108 年 國立成功大學系統及船舶機電工程研究所丁組《輪機工程》

好的，這題是關於往復式活塞引擎的移程容積與性能評估，主要考驗對引擎基本參數的理解以及如何從不同角度評估引擎性能。

(a) 往復式活塞引擎的移程容積定義

往復式活塞引擎的移程容積（Displaced Volume），又稱為汽缸排量（Cylinder Displacement）或衝程容積，是指活塞在一個衝程（從上死點到下死點或從下死點到上死點）運動時，汽缸內掃過的體積。對於單汽缸引擎，移程容積等於汽缸截面積乘以活塞的衝程（Stroke）。

對於多汽缸引擎，總移程容積是單汽缸移程容積乘以汽缸數量。其數學表達式為：
$V_d = A_p \times L \times n$
其中：

• $V_d$ 為總移程容積 (Displaced Volume)
• $A_p$ 為汽缸截面積 (Piston Area)，即 $A_p = \frac{\pi D^2}{4}$，D 為汽缸直徑 (Bore)
• $L$ 為活塞衝程 (Stroke)
• $n$ 為汽缸數量 (Number of cylinders)

(b) 移程容積越大，制動功率就越大，是否代表性能越好？

通常情況下，引擎的移程容積越大，其能夠吸入的空氣量和噴射的燃油量也越多，在相同的燃燒效率和轉速下，產生的指示功（Indicated Work）也越大。而制動功率（Brake Power, $P_b$）是從曲軸輸出的淨功率，它與指示功有關，但會扣除機械損失（如摩擦損失）。因此，移程容積越大，通常制動功率也越大。

然而，移程容積越大，並不直接代表引擎的性能就一定越好。原因如下：

1. 效率考量：引擎的性能不僅僅是絕對功率的大小，還包括燃油經濟性、熱效率等。大型引擎雖然總功率大，但其單位排量功率（Specific Power Output, 功率/移程容積）可能不如小型高效引擎。
2. 運轉條件：引擎的性能表現與其運轉的轉速（RPM）和負載密切相關。在低轉速或低負載下，大排量引擎的優勢可能無法完全發揮，甚至可能因為燃燒不完全而效率低下。
3. 機械設計與強度：大排量引擎需要承受更大的燃燒壓力，對材料強度、結構設計和冷卻系統的要求更高，這會增加製造成本和重量。
4. 應用場合：不同應用場合對引擎性能的要求不同。例如，在需要高機動性的場合，輕巧且響應迅速的引擎可能比笨重的大排量引擎更受青睞。

因此，單純以移程容積大小來判斷引擎性能優劣是片面的。

(c) 可取代制動功率的參數以判斷引擎性能優劣

核心觀念

本題考查船舶柴油主機之**潤滑系統（Lubricating Oil System）**架構，核心觀念包含：

1. 濕油池式（Wet Sump）與乾油池式（Dry Sump）之區別：
   • 濕油池（Wet Sump）：曲軸箱底部即為儲油底殼（Oil Pan / Sump），潤滑油重力回流後直接積存於此，主機自帶循環泵直接自底殼抽油。多見於中、小型高速柴油機或發電機副機。
   • 乾油池（Dry Sump）：曲軸箱底部不儲存油，油液滴落後迅速經由排油管（Scupper / Drain pipe）重力洩放至雙層底的循環油櫃（Drain Tank / Sump Tank）。大型二行程十字頭柴油主機皆屬乾油池式。
2. 全流過濾系統（Full-Flow Filtration System）：
   • 主潤滑油泵泵出的全部潤滑油量，在進入柴油機各摩擦副潤滑點（主軸承、曲拐軸承、活塞冷卻等）之前，百分之百流經主濾清器。
   • 系統必備旁通安全閥（Bypass Relief Valve）：當濾芯堵塞造成壓差過大時，旁通閥自動開啟，確保「寧可髒油潤滑，不可斷油潤滑（Lubrication starvation）」。
3. 系統之基本功能：減摩潤滑（Lubrication）、散熱冷卻（Cooling）、清洗碎屑（Cleaning）、防蝕保護（Corrosion Protection）及填隙密封（Sealing）。

