冷。

過冷度為

$$\Delta T_{\mathrm{sub}} = T_{\mathrm{sat}}(p_{\mathrm{cond}}) - T_{\mathrm{liquid}}$$

其中：

• $T_{\mathrm{sat}}(p_{\mathrm{cond}})$：冷凝壓力下的飽和溫度。
• $T_{\mathrm{liquid}}$：冷凝器出口或膨脹閥入口的實際液體溫度。

因此，過冷液體位於壓力–焓圖飽和液線的左側。

2. 發生位置

過冷通常發生於：

• 冷凝器後段的液體區域；
• 冷凝器出口至膨脹閥之間的液管；
• 液吸式熱交換器內的高壓液體側。

冷凝器中的冷媒依序經歷：

1. 高壓過熱蒸氣降溫；
2. 等壓冷凝成為飽和液體；
3. 繼續放熱而成為過冷液體。

3. 過冷的作用

冷媒經膨脹閥節流時，通常可視為等焓過程：

$$h_{\mathrm{in}}=h_{\mathrm{out}}$$

過冷會降低膨脹閥入口焓值，使節流後的冷媒乾度降低、液體比例增加。因此：

• 蒸發器入口的閃發氣體減少；
• 蒸發器可利用的液態冷媒增加；
• 單位質量冷凍效果增加；
• 液管中較不易因壓力損失而產生閃發氣體；
• 可避免膨脹閥前液體不足。

蒸發器單位質量冷凍效果為

$$q_L=h_1-h_4$$

過冷後，$h_4$ 降低，因此 $q_L$ 增加。

---

二、過熱（Superheating）

1. 定義

冷媒在某一壓力下，已完全蒸發成為飽和蒸氣後，繼續吸熱，使其蒸氣溫度高於該壓力所對應的飽和蒸氣溫度，此現象稱為過熱。

過熱度為

$$\Delta T_{\mathrm{sup}} = T_{\mathrm{vapor}} - T_{\mathrm{sat}}(p_{\mathrm{evap}})$$

其中：

• $T_{\mathrm{vapor}}$：蒸發器出口或壓縮機吸入口的實際蒸氣溫度。
• $T_{\mathrm{sat}}(p_{\mathrm{evap}})$：蒸發壓力下的飽和溫度。

