『燃燒與爆震』--研究引擎的基礎(chǔ)

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一、燃燒
因?yàn)橐娴娜紵h(huán)是在汽缸這各小容器中進(jìn)行，而且有溫度、壓力、熱傳導(dǎo)、殘留廢氣等變因，所以比起一般的燃燒來(lái)得復(fù)雜許多。目前有很多有關(guān)引擎的理論都是由實(shí)驗(yàn)得來(lái)的，就因?yàn)槭怯蓪?shí)驗(yàn)得來(lái)的所以有很多因素都有不同的解釋?zhuān)踔量赡苌形幢话l(fā)現(xiàn)，因此讀者或可從本文中獲得啟發(fā)，找到其他有利引擎燃燒的好方法。在進(jìn)入主題之前我們必須先介紹兩個(gè)名詞：空燃比A/F (Air-Fuel Ratio)和空氣過(guò)剩率λ(Excess Air Ratio)。
, J( d8 t$ y" b$ k空燃比A/F是進(jìn)行引擎燃燒反應(yīng)時(shí)所需的空氣重量和燃料重量的比例，空然比小表示油氣比較濃，反之則比較稀。如果根據(jù)汽油燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式，我們可以算出汽油完全燃燒的理論空燃比為15.1:1，但是在實(shí)際的燃燒情況中，如果要達(dá)到完全燃燒，所需的空氣量往往比理論上所需的更多而實(shí)際上所需的空氣和理論上所需的空氣量的比值就稱(chēng)為空氣過(guò)剩率λ，λ越大表示所供給引擎的空氣量越大。A/F和λ在談到有關(guān)引擎的工作原理和廢氣污染控制上都會(huì)再出現(xiàn)，所以比必須先在此提出。引擎每完成一次進(jìn)氣、壓縮、爆發(fā)、排氣四個(gè)行程的循環(huán)，曲軸轉(zhuǎn)了2圈也就是720°，在引擎轉(zhuǎn)速為 3000rpm時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)速為每分鐘3000轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)引擎每分鐘要進(jìn)行1500次的循環(huán)，完成每一次油氣燃燒的時(shí)間遠(yuǎn)小于0.01秒。要去討論這0.01秒內(nèi)快速進(jìn)行的燃燒過(guò)程有相當(dāng)?shù)睦щy，[ 因此我們必須想像成用很慢很慢的慢動(dòng)作來(lái)看引擎的燃燒過(guò)程。若用這樣的方式來(lái)看引擎的燃燒過(guò)程，我們可以將它概分為點(diǎn)火、燃燒、淬熄三個(gè)步驟：
' L: J' D( T7 N& \# O" V點(diǎn)火
8 E7 X8 E1 s& I5 h3 N當(dāng)供油系統(tǒng)將混合好的油氣送入汽缸內(nèi)，經(jīng)由活塞壓縮后，點(diǎn)火系統(tǒng)的高壓線圈便會(huì)傳送一電流至火花塞，利用火花塞兩極之間的高電壓引燃油氣，（亦可說(shuō)是高電壓使汽油分子產(chǎn)生游離作用，進(jìn)而和氧離子結(jié)合，造成氧化作用）。為了引燃油氣，必須對(duì)油氣提供一相當(dāng)?shù)哪芰浚@個(gè)能量我們稱(chēng)為『最小點(diǎn)火能』（Minimum Ignition Energy）。最小點(diǎn)火能越小，點(diǎn)火越容易。這一油氣引燃的過(guò)程相對(duì)于接下來(lái)的油氣燃燒速度來(lái)說(shuō)，速度是比較緩慢的，而這一緩慢的氧化過(guò)程稱(chēng)為『點(diǎn)火』。『點(diǎn)火』所耗去的時(shí)間約占整個(gè)燃燒行程的10 %，而這段時(shí)間所耗去的油氣也少得為不足道。
- \6 F1 w/ O8 ]# ^3 @3 }燃燒
) J# K: o' C4 X7 a點(diǎn)火階段可視為油氣燃燒前能量的累積，當(dāng)點(diǎn)火完成后，火焰便開(kāi)始以燃燒壓力波的形式向外傳播，其傳播的方式是以火花塞為中心，一層一層依序向外燃燒，就如同將石頭丟入水中，在水面形成漣漪一般。在火焰向外傳播時(shí)，在已燃燒和未燃燒的油氣之間，有一進(jìn)行燃燒氧化反應(yīng)的反應(yīng)帶，我們稱(chēng)為『火焰波前』。火焰波前的范圍大小會(huì)影響燃燒的反應(yīng)速率和汽缸內(nèi)壓力上升的速率。油氣燃燒的速度對(duì)引擎的性能有決定性的影響，燃燒的速度越快，引擎的性能越好，爆震發(fā)生的趨勢(shì)也越低。
