111 年 國立成功大學系統及船舶機電工程研究所丙組《輪機工程》

此題主要在考察柴油引擎的性能曲線及其變化原因。

核心觀念： 柴油引擎的性能曲線，包含扭矩 (Torque)、馬力 (Brake Power) 與轉速 (Engine Speed) 的關係，以及這些參數隨轉速變化的物理機制。

解題步驟：

1. 繪製性能曲線圖：
   • 橫座標： 引擎轉速 (N)，單位通常為 RPM (Revolutions Per Minute)。
   • 縱座標： 扭矩 (T) 和馬力 (P)，單位通常為 N-m 或 kgf-m (扭矩)，kW 或 PS (馬力)。
   • 扭矩曲線 (Torque Curve)：
     • 在低轉速區，隨著轉速增加，扭矩會先上升。這是因為燃燒效率提高，進氣量逐漸增加，燃燒更完全。
     • 在中轉速區，扭矩達到最大值。
     • 在高轉速區，隨著轉速繼續增加，扭矩會開始下降。這是因為在高轉速下，進氣阻力增加，燃燒時間不足，以及機械損失 (如活塞環摩擦、氣門機構摩擦) 增加，導致有效燃燒能量減少。
   • 馬力曲線 (Brake Power Curve)：
     • 馬力 (P) 與扭矩 (T) 和轉速 (N) 的關係為：$P = \frac{2 \pi N T}{60 \times 1000}$ (若 P 以 kW 計，N 以 RPM 計，T 以 N-m 計)。
     • 在低轉速區，由於扭矩較低，馬力也較低，但隨著轉速和扭矩的上升，馬力也快速上升。
     • 馬力曲線的最高點通常出現在比扭矩曲線最高點更高的轉速。

此題考察反動式渦輪（或泵）葉輪的受力分析，特別是軸向推力的來源。

核心觀念： 動量定理、反動式渦輪/泵的流體力學原理、軸向推力產生機制。

解題步驟：

1. 繪製反動式輪葉受力之向量圖 (Flow Velocity and Force Vector Diagram)：

   • 假設：

     • 忽略流體摩擦。
     • 流體進入輪葉的速度是相對速度 $w_1$ (在靜止座標系中為絕對速度 $v_1$)，流體離開輪葉的速度是相對速度 $w_2$ (在靜止座標系中為絕對速度 $v_2$)。
     • 輪葉的週邊速度為 $u_1$ (入口處) 和 $u_2$ (出口處)。通常，渦輪中 $u_2 > u_1$ (因為葉輪外徑較大)，泵中 $u_1 > u_2$ (因為葉輪入口外徑較大)。為方便討論，假設為渦輪，則 $u_2 > u_1$。
     • 流體在輪葉中的絕對速度 $v$ 包含週邊速度 $u$ 和相對速度 $w$ 的向量和：$v = u + w$。

   • 向量圖繪製：

     • 入口處 (1)： 畫出週邊速度向量 $u_1$ (通常水平向右，代表輪葉旋轉方向)。畫出絕對速度向量 $v_1$ (代表流體衝向葉輪的方向)。由 $v_1 = u_1 + w_1$ 可得相對速度向量 $w_1$。
     • 出口處 (2)： 畫出週邊速度向量 $u_2$ (通常水平向右，且 $u_2 > u_1$)。流體離開葉輪時，其絕對速度 $v_2$ 的方向會改變。由 $v_2 = u_2 + w_2$ 可得相對速度向量 $w_2$。
     • 力的向量： 根據動量定理，作用在流體上的力等於流體動量的變化率 ($F = \frac{d(mv)}{dt}$)。流體對葉輪的作用力與葉輪對流體的作用力大小相等、方向相反。
       • 切向力 (Tangential Force)： 主要由絕對速度的切向分量變化產生，這是產生扭矩的主要分力。 $F_t \propto (v_{2t} - v_{1t})$。
       • 徑向力 (Radial Force)： 由絕對速度的徑向分量變化產生。
       • 軸向力 (Axial Force)： 由絕對速度的軸向分量變化產生。