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解題方法

解答此類繪圖與說明題，應採取「系統流程圖 $\to$ 流程路徑說明 $\to$ 各部件功能解析 $\to$ 系統總體功能總結」的架構：

1. 繪製標準系統流程圖：清楚描繪出油池、吸油粗濾器、主循環泵、調壓溢流閥、滑油冷卻器、溫度控制閥、全流濾清器（附旁通安全閥）、柴油主機各潤滑部件及重力回油管路。
2. 明確標註油路流向：依循吸入、加壓、冷卻、過濾、分配潤滑、回流的封閉循環步驟說明。
3. 逐一交代全流濾器與濕油池之特徵與功能，扣緊題目要求。

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系統架構流程圖

核心觀念

燃氣渦輪機（Gas Turbine）的理想熱力循環為布雷頓循環（Brayton Cycle）。在維持工質不變且不使用複合動力系統（如燃氣/蒸汽聯合循環 Combined Cycle, STIG 等）的前提下，提升循環熱效率 $\eta_{\text{th}}$ 的根本途徑在於：

1. 熱效率定義： $$\eta_{\text{th}} = \frac{W_{\text{net}}}{Q_{\text{in}}} = \frac{W_{\text{turb}} - W_{\text{comp}}}{Q_{\text{in}}} = 1 - \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}$$
2. 卡諾原則（Carnot Principles）：
   提高吸熱過程的平均溫度（$\bar{T}_{\text{in}}$），或降低排熱過程的平均溫度（$\bar{T}_{\text{out}}$）： $$\eta_{\text{th}} \approx 1 - \frac{\bar{T}_{\text{out}}}{\bar{T}_{\text{in}}}$$
3. 可逆穩流功公式： $$w = -\int v \, dP$$
   • 對壓縮機而言，工質比容 $v$ 越小，所需壓縮功 $W_{\text{comp}}$ 越少。
   • 對渦輪機而言，工質比容 $v$ 越大，產生的膨脹功 $W_{\text{turb}}$ 越大。

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解題方法與分析

提升基本布雷頓循環熱效率的標準附屬裝置主要有三大項：回熱器（Regenerator / Recuperator）、中間冷卻器（Intercooler）、再熱器（Reheater），以及將三者結合的多級複合循環系統。

1. 增設回熱器（Regenerator / Recuperator）

• 原理與理由：
  • 在標準或適中壓力比（Pressure Ratio, $r_p$）下，燃氣渦輪排出的廢氣溫度 $T_4$ 高於壓縮機出口的空氣溫度 $T_2$（即 $T_4 > T_2$）。
  • 利用回熱器（氣-氣熱交換器）回收排氣餘熱來預熱進入燃燒室前的壓縮空氣，使得加熱至最高燃燒溫度 $T_3$ 所需的燃料吸熱量由 $Q_{\text{in}} = c_p(T_3 - T_2)$ 降低為 $Q_{\text{in}} = c_p(T_3 - T_{\text{regen}})$。
  • 由於排入大氣的廢氣溫度下降（降低 $\bar{T}_{\text{out}}$），且在輸出淨功 $W_{\text{net}}$ 大致不變的情況下減少了外加熱源吸熱量 $Q_{\text{in}}$，因此顯著提升熱效率。

2. 增設中間冷卻器（Intercooler，配合分段壓縮）

• 原理與理由：
  • 將壓縮過程拆分為低壓壓縮機（LPC）與高壓壓縮機（HPC），並在兩段之間安裝中間冷卻器，藉由冷卻水或空氣將工質降溫冷卻。
  • 依據 $w_{\text{comp}} = \int v \, dP$，氣體冷卻後比容 $v$ 縮小，使高壓段的壓縮功大幅減小，從而降低總壓縮功耗 $W_{\text{comp}}$，使循環淨功 $W_{\text{net}} = W_{\text{turb}} - W_{\text{comp}}$ 上升。

