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高考申論題 109年 [輪機技術] 內燃機

第 一 題

📖 題組:
二、下圖顯示某渦輪增壓機之壓縮機特性。請依據此圖回答下列(一)至(四)之問題。(每小題5分,共20分) (附圖:壓縮機特性圖 Compress map)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

當空氣流量為10 kg/min,P2/P1=1.8,此渦輪增壓機之狀態為何?

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考生看到此題應立刻觀察壓縮機特性圖(Compressor map)的座標軸與邊界線。根據給定的空氣流量與壓力比,在圖上定位出該操作點,並重點檢視該點是否落在正常工作區之外,特別是判定其與最左側的「喘振線 (Surge line)」之相對位置關係。

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【解題關鍵】於壓縮機特性圖中精確定位操作點座標,並與圖表左側的喘振線(Surge line)進行相對位置比對。 【解答】 圖表分析:

小題 (二)

當空氣流量為40 kg/min,P2/P1=1.2,此渦輪增壓機之狀態為何?

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解決此題的關鍵在於正確判讀「壓縮機特性圖(Compressor map)」。考生應先在橫軸找到對應的空氣流量(40 kg/min),在縱軸找到對應的壓力比(1.2),並標註出兩者的交會點(工作點)。最後,根據該點與圖表左側「喘振線(Surge line)」及右側「阻塞線(Choke line)」的相對位置,來判斷壓縮機的實際運作狀態。

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【解題關鍵】正確定位壓縮機特性圖上的工作點,並依據邊界條件判斷其運轉區域。 【解答】 Step 1 定位工作點:

小題 (三)

當渦輪增壓機轉速為110000 rev/min,空氣流量自35 kg/min降低至30 kg/min,此壓縮機效率如何變化?

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考生應先在壓縮機特性圖上定位出「N=110000」的等轉速曲線。接著,在該曲線上分別對應橫軸空氣流量 35 kg/min 與 30 kg/min 尋找工作點,最後觀察這兩點所落在的等效率線(效率島)數值變化,即可得出結論。

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【解題思路】利用壓縮機特性圖,沿著等轉速線觀察空氣流量改變時,工作點在等效率線(Efficiency islands)上的位移情形。 【詳解】 已知:渦輪增壓機轉速 N = 110000 rev/min,空氣流量由 35 kg/min 降至 30 kg/min。

小題 (四)

請說明此渦輪增壓機裝設前、後對柴油機性能產生之影響。

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看到比較改裝前後影響的題型,應採用『原理→正面效益→負面/衍生影響』的結構來論述。首先思考渦輪增壓的核心原理是『提高進氣密度與回收排氣能量』;接著對比自然進氣(空氣受限、廢氣浪費)與增壓後對動力(功率/扭矩上升)、經濟性(熱效率提高/油耗下降)及柴油機特有燃燒特性(著火延遲期縮短)的改善;最後務必補充增壓帶來的挑戰,如熱負荷增加與進氣升溫,展現全面性的工程視角。

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【破題】 渦輪增壓機利用引擎廢氣的殘餘能量驅動壓縮機,其核心作用為提高進氣壓力和空氣密度,藉此顯著改變柴油機的熱力循環與動力輸出特性。 【論述】

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