/ h6 F8 `5 J; I+ N( c2 l6 d2 C! Z淬熄
對(duì)引擎的燃燒來(lái)說(shuō)，汽缸壁是燃燒波所能到達(dá)最遠(yuǎn)的邊界，汽缸壁由于有冷卻系統(tǒng)的作用，溫度大都維持在 200℃左右，這相對(duì)於 700℃以上的火焰溫度來(lái)說(shuō)是很低的溫度，所以當(dāng)燃燒波傳到汽缸壁時(shí)，火焰的溫度便立刻下降，使得汽缸壁附近燃燒波的氧化作用因而減緩甚至中斷，而這趨緩的氧化反應(yīng)便產(chǎn)生了不完全氧化的產(chǎn)物HC及CO。這一氧化反應(yīng)較緩和的區(qū)域我們稱(chēng)為『淬熄層』，淬熄層越小，表示汽缸的熱傳損失量越少，引擎的熱效率較高、出力較大。

影響引擎燃燒的因素
% K- M3 R$ g- }* 影響點(diǎn)火的因素：
點(diǎn)火的難易乃由『最小點(diǎn)火能』所決定，最小點(diǎn)火能則是受燃料的分子量、混合氣的濃度、火花塞電極的形狀與間隙、汽缸溫度、混合氣氣體流動(dòng)的影響而產(chǎn)生變化。燃料的分子量越小、汽缸的溫度越高，其最小點(diǎn)火能越小，點(diǎn)火越容易。混合氣的濃度稍濃于理想空燃比（14.7:1），并能在汽缸內(nèi)快速的流動(dòng)使油氣更均勻，皆有助于點(diǎn)火。而火花塞對(duì)點(diǎn)火的難易更有決定性的影響，火花塞的電極間隙若減小則最小點(diǎn)火能將增大，不過(guò)間隙也不是越大越好，因?yàn)殚g隙大則跳火時(shí)間縮短，不利于點(diǎn)火，所以間隙直必須取兩者的折沖。火花塞的熱度等級(jí)越高，表示中央電極不易散熱，因此對(duì)點(diǎn)火越有利。但是當(dāng)火花塞熱值過(guò)高或汽缸過(guò)熱時(shí)，將使油氣在火花塞未點(diǎn)火前及自行點(diǎn)燃，稱(chēng)為”預(yù)燃”（Preignition）是異常燃燒的一種，有別于爆震，但同樣對(duì)引擎將產(chǎn)生不利的影響。
* 影響燃燒的因素：
- T! r" _$ F# c( v/ s+ y& L1、空燃比
燃燒速度會(huì)因?yàn)榛旌蠚獾慕M成、壓力、溫度而變化，影響最顯著的是空燃比，稍濃于理想空燃比（14.7:1）時(shí)可得到最大的燃燒速度，若空燃比低或高達(dá)到某一界限以上時(shí)，火焰便不再前進(jìn)，此界限稱(chēng)為『燃燒界限』。汽油的燃燒界限是空燃比22：1～8：1可安定運(yùn)轉(zhuǎn)的極限是18：1。所謂『稀薄燃燒引擎系統(tǒng)』技術(shù)（Lean Burn Combustion System） 就是讓引擎在盡量接近燃燒界限的下限且不產(chǎn)生爆震的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。
2、火花塞的位置
火花塞的位置雖對(duì)燃燒的速度沒(méi)有影響，但是它決定了相同燃燒速度下完成燃燒所需的時(shí)間。火花塞和汽缸必的距離越近，則完成燃燒的時(shí)間越短。因?yàn)橛蜌馊紵倪^(guò)程也是引擎最主要的加熱、加壓過(guò)程，這段時(shí)間的長(zhǎng)短，直接影響到引擎的熱效率，也影響到爆震的趨勢(shì)。火花塞的最佳位置就是在燃燒室的中央，而為了達(dá)成此一設(shè)計(jì)，多氣門(mén)和雙凸輪軸的設(shè)計(jì)是必然的趨勢(shì)。
$ d5 K- z6 w8 I/ A3、進(jìn)、排氣壓力與進(jìn)氣溫度
進(jìn)氣壓力的提高可促使油氣燃燒的速度增加，而進(jìn)氣溫度升高卻會(huì)使容積效率和混合氣密度降低，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆怠．?dāng)排氣壓力越高時(shí)，則每循環(huán)殘留在汽缸內(nèi)的廢氣越多，使能吸入的新鮮混合氣減少，而隨著殘留廢氣比例的增加，燃燒時(shí)的阻礙亦增大，火焰?zhèn)鞑サ乃俣纫蚨档汀?
