114 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》

本題主要考驗柴油引擎的幾何參數計算，包含氣缸體積、衝程、曲柄連桿機構的尺寸關係，以及活塞的平均運動速度。

首先，我們需要定義一些基本參數：
$V_c$：餘隙容積 (Clearance Volume)
$V_s$：氣缸排氣量 (Swept Volume)
$V_t$：氣缸總容積 (Total Volume)
$r_v$：壓縮比 (Compression Ratio)
$D$：缸徑 (Bore)
$S$：衝程 (Stroke)
$L$：曲柄長 (Crank Radius)
$n$：引擎轉速 (rpm)

已知：
$V_c = 19640 \, \text{cm}^3$
$r_v = 21$
$D = 50 \, \text{cm}$
$n = 127 \, \text{rpm}$

(a) 氣缸排氣量 ($V_s$)
壓縮比的定義為氣缸總容積與餘隙容積的比值：
$r_v = \frac{V_t}{V_c} = \frac{V_s + V_c}{V_c}$
將已知值代入：
$21 = \frac{V_s + 19640 \, \text{cm}^3}{19640 \, \text{cm}^3}$
$21 \times 19640 \, \text{cm}^3 = V_s + 19640 \, \text{cm}^3$
$412440 \, \text{cm}^3 = V_s + 19640 \, \text{cm}^3$
$V_s = 412440 \, \text{cm}^3 - 19640 \, \text{cm}^3$
$V_s = 392800 \, \text{cm}^3$

【答案】每缸排氣量為 $392800 \, \text{cm}^3$。

(b) 衝程 ($S$)
氣缸排氣量 ($V_s$) 的計算公式為：
$V_s = \frac{\pi D^2}{4} \times S$
其中 $D$ 是缸徑。將已知值代入：
$392800 \, \text{cm}^3 = \frac{\pi (50 \, \text{cm})^2}{4} \times S$

本題主要考驗對柴油引擎與汽油引擎基本工作原理的理解和區別。

柴油引擎與汽油引擎在點火方式、工作循環、進氣與燃油供應等方面存在顯著差異。

(1) 點火 (Ignition)

• 汽油引擎 (Gasoline Engine / Petrol Engine)： 採用火星塞點火 (Spark Ignition, SI)。在進氣行程吸入油氣混合物，壓縮行程將混合物壓縮至一定程度，然後由火星塞產生電弧點燃混合氣，引發燃燒。
• 柴油引擎 (Diesel Engine)： 採用壓燃點火 (Compression Ignition, CI)。在進氣行程僅吸入純空氣，壓縮行程將空氣高度壓縮，使空氣溫度急劇升高。當活塞到達上死點附近時，高壓燃油通過噴油嘴噴入高溫的空氣中，燃油瞬間自燃，引發燃燒。

(2) 循環 (Cycle)

• 汽油引擎： 通常遵循奧圖循環 (Otto Cycle) 的理想模型。其特點是在定容（等體積）下加熱和冷卻。
• 柴油引擎： 通常遵循狄賽爾循環 (Diesel Cycle) 的理想模型。其特點是加熱過程在定壓（等壓力）下進行，然後在定容下冷卻。實際的柴油引擎循環更接近於複合循環 (Dual Cycle)，即一部分加熱在定容下進行，另一部分在定壓下進行。

本題主要考驗對布萊頓循環（Brayton Cycle）的理解，特別是再熱 (Reheating) 和再生 (Regeneration) 這兩種改進方式在溫-熵圖上的表現及其原理差異。

布萊頓循環 (Brayton Cycle) 是燃氣渦輪機的理論熱力循環，通常由四個過程組成：等壓進氣、等熵壓縮、等壓加熱、等壓排氣。

1. 再熱式布萊頓循環 (Reheat Brayton Cycle)

