民國115年 高考三級 輪機技術 內燃機考古題
民國115年 高考三級 輪機技術 內燃機收錄考選部官方試題，共 4 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
請說明柴油機刮缸（Scuffing）之原因及主要症狀。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、定義與磨耗機制：刮缸（Scuffing）係指活塞環與氣缸套滑動面間之潤滑油膜破裂，金屬表面直接接觸，因局部高溫而發生熔著（adhesive wear），隨後被撕裂，形成縱向刮痕之嚴重磨損。它屬於黏著磨耗的一種，通常由輕微擦傷（scratching）逐漸惡化而成，並非單純的磨粒磨耗。
- 二、潤滑與油膜因素：氣缸注油量不足、注油器（cylinder lubricator）故障或注油孔堵塞、潤滑油黏度不符或鹼價（BN）不足、燃油稀釋或水分乳化，均會使油膜強度下降；長時間低負荷運轉與冷啟動暖機不足，亦使油膜難以建立。
- 三、熱負荷與機械因素：超負荷運轉、冷卻水溫過高或局部冷卻不良致缸套熱變形、活塞與缸套間隙過小、缸套失圓或波浪度過大、活塞環彈力過大或環槽磨損、磨合（running-in）不良、新缸套表面粗糙度不當。
- 四、燃油與燃燒因素：噴油正時不當、霧化不良、噴油器滴漏造成局部過熱與乾性沉積；高硫燃油燃燒生成硫酸腐蝕表面；燃燒積碳（carbon deposit）刮破油膜，均為常見誘因。
- 五、主要症狀：運轉中出現金屬敲擊或尖銳摩擦聲、曲軸箱吹漏（blow-by）增加、掃氣箱或曲軸箱冒煙、冷卻水與排氣溫度上升、出力下降、潤滑油消耗量與鐵份（Fe）濃度上升、油霧偵測器（oil mist detector）警報；停機檢查可見缸套內壁縱向刮痕、活塞裙與環面熔著變色。
- 六、預防與處置：建立注油率與鹼價管理、控制暖機與負荷變化率、定期量測缸套磨耗與環槽間隙、落實燃油淨化（分油機）作業、避免長期低負荷，並於發現初期刮痕時即吊缸檢查與輕度珩磨（honing）修復。
請說明柴油機定容循環、定壓循環及複合加熱循環之主要差異為何？
（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、定義：定容循環（Constant Volume Cycle，Otto cycle）假設熱量在活塞上死點瞬間加入，容積不變；定壓循環（Constant Pressure Cycle，Diesel cycle）假設熱量在等壓下加入；複合加熱循環（Dual／Mixed Cycle，Sabathé cycle）則先等容、後等壓分段加入，較接近實際柴油機。
- 二、加熱與壓力上升差異：定容循環燃燒瞬間完成，壓力急遽上升，壓力升高比（pressure ratio）大，最高燃燒壓力高、震動與噪音大；定壓循環之壓力升高比為1，最高壓力較低，但需較大之膨脹行程；複合循環以定容度（壓力升高比）與停油比（cut-off ratio）兩參數描述，介於兩者之間。
- 三、熱效率比較：在相同壓縮比下，η（定容）>η（複合）>η（定壓），因等壓加熱在膨脹初期加入，平均加熱溫度較低。定容循環 η=1−1/r^(k−1)；定壓循環 η=1−[1/r^(k−1)]·[(ρ^k−1)/(k(ρ−1))]，其中 r 為壓縮比、ρ 為停油比、k 為比熱比。
- 四、圖形與應用：p-v圖上，定容循環的加熱過程為垂直線、定壓循環為水平線、複合循環為先垂直後水平之折線；T-s圖對應等容與等壓線段。實際船用柴油機因噴油與燃燒需時間，接近複合循環；汽油機接近定容循環；空氣噴射式柴油機接近定壓循環。