4、進(jìn)氣速度
( e9 p0 t) u2 l' @進(jìn)氣速度影響了進(jìn)入汽缸內(nèi)油氣的流動(dòng)，油氣的流動(dòng)除了可以讓油氣的混合更均勻，更可產(chǎn)生攪動(dòng)的作用使燃燒火焰和未燃燒的油氣容易混在一起，增加火波前的范圍，加快燃燒的速度。進(jìn)氣速度與燃燒速度成近乎正比的關(guān)系，進(jìn)氣速度越快，燃燒的速度越快。而進(jìn)氣的速度與進(jìn)氣歧管的口徑與長(zhǎng)度、汽門(mén)設(shè)計(jì)、燃燒室?guī)缀涡螤钣嘘P(guān)。
: ^4 K/ x3 c. g( F# h7 s' u5、壓縮比
% y% ?, s1 e/ T2 ^壓縮比的增加會(huì)同時(shí)影響燃燒時(shí)的溫度與壓力，并讓油氣分子間的距離變小，而油氣的燃燒速度也隨著壓縮比的增高而增大。高性能引擎都想辦法在不發(fā)生爆震的前提下盡量的提高壓縮比，不但自然吸氣引擎是如此，就連增壓引擎的壓縮比都已提高到超過(guò)9.0:1 以上的水準(zhǔn)。要提高壓縮比最簡(jiǎn)單的方法就是改用較薄的汽缸墊片。
6、點(diǎn)火正時(shí)
引擎的最大功率輸出是取決于油氣燃燒產(chǎn)生最大氣體壓力時(shí)活塞的位置，而這個(gè)位置的改變可經(jīng)由點(diǎn)火正時(shí)的改變來(lái)達(dá)成，最理想的點(diǎn)火正時(shí)角度就是要讓燃燒過(guò)程完成一半時(shí)，活塞位置恰抵達(dá)上死點(diǎn)，此時(shí)活塞正好完成壓縮行程準(zhǔn)備往下運(yùn)動(dòng)，因此燃燒所產(chǎn)生的最高壓力可完全用來(lái)把活塞往下推，這就是產(chǎn)生最大燃燒速度點(diǎn)火正時(shí)。

* 影響淬熄的因素
淬熄主要受到燃燒室的形狀、汽缸壁的溫度與粗糙度的影響。淬熄的發(fā)生是主要是由于火焰接觸到燃燒室的壁面，因此要在相同的燃燒室容積下使燃燒室的表面積越小，減少淬熄量，一般而言燃燒是的形狀越規(guī)則越能達(dá)到此目的。而淬熄也是熱導(dǎo)傳的結(jié)果，所以燃燒室的溫度越高，則熱傳量越少，火焰也就越能接近壁面，淬熄層就越薄，被淬熄的氣體容積就越少。但是汽缸壁的溫度卻被材料所能承受的熱應(yīng)力及爆震的發(fā)生所限制，所以只能維持在一相當(dāng)?shù)牡蜏叵隆４送猓档腿紵业拇植诙纫部蓽p少淬熄量及熱傳量，提高熱效率。
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二、爆震
/ z1 S% [5 w/ }7 l" F3 v『爆震』是引擎燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的異常燃燒現(xiàn)象，它除了使引擎震動(dòng)加劇外，并產(chǎn)生敲擊聲、降低引擎出力、損傷引擎結(jié)構(gòu)。爆震可說(shuō)是引擎設(shè)計(jì)者的天敵，許多提升馬力、降低油耗、減少污染的設(shè)計(jì)，如高壓縮比、增壓裝置、提高汽缸壁工作溫度（材料科技的進(jìn)步使得強(qiáng)度上無(wú)虞）等，都因?yàn)楸鸬漠a(chǎn)生而受到限制。
8 A- u9 k# C( G+ T8 H' e爆震的特性是開(kāi)始時(shí)點(diǎn)火及燃燒波的傳播都正常，但是最后應(yīng)該燃燒的一部份油氣，我們稱(chēng)為『尾氣』（End Gas），因?yàn)槭芰巳紵髿怏w膨脹所造成的壓縮作用，使其體積縮小、溫度和壓力升高，在燃燒波尚未傳到該處之前，一部份油氣的溫度已經(jīng)達(dá)到『自燃點(diǎn)』，到達(dá)自燃點(diǎn)后在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的『自燃點(diǎn)火延遲』后就會(huì)自行引燃，并且以300m/s～200m/s的速度迅速向外傳播，而當(dāng)正常燃燒和爆震兩個(gè)方向相反的燃燒壓力波相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的氣體震動(dòng)，并發(fā)出特有的金屬撞擊聲，所以稱(chēng)為『爆震』。