• 目的： 提高渦輪機的功率輸出，但可能略微降低效率。

• 原理： 為了獲得更大的功率輸出，將渦輪機分成兩級或多級，在第一級渦輪機膨脹做功後，將工質（通常是空氣）重新加熱，然後進入第二級渦輪機繼續膨脹做功。

• 溫-熵圖 (T-s Diagram)：

  • 過程 1-2：等熵壓縮 (Isentropic Compression)
  • 過程 2-3：等壓加熱 (Isobaric Heat Addition) - 在燃燒室中進行
  • 過程 3-4：等熵膨脹 (Isentropic Expansion) - 第一級渦輪機
  • 過程 4-5：再熱 (Reheat) - 在燃燒室中對經第一級渦輪機膨脹後的工質再次加熱 (等壓過程)
  • 過程 5-6：等熵膨脹 (Isentropic Expansion) - 第二級渦輪機
  • 過程 6-1：等壓冷卻 (Isobaric Heat Rejection) - 在散熱器中進行

  圖示說明：
  在 T-s 圖上，再熱過程是從第一級渦輪機出口 (狀態 4) 到第二級渦輪機入口 (狀態 5) 的一條水平線段。因為再熱是在等壓條件下進行的，而 T-s 圖上的水平線段代表等壓過程，溫度會升高。

  T
  ^
  |    /-------(3)======(5)-------\
  |   /       /|      /|       \
  |  /       / |     / |        \
  | /       /  |    /  |         \
  (2)-------/---(4)---/-----------(6)
  |        /
  |       /
  |      /
  (1)----/
  +----------------------------------> s
  

  其中，(3)-(5) 是總的等壓加熱過程（包括初次加熱和再加熱），(3)-(4) 是第一級渦輪機膨脹，(4)-(5) 是再熱過程（等壓加熱），(5)-(6) 是第二級渦輪機膨脹。
  再熱過程的線段為 4-5，是一條水平線段，表示等壓加熱，溫度升高。

2. 再生式布萊頓循環 (Regenerative Brayton Cycle)

• 目的： 提高循環的熱效率。

• 原理： 利用渦輪機排出的高溫廢氣來預熱進入燃燒室的壓縮空氣。這減少了燃燒室所需的額外熱量輸入，從而提高了效率。

• 溫-熵圖 (T-s Diagram)：

  • 過程 1-2：等熵壓縮 (Isentropic Compression)
  • 過程 2-3：再生預熱 (Regenerative Preheat) - 壓縮空氣在預熱器中吸收渦輪機排氣的熱量，溫度升高 (近似等壓或變壓過程，取決於預熱器設計)
  • 過程 3-4：等壓加熱 (Isobaric Heat Addition) - 在燃燒室中進行，但輸入的熱量比未再生循環少
  • 過程 4-5：等熵膨脹 (Isentropic Expansion) - 渦輪機
  • 過程 5-6：再生預熱 (Regenerative Preheat) - 渦輪機排出的廢氣在預熱器中將壓縮空氣預熱，自身溫度降低。
  • 過程 6-1：等壓冷卻 (Isobaric Heat Rejection) - 在散熱器中進行

  圖示說明：
  在 T-s 圖上，再生過程體現在壓縮空氣被預熱的部分。通常，預熱器被視為一個熱交換器，壓縮空氣 (從狀態 2) 吸收渦輪機排氣 (從狀態 5) 的熱量。

  • 壓縮空氣的預熱過程是從狀態 2 到狀態 3。
  • 渦輪機排氣的冷卻過程是從狀態 5 到狀態 6。

本題主要考驗對船舶上常見泵浦種類及其應用場合的理解。船舶系統複雜，需要不同類型泵浦來滿足各種流體輸送需求。

(1) 離心式泵 (Centrifugal Pump)

• 原理： 利用旋轉葉輪產生的離心力，將液體從吸入口推向排出口，使液體獲得動能和壓力能。
• 適用場合：
  • 淡水供應系統 (Fresh Water Supply)： 提供生活用水、飲用水。
  • 海水冷卻系統 (Sea Water Cooling)： 為主機、輔機、空調等設備提供冷卻海水。
  • 壓載水系統 (Ballast Water System)： 調整船舶吃水和穩定性。
  • 艙底水系統 (Bilge System)： 排除艙底積水。
  • 消防系統 (Fire Fighting System)： 提供消防用水。
  • 貨油泵 (Cargo Oil Pump) - 某些類型油輪： 輸送量大且壓力要求不極高的場合。
• 理由：
  • 結構簡單、運行平穩、維護容易。
  • 適用於大流量、中低壓力的場合。
  • 能處理一定雜質的液體（需選用合適的葉輪）。
  • 價格相對經濟。
  • 缺點： 啟動時需要排氣（自吸能力較弱，除非特殊設計），效率隨流量變化較大，不適合輸送高粘度液體。