   • 反動式葉輪的特性： 在反動式渦輪中，流體在通過葉輪時，其壓力會下降，速度會增加。這意味著 $w_2$ 的大小通常大於 $w_1$ (假設壓力下降和速度升高同時發生，且忽略摩擦)。同時，流體的絕對速度 $v_2$ 的方向通常與 $v_1$ 的方向不同。

   • 簡化向量圖： 為了說明軸向推力，我們關注流體動量的軸向分量變化。假設流體以角度 $\alpha_1$ (相對於週邊速度方向) 進入，以角度 $\alpha_2$ (相對於週邊速度方向) 離開。

此題主要考察船舶柴油機推進系統的結構和動力傳遞路徑。

核心觀念： 船舶動力傳動系統的組成、各部件功能、動力傳遞過程。

解題步驟：

1. 繪製推進軸系構造示意圖：

   • 組成部件：
     • 柴油機 (Diesel Engine)： 作為動力源，產生旋轉的曲軸。
     • 飛輪 (Flywheel)： 裝在曲軸末端，用於平穩旋轉，減少轉速波動，提供儲能。
     • 離合器 (Clutch)： (可選，但常見於部分系統) 用於連接或斷開引擎與傳動軸。
     • 減速齒輪箱 (Reduction Gearbox)： 這是船舶推進系統中的關鍵部件。柴油機通常在高轉速下工作效率最高，但螺旋槳需要較低的轉速以獲得較高的效率。減速齒輪箱將引擎的高轉速降低，同時增加扭矩。它通常包含主減速齒輪和輔助齒輪，可能還有倒檔齒輪。
     • 傳動軸 (Propeller Shaft / Line Shaft)： 連接減速齒輪箱的輸出軸與螺旋槳軸。
     • 支承軸承 (Bearings)： 用於支撐傳動軸和螺旋槳軸，減少摩擦。常見的有滑動軸承、滾動軸承。
     • 止推軸承 (Thrust Bearing)： 位於減速齒輪箱後方或軸系其他位置，用於承受螺旋槳產生的大量軸向推力，將其傳遞到船體結構。
     • 螺旋槳軸 (Propeller Shaft)： 連接傳動軸/減速齒輪箱輸出軸與螺旋槳。
     • 螺旋槳 (Propeller)： 將軸的旋轉運動轉化為推力，推動船舶前進。
   • 示意圖繪製：
     • 從左到右（或從右到左，視視角而定）依序繪製上述部件。
     • 用線條表示軸的連接。
     • 標示各部件名稱。
     • 可簡化描繪，重點在於各部件的順序和連接關係。

2. 指出該軸系由哪些軸構成：

   • 曲軸 (Crankshaft)： 柴油機內部，將活塞的往復運動轉化為旋轉運動。
   • 飛輪連接軸 (Flywheel Shaft)： (有時曲軸末端直接連接飛輪，不單獨稱軸)
   • 離合器軸 (Clutch Shaft)： (如果系統中有離合器)

此題主要考察船舶燃油系統的功能和構成。

核心觀念： 船舶燃油系統在船舶動力系統中的作用、系統的整體架構和各主要組件的功能。

解題步驟：

1. 說明船舶燃油管路系統的功用：

   • 儲存燃油： 將燃油安全地儲存在船上的油艙 (Fuel Oil Tanks) 中。
   • 輸送燃油： 將儲存的燃油從油艙輸送至主機 (柴油機) 或輔機 (發電機、鍋爐等) 的燃燒室。
   • 淨化燃油： 在燃油進入主機或輔機之前，通過濾清器和分離機等設備，去除燃油中的水分、雜質和沉積物，保證燃油的清潔度，防止損壞燃燒設備。
   • 調節燃油： 根據主機或輔機的負荷需求，精確控制供給的燃油量和壓力。
   • 預熱燃油： 對於重質燃油 (Heavy Fuel Oil, HFO)，需要加熱以降低粘度，使其便於輸送和霧化。
   • 循環與回流： 將未被消耗或過量的燃油通過回油管路送回油艙或進行再處理。

