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民國115年 高考三級 汽車工程 汽車動力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
對一般汽油引擎和一般柴油引擎，請說明：
壓縮比之意涵和計算方法。（10 分）
上述何種引擎需要較高壓縮比之原因。（15 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、壓縮比（compression ratio, CR）指活塞位於下死點（BDC）時汽缸總容積與位於上死點（TDC）時燃燒室容積之比，表示混合氣或空氣被壓縮的程度。計算式為 r＝（Vs＋Vc）／Vc，其中 Vs 為單缸排氣量、Vc 為燃燒室容積；Vs＝（π／4）D²S，D 為缸徑、S 為行程。 二、計算時先由缸徑與行程求單缸排氣量，再加燃燒室容積得總容積，最後除以燃燒室容積。例如 D＝80 mm、S＝90 mm，Vs≈452 cm³，若 Vc＝50 cm³，則 r≈（452＋50）／50≈10.0。多缸引擎各缸容積相同，仍以單缸計算。 三、汽油引擎採火花點火（spark ignition, SI），壓縮比受燃料辛烷值、燃燒室設計與爆震（knock）限制。壓縮比過高會使末端混合氣自燃，造成爆震、活塞與軸承負荷增加、NOx 上升，故一般汽油引擎壓縮比約 8～12：1，高性能缸內直噴機型可稍高，但仍須以點火延後、冷卻 EGR 或高辛烷值燃料配合。 四、柴油引擎採壓縮點火（compression ignition, CI），須把吸入空氣壓縮至足以使柴油自燃的溫度，通常需 14～23：1 的高壓縮比；壓縮終了溫度可達 700～900 K 以上，噴入柴油才能迅速著火。柴油機無節氣門、以質調節負荷，高壓縮比亦可提高膨脹比與熱效率，並補償低轉速起動與冷車著火需求。 五、另由理想循環效率 η＝1－1／r^(γ－1) 可知，壓縮比越高，熱效率越高；柴油機為壓燃與高負荷需求而採用高壓縮比，汽油機則在效率與爆震、機械強度間取捨。故柴油引擎壓縮比高於汽油引擎，並非單一因素，而是點火方式、燃料特性與效率目標共同決定。
汽油引擎燃料供應系統有化油器系統和噴射系統，請說明兩者：
供油原理。（15 分）
進入汽缸之燃油量控制方式。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、化油器（carburetor）利用文氏管（Venturi）效應：空氣流經縮小截面時流速增加、壓力降低，浮筒室內燃油受大氣壓與文氏管負壓差作用，經主量孔被吸出並霧化，再與空氣混合進入進氣歧管。節氣門改變空氣流量與文氏管負壓，浮筒室維持油面，怠速、主油路、加速泵與阻風門等迴路分別供應不同工況所需燃油。 二、噴射系統（fuel injection system）以電動燃油泵加壓，經燃油濾清器、壓力調節器與燃油軌供應噴油嘴；ECU 依進氣量、轉速、節氣門開度、水溫與含氧感知器訊號計算基本噴射量，控制噴油嘴電磁閥或壓電致動器的開啟時間與正時，使燃油高壓霧化並依序噴入進氣埠或汽缸。 三、化油器的油量控制屬氣流—負壓自我計量：量孔孔徑與文氏管負壓決定吸出油量，節氣門開度決定空氣量，兩者以機械連動與校正量孔匹配；加速時加速泵額外噴油，冷車時阻風門增濃。其控制為連續、類比且受進氣脈動、溫度、海拔與磨耗影響，各缸分配不均，空燃比精度有限。 四、噴射系統採電子計量：以空氣流量或進氣歧管壓力推估吸入空氣質量，依目標空燃比求所需燃油質量，再換算噴油脈寬（pulse width）；噴油壓力、噴嘴特性與燃油溫度納入修正。含氧感知器進行閉環修正，使空燃比維持在理論值附近；缸內直噴可精確控制分層稀薄燃燒與多次噴射。 五、比較而言，化油器構造簡單、成本低，但計量被動且易受工況影響；噴射系統以感測器與 ECU 主動計量，霧化佳、各缸分配均勻、瞬態反應快，並可配合觸媒與 OBD 控制排放。惟噴射系統零件多、壓力高，維修與標定成本較高。