(2) 旋轉式泵 (Rotary Pump)

• 原理： 利用泵腔內旋轉的齒輪、葉片、螺桿等元件，在泵腔內形成密封空間，將液體從吸入口輸送到排出口。常見類型有齒輪泵、葉片泵、螺桿泵等。
• 適用場合：
  • 潤滑油系統 (Lubricating Oil System)： 為主機、輔機提供潤滑油。
  • 燃油系統 (Fuel Oil System)： 輸送燃油至燃燒室（高壓噴射泵可能為往復式或齒輪泵）。
  • 液壓系統 (Hydraulic System)： 為鍋爐給水泵、舵機、起重設備等提供動力。
  • 輸送粘性液體： 如重油、潤滑油等。
• 理由：
  • 結構緊湊，可提供較高的壓力。
  • 流量穩定，具有一定的自吸能力。
  • 適合輸送粘性液體。
  • 運行平穩，噪音較小。
  • 缺點： 對雜質敏感，容易磨損，密封要求高。

本題考驗對空氣壓縮機基本概念、壓力範圍及其在船舶柴油主機系統中應用的理解。

什麼是空氣壓縮機？

空氣壓縮機是一種將氣體（通常是空氣）的壓力提高的機械設備。它通過消耗機械功，將氣體從低壓狀態壓縮到高壓狀態，從而儲存能量或用於特定的應用。空氣壓縮機主要通過機械裝置（如活塞、葉輪、螺桿等）來實現對氣體的體積減小和壓力升高。

產生的壓力為多少範圍？

空氣壓縮機產生的壓力範圍非常廣泛，取決於其設計和應用。大致可以分為以下幾類：

• 低壓空氣壓縮機 (Low-Pressure Air Compressors)： 壓力範圍通常在 $0.1 \, \text{MPa}$ 到 $1 \, \text{MPa}$ (約 $1$ 到 $10$ bar 或 $14.5$ 到 $145 \, \text{psi}$) 之間。例如，用於一般通風、氣動工具的空壓機。
• 中壓空氣壓縮機 (Medium-Pressure Air Compressors)： 壓力範圍通常在 $1 \, \text{MPa}$ 到 $10 \, \text{MPa}$ (約 $10$ 到 $100$ bar 或 $145$ 到 $1450 \, \text{psi}$) 之間。
• 高壓空氣壓縮機 (High-Pressure Air Compressors)： 壓力可以達到 $10 \, \text{MPa}$ 以上，甚至高達 $30 \, \text{MPa}$ ($300$ bar 或 $4350 \, \text{psi}$) 或更高。

在船舶柴油主機的應用中，通常需要較高的壓力來啟動主機，因此使用的空氣壓縮機屬於中高壓範圍。

說明空氣壓縮機於使用柴油主機的船舶上的運用。

在裝有柴油主機的船舶上，空氣壓縮機扮演著至關重要的角色，主要用於以下幾個方面：

1. 起動空氣系統 (Starting Air System)：
   • 主要功能： 這是空氣壓縮機最關鍵的應用。大型柴油主機需要依靠壓縮空氣來啟動。空氣壓縮機將空氣壓縮到高壓（通常在 $20 \sim 30 \, \text{bar}$ 或更高），然後儲存在起動空氣瓶 (Starting Air Receiver) 中。當需要啟動主機時，高壓空氣通過啟動閥門被引入主機的氣缸，推動活塞，使曲軸旋轉，從而啟動主機。
   • 壓縮機類型： 通常使用多級往復式空氣壓縮機，因為需要產生高壓，且需要一定的可靠性。