船舶主机浅论

篇名:

船舶主機淺論

作者:

許金德。國立東港海事。輪三甲班徐金崙。國立東港海事。輪三甲班施宗佑。國立東港海事。輪三甲班

壹●前言

『18世紀工業革命剛開始的時候，人類嘗試著將機械動力應用到船上做為推進和操作的動力。

到了19世紀初，蒸汽動力推進的船舶終於開發成功；接著為了減低船舶造價、節省能源及減少操作人力，柴油主機的船舶，逐漸取代了蒸汽主機船舶的地位，船舶的操控方式也從傳統的人工控制，推展到半自動及全自動的控制。

輪機是船舶動力機械的通稱，機艙是一艘船舶產生機動能力之泉源，其產生動力的設備，包括主機、副機及鍋爐三部分。

主機的主要功能，在產生船舶的推進力。常用的主機有蒸汽主機及柴油機二種。』（註一）

貳●正文

一、蒸汽機

『一般的蒸汽推進系統是由鍋爐、主機、減速齒輪、大軸以及車葉所組成。而除了蒸汽推進系統之外，尚有多種不同形式的推進動力。例如：汽旋機電力複合推進系統(Involiving turbo-electric drive)、柴油機推進系統(Direct diesel drive)、柴油機電力推進系統(Diesel-electric drive)、以及汽油機推進系統(Gasoline engine drive)等。另外使用核能動力之艦船，則是另一種形式的蒸汽推進系統，它是以核能反應器(Reactor)來替代燃油之鍋爐，進而產生蒸汽推動艦船。

鍋爐是由一類似箱狀之外殼以及數以百計且排列整齊之充水鋼管所組成，燃油在經過加熱之後，以高壓噴入鍋爐內燃燒，產生熱能，使得在產汽管內之給水吸收熱量轉換成蒸汽，再經過蒸汽管路送至汽旋機。另外，強力鼓風機則可增加空氣之壓力，使鍋爐因供氣量之充足而燃燒得更完全。鍋爐所使用之水，稱為「給水」，是由艦船本身的淡水機所製造，另外亦可由冷凝器冷卻使用過之蒸汽，將其冷凝為水，使之再循環使用。

汽旋機是由一個可旋轉子及一氣密之機殼所組成，在轉子及機殼上則各裝置有數列(級)交錯而相對之葉片，當蒸汽流經汽旋機內時，便衝擊葉片而使葉片產生動力，此時蒸汽則因葉片上之曲度，而改變其衝擊方同，再衝擊下一列(級)之葉片，經由不斷如此作用，直到流出汽旋機為止。大部份的汽旋機皆分成高壓及低壓兩段，在蒸汽流經這兩段之後，便釋出大部份之動能及熱能，再由冷凝器將其冷凝轉化成水，以供回收再循環使用。

除了高低壓機之外，艦船上另外還裝置有倒車系統以應艦船操縱之需要，不過一般都只在主汽旋機中，以另外之機殼隔開一段做為倒車裝置，倒車系統中葉片之級數低於主汽旋機中葉片之級數，所產生之動力亦不高於主汽旋機，因為艦船在航行時，運用進車的機會永遠比倒車要來的多。

減速齒輪連接汽旋機與大軸，其功能是在於將汽旋機之高轉速變換成適合大軸之低轉速，因為汽機操作時，最有效率之轉速通常高達每分鐘數千轉，而大軸之有效轉速則通常不超過每分鐘四百轉，所以減速齒輪是必備的裝置，另外減速齒輪也可以將兩部汽旋機之動力合併帶動一根大軸。』(註二)

二、柴油機

1、『自從1911年造出第一艘柴油機船以來，採用柴油機為主機的貨船和客船日益增多，逐漸取代了蒸汽機船。柴油機跟蒸汽機比較，具有熱效率高、油耗低、

佔地小等優點。

但到第二次世界大戰結束時止，世界商船隊中蒸汽機船仍佔多數。戰後，低速大功率柴油機由於增壓技術的進步，單機功率不斷提高，最大已達5萬馬力。過去必須安裝汽輪機的大型高速船也能應用柴油機。

另一方面柴油機對燃用劣質油的適應性也不斷改善，這樣在經濟上便具有優越性。油耗低、能燃用劣質油的不同功率的柴油機現在幾乎佔領了船用發動機的全部市場。

因此，第二次世界大戰後的運輸船舶發展階段也被稱為柴油機船時代。』（註三）

2、『柴油引擎運作原理

柴油引擎亦分二行程與四行程

在「柴油引擎的歷史」中已經提過，有別於汽油的火花點火(SI)引擎，柴油引擎為壓縮點火(CI)引擎。與汽油引擎一樣，柴油引擎依其運轉方式可分為四行程與二行程引擎。二行程柴油引擎可能大家較為陌生，但是當過裝甲兵的讀者，對於使用在M113運兵車及M109自走砲車上的六缸與八缸二行程柴油引擎，應該會有點印象。用在一般車輛上的柴油引擎，還是以四行程居多，所以本文還是以介紹四行程柴油引擎運作原理為主。

A、四行程柴油引擎的運作原理

柴油引擎是以壓縮點火的方式，利用空氣的高溫點燃柴油，產生動力。

a、進氣行程：排汽門關閉而進氣門打開。當活塞從上死點往下行時，僅有在進氣歧管中之空氣經由進氣門被吸入汽缸中，此時並沒有燃油進入汽缸內。

b、壓縮行程：在進氣行程結束後，並當活塞從下死點開始往上走時，進氣門即關閉並停止進氣。在活塞上升的同時壓力和溫度便開始增加。在柴油引擎中，空氣必需被壓縮加熱，直至它到達點火溫度以上。

c、動力行程：當壓縮行程接近終了時，噴油嘴將燃油以霧化方式噴出，經壓縮加熱後之空氣即會點燃被霧化之燃油。在此結果下，汽缸內之壓力將迅速上升並將活塞往下推，此推力變成讓曲軸產生轉動的力量。

d、排氣行程：

在燃燒過程結束後，並當活塞往下走接近下死點時，排汽門即會開啟。當活塞再度往上行時，廢氣便經由排汽門、排汽歧管和消音器將廢氣排至大氣中。

B、高壓縮比與壓縮點火

柴油引擎在機構元件方面，非常類似於汽油引擎的，但是汽油引擎主要是靠火星塞來點燃混合器，而柴油引擎則是純粹導入空氣並經具高壓縮比(16~23:1)的汽缸容積來壓縮空氣，使所壓縮的空氣其溫度迅速上升超過500℃，然後經由噴油嘴將柴油注入加以霧化，之後藉由已被壓縮的空氣所產生之高溫來自行點燃霧化的柴油。因此柴油引擎不需使用點火系統，但它仍需要噴射泵浦和噴油嘴所組成的燃油噴射系統。

為什麼可以靠壓縮空氣來點燃油氣，而不需要火星塞呢？原因是當空氣分子被導入汽缸壓縮後，空氣中之分子受到互相衝撞與摩擦，因而使分子移動速度被迅速地增加。空氣分子加速表示已從外在吸收了能量，所以造成溫度上升。然而要使汽缸內空氣達能夠點燃柴油溫度，是需要很高壓縮比的，所以高壓縮比是柴油引擎必備的一大特性。』（註四）

圖一、『四衝程柴油引擎之分解動作圖』(註六)