核心觀念

本題的核心觀念為船舶燃氣渦輪主機（Marine Gas Turbine Engine）的熱力循環原理（布雷登循環 Brayton Cycle）及其運轉所需之外部支撐子系統（Auxiliary Systems）。

燃氣渦輪機由「壓氣機（Compressor）」、「燃燒室（Combustor）」與「渦輪（Turbine）」組成，其高轉速、高熱負荷與空氣流率龐大的物理特性，決定了其無法像柴油機般自給所有運轉條件。為了建立循環並維持穩態與安全運轉，必須仰賴外掛或專屬的輔助機械系統：

1. 啟動需求：渦輪在靜止時無法產生扭矩，必須外加動力帶動壓氣機至點火轉速與自持轉速（Self-sustaining speed）。
2. 潤滑與冷卻需求：軸承轉速極高（通常達數千至上萬 RPM）且鄰近高溫燃氣流道，需連續供油潤滑、冷卻並帶走摩擦熱。
3. 燃料供應與調節需求：高壓噴射霧化燃料，並隨負載變化由調速器精確計量。
4. 流道與工質品質維護：高速吸入大量空氣，需過濾除鹽；停機後壓氣機葉片積鹽需清洗以維持氣動效率。
5. 停機後熱變形防範：停機後轉子熱蓄積龐大，需慢速盤車防止轉軸熱彎曲（Thermal Bowing）。

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解題方法

以**熱力工質流動與熱機生命週期（啟動 $\to$ 運轉 $\to$ 調控 $\to$ 停機冷卻）**作為切入點，將燃氣渦輪機運轉所需的輔機歸納為五大子系統，並逐一條列對應的輔機設備及其關鍵功能：

1. 啟動系統（Starting System）之輔機

• 啟動馬達／啟動渦輪（Starting Motor / Air Turbine Starter, ATS）：
  • 功能：燃氣渦輪機在靜止時無吸氣與壓縮能力，啟動輔機驅動高壓壓氣機旋轉，吸入空氣並壓縮，直至達到點火轉速（Firing Speed）；點火後持續協助加速，直到渦輪產生之功率足以自行帶動壓氣機（即達到自持轉速），此時啟動輔機自動脫離。常見型式包含高壓氣動渦輪啟動器（Air Starter）、電動馬達或液壓啟動馬達。

2. 潤滑油系統（Lubricating Oil System）之輔機

• 主潤滑油泵與輔助潤滑油泵（Main & Auxiliary L.O. Pumps）：
  • 功能：提供高轉速之主軸承（滑動軸承或滾動軸承）及減速齒輪箱足夠流量與壓力的潤滑油，形成動壓油膜以減磨並帶走軸承端大量摩擦熱與傳導熱。輔助潤滑油泵（通常為電動泵）用於主機啟動前建立油壓（預潤），以及主油泵故障或停機後進行冷卻循環（後潤）。
• 滑油冷卻器（L.O. Cooler）與過濾器（L.O. Filter / Strainer）：
  • 功能：冷卻器藉由海水或低溫淡水熱交換，維持滑油工作黏度與溫度；雙聯過濾器（Duplex Filter）濾除金屬磨屑與碳微粒，防止高精密軸承與軸封受損。
• 滑油排氣／油霧分離器（L.O. Mist Eliminator / Breather）：
  • 功能：軸承室通常通入密封空氣（Seal Air），回油中夾帶空氣與油霧，該設備負責分離油氣、回收潤滑油並防止機艙大氣污染。