- 五、限制與比較條件：三者均為理想空氣標準循環假設（工作流體為理想氣體、比熱固定、無進排氣損失、燃燒視為外部加熱），故僅供趨勢比較；比較時須固定壓縮比或固定最高壓力、相同加熱量，否則結論不同。
請說明船舶柴油主機排氣溫度過高及過低之主要原因。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、判定基準：排氣溫度須與負荷指示（燃油泵齒條刻度、平均有效壓力）及試車台曲線比對，並比較各缸排氣溫度之平均值與偏差（一般容許約±20～30℃），同時參考掃氣溫度、冷卻水出口溫度與增壓機轉速，避免誤判。
- 二、排氣溫度過高之燃燒因素：超負荷或螺旋槳重載（船底污損、淺水、頂流）、噴油量過多、噴油正時過遲造成後燃（after burning）、噴油器霧化不良或滴漏、燃油著火性（cetane number）不佳、各缸負荷分配不均。
- 三、排氣溫度過高之換氣與機械因素：掃氣壓力不足（增壓機污損、空氣冷卻器積垢、掃氣口阻塞）、掃氣溫度過高、排氣閥漏氣或升程不足、排氣總管或消音器阻塞、缸套冷卻不良，均使排氣溫度上升。
- 四、排氣溫度過低之原因：負荷過低或空車運轉、噴油量不足（燃油泵磨耗、齒條零位偏移）、噴油正時過早、掃氣壓力過高或掃氣溫度過低、排氣閥開啟過早、溫度感測器（thermocouple）故障或補償導線接錯。
- 五、處理原則與建議：先確認儀表可靠性，再依「燃油—掃氣—排氣—冷卻」順序檢查；調整各缸負荷使排氣溫度均衡，避免單缸過熱；建立運轉紀錄與趨勢分析（trend analysis），並依製造廠規範執行吊缸、清潔增壓機與空氣冷卻器。
請說明柴油機活塞環槽磨損之原因及再生修理之方法。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、磨損原因—機械作用：活塞環在環槽內隨燃燒壓力往復衝擊（ring hammering）、環與槽面相對滑動、環背氣壓推擠，使槽上下端面磨成階梯狀、槽寬增大、槽面呈喇叭形；環槽間隙（side clearance）過大後衝擊加劇，形成惡性循環。
- 二、磨損原因—熱與腐蝕：燃燒高溫使槽面金屬軟化、積碳（carbon deposit）與硬質粒子研磨；高硫燃油燃燒生成硫酸造成腐蝕磨耗；潤滑不足或鹼價偏低；冷啟動與低負荷運轉使缸壁溫度低於露點，均加速磨損。
- 三、磨損原因—裝配與操作：活塞環開口間隙不足、環彈力過大、缸套失圓、爆震或異常燃燒、超負荷運轉、磨合不良、活塞材質與環硬度不匹配、掃氣中含磨料，均可能導致環槽異常磨耗。
- 四、再生修理方法：①加大環槽並換用加厚（oversize）活塞環；②環槽鑲環（ring groove insert），以耐熱合金環鑲入後加工至標準尺寸；③槽面堆銲（build-up welding）後車削或銑削復原；④鍍硬鉻或氮化處理提高耐磨性；⑤複合式活塞更換活塞冠（piston crown）；⑥磨損嚴重或產生裂紋者直接換新活塞。
- 五、量測與檢驗：以環槽樣板（groove gauge）與厚薄規量測天地間隙及環背間隙，檢查槽面平面度與平行度；修理後須確認環槽尺寸、環與槽配合間隙、活塞環開口間隙符合廠家規範，並做著色探傷（dye penetrant test）。
- 六、限制與建議：加大環槽會降低活塞環強度與槽肩厚度，鑲環須注意材質熱膨脹與固定方式，堆銲須控制熱輸入避免變形；應依磨損量與經濟性選擇工法，並以定期量測建立磨耗趨勢，作為歲修決策依據。