過熱蒸氣位於壓力–焓圖飽和蒸氣線的右側。

2. 發生位置

過熱通常發生於：

• 蒸發器後段；
• 蒸發器出口至壓縮機吸入口之間的吸氣管；
• 液吸式熱交換器內的低壓吸氣側。

蒸發器中的冷媒依序經歷：

1. 液–氣兩相混合物吸熱；
2. 完成蒸發成為飽和蒸氣；
3. 繼續吸熱而成為過熱蒸氣。

3. 過熱的作用

適度過熱可確保進入壓縮機的是乾燥蒸氣，避免液態冷媒進入壓縮機而造成：

• 液擊；
• 閥片損壞；
• 活塞或螺桿受損；
• 潤滑油稀釋；
• 壓縮機故障。

然而，過度過熱會使：

• 壓縮機吸氣比容增加；
• 吸氣密度降低；
• 壓縮機的質量流率及容積效率降低；
• 壓縮終點溫度升高；
• 壓縮功增加。

因此，過熱必須維持在足以防止液擊的適當範圍內。

---

三、單段壓縮冷凍循環

以一般單段壓縮蒸氣循環表示如下：

• $1$：壓縮機入口；
• $2$：壓縮機出口；
• $3$：冷凝器出口；
• $4$：膨脹閥出口、蒸發器入口。

基本循環為：

$$1\rightarrow2\rightarrow3\rightarrow4\rightarrow1$$

各過程如下：

$1\rightarrow2$：壓縮

壓縮機將低壓過熱蒸氣壓縮成高壓過熱蒸氣。理想等熵壓縮可表示為

$$s_1=s_2$$

實際壓縮則有

$$s_2>s_1$$

$2\rightarrow3$：冷凝

高壓過熱蒸氣在冷凝器中放熱，先降溫，再冷凝成液體，並可繼續冷卻形成過冷液體。

$3\rightarrow4$：節流

膨脹閥使冷媒由高壓降為低壓，理想上為等焓節流：

$$h_3=h_4$$

節流後形成低壓液–氣兩相混合物。

$4\rightarrow1$：蒸發

冷媒在蒸發器中吸收被冷卻物的熱量，完全蒸發後再產生適度過熱，成為壓縮機入口蒸氣。

---

四、液吸式熱交換器的構造及作用

1. 熱交換方式

液吸式熱交換器使兩股冷媒互相換熱：

• 高壓液管中的液態冷媒放熱，產生過冷；
• 低壓吸氣管中的蒸氣吸熱，產生過熱。

熱交換器通常設置於：

• 冷凝器出口與膨脹閥之間的液管；
• 蒸發器出口與壓縮機入口之間的吸氣管。

其基本熱量平衡為

核心觀念

柴油機潤滑系統是利用具有適當黏度與品質的潤滑油，在相對運動零件間形成油膜，以降低摩擦、減少磨耗，並兼具冷卻、清潔、密封、防蝕及傳遞控制油壓等功能。

潤滑效果主要取決於：

• 潤滑油黏度是否適當。
• 油膜厚度是否足以隔離金屬表面。
• 潤滑油供給壓力與流量是否正常。
• 潤滑油溫度、清潔度及化學性質是否符合要求。
• 軸承間隙、負荷及轉速是否適當。

柴油機運轉時，曲軸軸頸、軸承、活塞與汽缸套、凸輪與挺桿、齒輪及渦輪增壓器軸承等零件均依賴潤滑油維持正常運轉。

解題方法

本題宜採「功能分類」與「失效後果」兩部分作答：

1. 先說明潤滑系統的基本目的，即在運動表面形成油膜。
2. 再依序列出潤滑油的主要功能。
3. 最後將潤滑不良分為供油不足、油質不良及溫度異常等原因，說明其對柴油機各部件造成的具體損害。

