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普考申論題 113年 [輪機技術] 船舶主機概要

第 一 題

📖 題組:
關於內燃機熱力循環之複合循環(Composite cycle),試完成下列各項: (每小題 10 分,共 30 分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

繪出壓力-容積圖。

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看到複合循環(Composite cycle),應立刻聯想到它是結合奧圖循環(等容加熱)與狄塞爾循環(等壓加熱)的雙燃燒循環。作答時需在 P-V 圖上精確標出等熵壓縮、等容加熱、等壓加熱、等熵膨脹及等容散熱等五個連續過程,並說明其物理意義。

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【破題】 複合循環(Composite cycle,又稱沙巴德循環 Sabathe cycle 或雙燃燒循環)為現代中、高速船舶柴油機的理想熱力循環,其核心特徵在於燃燒熱能的加入分為「等容」與「等壓」兩個階段。 【論述】

小題 (二)

說明該熱力循環之運作過程。

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考生看到『複合循環』應立即聯想到它是奧圖循環(等容加熱)與狄塞爾循環(等壓加熱)的結合,即沙巴提耶循環(Sabatier cycle)。解題時需依照P-V圖的五個熱力學過程(絕熱壓縮、等容加熱、等壓加熱、絕熱膨脹、等容排熱)依序說明其活塞運動、燃燒狀態與熱力參數(壓力、體積、溫度)的變化。

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【破題】 複合循環(Composite cycle),又稱沙巴提耶循環(Sabatier cycle)或雙燃燒循環,結合了奧圖循環(等容燃燒)與狄賽爾循環(等壓燃燒)的特性,是現代中、高速船舶柴油機最貼近實際運作的理想熱力循環。 【論述】

小題 (三)

說明何謂壓縮比,以及停油比。

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作答此題應直指內燃機熱力循環的核心幾何參數。先精確定義「壓縮比」為活塞上下死點的總容積與餘隙容積之比;接著說明「停油比」為複合/柴油循環特有,需點出其為定壓加熱(燃燒)過程終止與起始的容積比值,並略述其對熱效率的影響。

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「壓縮比(Compression Ratio)」指內燃機汽缸內,活塞位於下死點時的汽缸總最大容積,與活塞位於上死點時的餘隙容積(燃燒室最小容積)之比值。特徵包含:(1) 代表進氣被壓縮的物理程度;(2) 壓縮比越高,壓縮終了的氣體壓力與溫度越高;(3) 在材料強度允許下,提高壓縮比可提升引擎的理論熱效率。 「停油比(Cut-off Ratio,或稱截流比)」指在柴油循環或複合循環的定壓加熱(燃燒)過程中,燃燒終止(停止噴射燃料)時的汽缸容積,與燃燒開始(活塞位於上死點之餘隙容積)時的汽缸容積之比值。特徵包含:(1) 反映引擎在定壓燃燒階段活塞向下移動的容積擴張程度;(2) 停油比越大,表示定壓加熱期越長、供油量越多,引擎輸出總功增加;(3) 若維持壓縮比不變,停油比增加會使膨脹比相對減小,進而導致循環的理論熱效率降低。

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