引擎使用空氣流量感知器來量測引擎之空氣進氣量，請說明三種常用之
引擎空氣流量感知器之工作原理，並比較三者輸出信號之精確性。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、翼板式空氣流量計（vane air flow meter, VAF）在進氣道內設可擺動的翼板與緩衝室，氣流推力使翼板偏轉，帶動可變電阻（電位計）輸出與翼板角度相關的類比電壓；旁通通道與補償擋板可穩定脈動。其輸出為體積流量訊號，進氣阻力較大，翼板慣性與磨耗會造成誤差，需以進氣溫度、大氣壓修正密度。 二、熱線式空氣流量計（hot-wire MAF）以白金熱線置於進氣流中，通電使其維持比氣流高一定溫度；空氣帶走熱量，控制電路調整加熱電流以保持溫度恒定，電流或電壓即反映空氣質量流量。熱膜式（hot-film）原理相同，以薄膜元件取代細線，耐污與抗震較佳。此類感測器直接量測質量流量，反應快，但需燒除（burn-off）清潔與溫度補償。 三、卡門渦流式空氣流量計（Karman vortex air flow meter）在進氣道設置渦流產生柱，氣流通過後交替產生卡門渦流，渦流頻率與流速成正比；以超音波或壓力感測器檢出頻率，再換算體積流量。輸出多為頻率或數位訊號，抗干擾佳、無活動件，但低流量時訊號弱，且體積流量仍須以進氣溫度與壓力換算質量流量。 四、精確性比較：熱線／熱膜式直接測質量流量，線性與動態反應最佳，適合電子噴射閉環控制；翼板式構造簡單，但進氣阻力、慣性與磨耗使誤差較大；卡門渦流式輸出頻率穩定、耐久性好，惟低流量解析度與脈動工況受限，且須密度修正。整體以熱線／熱膜式精度最高，渦流式次之，翼板式較低；實際仍受安裝、污染與校正影響。
柴油車輛行駛時引擎排放的空氣污染物包括粒狀排放污染物和氣狀排
放污染物，目前均有相關後處理器進行污染防制。請說明：
柴油引擎的主要粒狀排放污染物，及其主要防制設備和防制原理。（15 分）
柴油引擎的主要氣狀排放污染物，及其主要防制設備和防制原理。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、柴油引擎粒狀排放污染物（particulate matter, PM）主要包括碳微粒（soot，元素碳）、可溶性有機物（soluble organic fraction, SOF，未燃燃油與潤滑油）、硫酸鹽及金屬灰分。粒徑多集中在奈米至微米級，PM2.5 與 PM10 均為管制重點；其生成與燃燒室局部高溫缺氧、燃油霧化不良及潤滑油消耗有關。 二、主要防制設備為柴油微粒捕集器（DPF），常搭配柴油氧化觸媒（DOC）。DPF 以壁流式蜂巢陶瓷或碳化矽載體交錯封堵，迫使排氣穿過多孔壁，藉擴散、攔截、慣性撞擊與濾餅形成捕集微粒；壓差升高時進行再生，以高溫將碳粒氧化為 CO2。再生包括被動 NO2 氧化、主動後噴油或燃燒器升溫，須控制溫度避免載體熱應力裂損。 三、柴油引擎氣狀排放污染物主要有氮氧化物（NOx，以 NO 與 NO2 為主）、一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、二氧化硫（SO2）及少量醛類。柴油燃燒為稀薄燃燒，CO 與 HC 通常較汽油機低，但高溫高壓與富氧造成 NOx 生成；硫分則影響硫酸鹽微粒與觸媒劣化。 四、NOx 主要以後處理控制：SCR 噴入尿素水溶液，分解產生 NH3，在觸媒上將 NOx 還原為 N2 與 H2O；LNT 則先氧化吸附 NOx，再於濃混合氣短暫再生還原。CO 與 HC 由 DOC 氧化為 CO2 與 H2O；部分工況並以廢氣再循環（EGR）降低燃燒溫度，從源頭抑制 NOx。 五、系統整合上，DOC 置於 DPF 前可提高 NO2 生成與被動再生能力，SCR 或 LNT 依車型與法規需求配置；須以溫度感測器、壓差感測器與 NOx 感測器閉環控制，並考慮低溫起動、硫中毒、尿素結晶與灰分堵塞。防制策略應兼顧粒狀物與 NOx 的取捨（trade-off），避免只降低一項而惡化另一項。