2. 說明船舶燃油管路系統的組成：
   船舶燃油系統根據燃油的種類（如重油、輕油、柴油）和應用（主機、輔機）可能會有所不同，但一般包含以下幾個主要部分：

   • 油艙 (Fuel Oil Tanks)：

     • 儲油艙 (Storage Tanks)： 存放燃油，通常位於船底或船體結構內。
     • 日用油艙 (Daily Service Tanks / Day Tanks)： 儲存供主機和輔機短期使用的燃油，通常靠近發動機艙，便於供應。
     • 補給油艙 (Settling Tanks)： 用於沉澱燃油中的水分和雜質，並進行預熱。

   • 油泵 (Fuel Oil Pumps)：

     • 輸送泵 (Transfer Pumps)： 將燃油從儲油艙輸送到補給油艙或日用油艙。
     • 供應泵 (Service Pumps)： 將燃油從日用油艙或補給油艙輸送至主機或輔機。
     • 增壓泵 (Booster Pumps)： (若需要) 提高燃油壓力。

此題考察現代柴油引擎燃油噴射技術的發展，重點在於共軌式 (Common Rail) 系統與傳統機械式噴射系統的比較。

核心觀念： 柴油噴射技術的演進，特別是高壓共軌系統的原理、結構和優勢。

解題步驟：

1. 敘述共軌式柴油噴射系統與傳統引擎柴油噴射系統的差異：

   • 傳統機械式柴油噴射系統 (Conventional Mechanical Diesel Injection System)：

     • 結構： 主要由高壓油泵 (Injection Pump)、噴油器 (Injector) 和連接兩者的油管 (High-pressure Fuel Lines) 組成。
     • 壓力產生： 高壓油泵直接由引擎驅動，為每個噴射循環產生所需的噴射壓力。通常，油泵和噴油器是機械聯動的。
     • 噴射壓力： 壓力與引擎轉速和負荷直接相關，壓力變化範圍較大，且相對較低 (通常在 300-1000 bar)。
     • 噴射時間與量控制： 由高壓油泵的機械結構 (如柱塞行程、凸輪形狀) 和噴油器針閥的開啟時間來控制。噴射時間和噴射量是耦合在一起的，難以獨立精確控制。
     • 噴射策略： 通常只有一次主噴射。

   • 共軌式柴油噴射系統 (Common Rail Diesel Injection System, CRDi)：

     • 結構： 主要由高壓油泵 (High-pressure Fuel Pump)、共軌管 (Common Rail)、壓力感測器 (Pressure Sensor)、電子控制單元 (ECU) 和電子控制噴油器 (Electronically Controlled Injector) 組成。
     • 壓力產生： 高壓油泵負責將燃油加壓並儲存在一個高壓的公共管路（共軌管）中。共軌管作為一個壓力儲存器，為所有噴油器提供恆定的高壓燃油。
     • 噴射壓力： 壓力由 ECU 根據引擎工況 (轉速、負荷、溫度等) 透過控制高壓油泵的供給量和共軌管壓力調節器來精確控制。壓力可以非常高 (可達 2000 bar 以上)，且在寬廣的轉速和負荷範圍內保持恆定。
     • 噴射時間與量控制： 噴射的時機 (Timing) 和噴射量 (Quantity) 是由 ECU 獨立控制的。ECU 根據感測器數據，透過電訊號精確控制每個噴油器電磁閥 (Solenoid Valve) 或壓電閥 (Piezo Injector) 的開啟和關閉時間，從而精確控制噴射的開始時間、持續時間（決定噴射量）和噴射壓力。
     • 噴射策略： 能夠實現多次噴射，如預噴射 (Pilot Injection)、主噴射 (Main Injection) 和後噴射 (Post Injection)。

   主要差異總結：
   | 特性 | 傳統機械式系統 | 共軌式系統 (CRDi) |