作答時不可只寫「減少摩擦」，須將潤滑油對熱量、污染物、氣體密封及腐蝕的作用一併說明，才能完整呈現柴油機潤滑系統的工程功能。

柴油機潤滑系統之功能

一、降低摩擦與磨耗

潤滑油進入相對運動的金屬表面之間，形成液體油膜，使零件由金屬直接接觸轉變為油膜間的相對滑動。

在正常情況下，油膜可承受零件間的負荷，使摩擦阻力降低。柴油機常見需潤滑部位包括：

• 主軸承與曲軸軸頸。
• 連桿軸承與曲柄銷。
• 活塞環與汽缸套。
• 凸輪、挺桿及搖臂。
• 齒輪及傳動機構。
• 渦輪增壓器軸承。

潤滑油黏度過低、供油量不足或油膜被破壞時，將發生邊界潤滑甚至金屬直接接觸，使摩擦與磨耗急劇增加。

二、冷卻運動零件

潤滑油可帶走軸承、活塞底部、活塞銷、齒輪及渦輪增壓器軸承所產生的摩擦熱與部分燃燒傳遞熱。

大型柴油機常以活塞冷卻油噴嘴將潤滑油噴向活塞內側，使活塞溫度維持在適當範圍。潤滑油吸收熱量後，流經濾器、冷卻器，再回到油底殼或循環油櫃。

若冷卻功能不足，將造成：

• 活塞過熱。
• 活塞環失去彈性或黏著。
• 汽缸套與活塞間隙異常。
• 軸承溫度升高。
• 潤滑油氧化變質。

三、清潔與帶走污染物

潤滑油可將磨耗金屬屑、積碳、油泥、氧化生成物及部分燃燒污染物帶回油底殼，再由濾器、離心分油機或其他淨化設備加以分離。

潤滑油中的清淨分散添加劑可使污染物保持懸浮狀態，避免其大量沉積於活塞環槽、油道及軸承表面。

若潤滑油清潔能力不足，污染物將堵塞油道、刮傷軸頸，並加速軸承及汽缸套的磨耗。

四、提供密封作用

潤滑油可填補活塞環與汽缸套之間的微小間隙，協助燃燒室維持壓縮壓力，減少燃燒氣體竄入曲軸箱。

良好的油膜密封可使：

• 壓縮壓力維持正常。
• 爆發壓力有效作用於活塞。
• 燃燒氣體竄漏量降低。
• 柴油機輸出功率維持正常。

若油膜過薄、活塞環磨損或汽缸套潤滑不良，將造成漏氣、曲軸箱壓力升高及機油消耗量增加。

五、防止腐蝕與鏽蝕

潤滑油可在金屬表面形成保護膜，隔絕水分、酸性物質及燃燒生成物，降低零件腐蝕與鏽蝕。

柴油含硫燃燒後會生成酸性物質，燃燒氣體中的水分與酸性成分會加速汽缸套、活塞環及排氣閥等部位的低溫腐蝕。因此，潤滑油須具備適當的鹼值及防蝕能力。

潤滑油含水、鹼值不足或油質劣化時，零件腐蝕速度將加快。

六、傳遞液壓與執行控制功能

部分現代柴油機以潤滑油兼作液壓控制油，供應下列設備：

• 液壓排氣閥驅動機構。
• 可變噴油正時裝置。
• 液壓挺桿。
• 調速器及其他控制機構。
• 渦輪增壓器可變幾何機構。

此時潤滑油除須具有潤滑功能，亦須維持穩定的壓力、黏度及清潔度。油壓不足或油道阻塞將使控制機構動作遲滯甚至失效。

七、減少振動並吸收衝擊

油膜具有一定的緩衝作用，可吸收軸承、齒輪及凸輪機構在高負荷運轉時的部分衝擊，降低金屬接觸所造成的噪音與振動。

潤滑不良之原因及造成的問題

一、潤滑油供給量不足或油壓過低

常見原因包括：

• 油櫃油位過低。
• 潤滑油泵磨損或故障。
• 吸油管漏氣或堵塞。
• 濾器阻塞。
• 油道堵塞。
• 軸承間隙過大，導致漏油量增加。
• 壓力調整閥故障。
• 潤滑油溫度過高，使黏度降低。

其結果包括：

核心觀念

本題考查離心泵的基本工作原理，以及啟動前「引注（Priming）」的必要性。

離心泵藉由葉輪高速旋轉，使液體獲得速度能，再轉換為壓力能與位能。其正常運轉必須具備下列條件：

1. 泵殼內充滿輸送液體。
2. 吸入管內形成連續液柱。
3. 葉輪能將液體由吸入口導向吐出口。
4. 泵內空氣已排除，避免氣塞（Air lock）。

離心泵本身通常不具備抽除大量空氣的能力。由於空氣密度遠小於液體，葉輪旋轉時對空氣所產生的壓差及輸送能力很小，無法有效建立液體所需的吸入作用。因此，啟動前必須先將泵殼及吸入管充滿液體，此程序即為引注。

泵的壓力水頭可表示為：

$$H=\frac{p_2-p_1}{\rho g}+\frac{v_2^2-v_1^2}{2g}+(z_2-z_1)$$

式中 $\rho$ 為液體密度。離心泵的正常水力性能是以液體已充滿泵內為前提；若泵內充滿空氣，實際輸送能力與理論性能均無法建立。

解題方法

本題可依「為何需要引注 → 未引注的後果 → 常見引注方式」三個層次作答。

一、為何需要引注

引注的目的，是將離心泵泵殼、葉輪流道及吸入管內的空氣排出，並以液體填滿，使泵內形成連續液柱。

啟動後，葉輪旋轉會使葉輪中心形成較低壓力，液體在大氣壓力或供液端壓力作用下，經吸入管進入泵內。其基本條件可概括為：

$$p_{\text{供液面}}-p_{\text{泵吸入口}} \geq \rho g h_f+\rho g h_s$$

其中 $h_f$ 為吸入管路摩擦損失，$h_s$ 為吸上高度。此壓差只有在吸入管內存在連續液柱時才具備實際抽吸作用。

若吸入管及泵殼內含有大量空氣，則：

• 空氣柱無法提供有效的液體連續性。
• 葉輪難以建立穩定的低壓吸入口。
• 泵只是在攪動空氣，無法將液體送出。
• 泵的正常流量、壓力及揚程均無法形成。

因此，引注的本質是「建立連續液柱並排除泵內空氣」，而非單純將泵殼潤濕。

二、未引注的後果

未引注而直接啟動離心泵，常見後果如下：

1. 無法吸液及無流量

泵內為空氣時，葉輪無法像處理液體一樣產生有效壓差，導致泵不能正常吸液，吐出口無流量或流量極低。

2. 發生氣塞及運轉不穩

吸入管內的空氣會形成氣塞，使液體柱中斷。泵可能出現壓力表指針劇烈擺動、流量不穩、異常噪音及振動等現象。

3. 泵浦乾轉

乾轉是未引注最嚴重的危險。泵軸封、機械軸封、填料及軸承等部位，常須依靠輸送液體冷卻或潤滑。沒有液體通過時，會造成：

• 機械軸封乾磨、燒損及洩漏。
• 填料過熱、磨損。
• 葉輪與耐磨環過熱或損壞。
• 泵軸及軸承受到不正常熱負荷與振動。

4. 產生嚴重噪音與振動

泵內氣液混合及流量不穩，會造成不平衡運轉。若液體稍後突然進入泵內，也會產生水擊或瞬間負荷變化。

5. 縮短泵及驅動機壽命

長時間無流量、乾轉或異常振動，會使軸封、軸承、葉輪、聯軸器及馬達受到損害，並增加維修頻率。

須注意，引注不足與汽蝕並非同一現象。引注不足主要是泵內有空氣、泵浦無法建立正常吸液作用；汽蝕則是液體局部壓力低於蒸氣壓而產生蒸氣泡。兩者均會造成噪音、振動及性能下降，但成因不同。

常見引注方式

1. 由泵頂部注液