3. 燃油系統（Fuel Oil System）之輔機

• 燃油輸送泵與高壓燃油增壓泵（F.O. Transfer Pump & High-Pressure Fuel Pump）：
  • 功能：輸送泵將燃油由儲油艙泵送至日用艙；燃油增壓泵則將柴油或輕柴油加壓至數十至上百 $\text{bar}$，提供燃燒室噴嘴霧化所需的充足壓力。
• 燃油淨油機與精細過濾器（F.O. Purifier & Micronic Filter）：
  • 功能：燃氣渦輪機對高溫腐蝕極為敏感（釩、鈉會形成低熔點釩酸鈉腐蝕葉片），需利用離心分離機（Centrifuge Purifier）分離水分及雜質，再經過濾精度極高的微米級濾芯，防止燃油噴嘴堵塞或燃燒不均。
• 燃油計量閥與速斷閥（Fuel Metering Valve & Fuel Shut-off Valve）：

核心觀念

本題評量輪機工程中船舶輔助鍋爐（Auxiliary Boilers）之分類、構造特徵與熱工水力特性。

1. 基本構造定義：

   • 火管式鍋爐（Fire-tube Boiler，如蘇格蘭鍋爐 Scotch Boiler）：燃燒產生的高溫煙氣（燃氣）在管內流動，爐水則包覆於管外（鍋殼內）。
   • 水管式鍋爐（Water-tube Boiler）：水與汽水混合物在管內循環吸熱，高溫燃氣則在管外沖刷流動。

2. 特性差異根源：
   兩者之蓄水量、蒸發表面積（水面面積）、熱傳幾何形態（管徑與管內外沈積物分布）及水循環動力不同，決定了蒸汽品質、給水水質寬容度及維護清潔的難易度。

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解題方法

本題為申論與比較題，解題結構分為兩大部分：

1. 區分與綜合比較：先定義兩者並列表從構造、水容量、工作壓力、蒸發率等面向對比。
2. 特性理由深入申論：針對題目指定的 3 個特點，從「幾何尺寸、流場水力、垢層熱阻與應力分布」等熱工原理逐一嚴謹說明。

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試題解析與詳解

一、 火管式與水管式鍋爐之區分與比較

比較項目	火管式鍋爐（Fire-tube Boiler）	水管式鍋爐（Water-tube Boiler）
介質流動配置	煙氣在管內，水在管外（鍋殼內部容水）	水與汽在管內，煙氣在管外
水容量與蓄熱量	水容量大、蓄熱能力強，對負荷波動適應力好	水容量小、蓄熱量低，對負荷波動需仰賴自動控制敏捷調節
工作壓力與容量限制	鍋殼受內壓作用，受限於圓筒應力（薄壁圓筒應力公式 $\sigma = \frac{p \cdot D}{2t}$），壓力與容量受限（一般 $< 2.0\text{ MPa}$）	管徑小、汽鼓直徑小，可承受高壓與極大蒸發量（高壓可達數十至上百 $\text{bar}$）
蒸汽產生速率	起汽慢（冷爐點火到達額定壓力時間長）	起汽快（管內水少、熱循環迅速）
汽水循環機制	大水體之自然對流	管群路徑明確之自然循環或強制循環
船舶應用定位	商船輔助鍋爐（雜用水、燃油加溫、生活蒸汽）	大型貨櫃船/油輪之主推進蒸汽動力、大容量惰氣產生系統及高壓輔鍋爐

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二、 火管式鍋爐具備下列特性之理由說明

(1) 有較高乾度的飽和水蒸汽（Higher Steam Quality / Dryness Fraction）

• 較大的蒸發表面積（Water Surface Area）與低汽化釋放率：
  火管鍋爐採用臥式或立式大容量汽筒設計，水面（汽水分離界面）相當寬闊。在相同或較低的蒸發量下，其單位水表面積的蒸汽逸出速度（釋放率，$\text{kg}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$）遠低於水管鍋爐的汽鼓（Steam Drum）。逸出速度低可大幅減少帶水現象（Carry-over / Priming）。
• 較寬裕的汽空間（Steam Space）與沉降高度：