輕微的爆震無(wú)法被人的感官所察覺(jué)，在此我們稱(chēng)它為『無(wú)感爆震』，因此當(dāng)你能感覺(jué)得到引擎爆震所產(chǎn)生的噪音和震動(dòng)時(shí)，這時(shí)的爆震情況已經(jīng)嚴(yán)重得超乎你的想像，我們稱(chēng)它為『有感爆震』。有感爆震持續(xù)一段時(shí)間后，將使得活塞、汽缸頭、汽門(mén)、活塞環(huán)等，產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。
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這些是影響引擎性能的一些因素:
1、燃料的辛烷值
燃料的抗爆震性是以辛烷值（Octane Number）來(lái)表示，通常分子構(gòu)造簡(jiǎn)單、碳數(shù)多、煉長(zhǎng)者的抗爆震性?xún)?yōu)秀，而選用辛烷值較高的汽油是減少爆震發(fā)生的最直接方法。汽油辛烷值的選用必須與引擎的縮比配合，理論上壓縮比8~9用辛烷值92~95的汽油，壓縮比9~10用辛烷值95~100的汽油，否則壓縮比高的引擎若使用辛烷值低的汽油，將造成爆震連連、引擎無(wú)力、過(guò)熱、機(jī)件損耗。而壓縮比低的引擎若誤用辛烷值較高的汽油，不但不能增大引擎的出力，反而可能因燃燒溫度過(guò)高造成引擎過(guò)熱。
2、燃燒室的設(shè)計(jì)
1 Z7 p- q* u. N) J火花塞的的位置影響了完成燃燒所需的時(shí)間，這段時(shí)間就是尾氣所受的加壓和加熱時(shí)間，時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響爆震發(fā)生的趨勢(shì)。因此燃燒是的形狀若能讓壓縮時(shí)油氣的流動(dòng)性佳、沒(méi)有死角，并采用熱傳導(dǎo)效率較高的材料（如鋁合金），讓汽缸內(nèi)的溫度不易累積，使尾氣保持較低的溫度也可減少爆震的發(fā)生。
3、積碳
燃燒室內(nèi)如果有積碳會(huì)影響燃燒室的散熱并造成壓縮比的提高，讓原本不會(huì)發(fā)生爆震的引擎也發(fā)生爆震。積碳發(fā)生的原因除了引擎本身所產(chǎn)生的以外，在汽油中添加辛烷值提升劑更會(huì)加速積碳的累積。以國(guó)內(nèi)所能買(mǎi)到的95無(wú)鉛汽油，對(duì)很多高壓縮比引擎來(lái)說(shuō)并不夠用，很多車(chē)主都要選擇添加辛烷值提升劑來(lái)維持引擎的出力和消除爆震，在爆震與積碳的惡性循環(huán)下，添加辛烷值提升劑就有如引鴆止渴一般，還請(qǐng)車(chē)主三思。
- q. z7 }9 Y) {- h! m2 {: [4、壓縮比
引擎的熱效率是與其壓縮比成正比，壓縮比越高引擎出力越大，但是壓縮比的上限卻因?yàn)楸鸬陌l(fā)生而受到所限制，壓縮比與爆震的發(fā)生有極密切的關(guān)系，壓縮比越大，爆震的趨勢(shì)和強(qiáng)度越強(qiáng)。因?yàn)樘岣邏嚎s比會(huì)同時(shí)增加汽缸內(nèi)的溫度和壓力，使尾氣的溫度和壓力升高，增強(qiáng)爆震的趨勢(shì)。此外壓縮比的提高也會(huì)讓汽缸內(nèi)的殘留廢氣對(duì)油氣的沖淡做降低，造成燃燒室的溫度上升，促成爆震的發(fā)生。
5、空燃比
# L3 |& F+ W% D8 ?4 x油氣混合比過(guò)稀或混合不均勻都會(huì)造成爆震。較濃的油氣將使尾氣的自燃點(diǎn)火延遲時(shí)間增加，但也會(huì)使燃燒較不完全，產(chǎn)生的熱量較少，使得燃燒最后的溫度降低，減少爆震的發(fā)生，但也導(dǎo)致燃料用量增加，熱效率下降，同時(shí)降低引擎出力。有些引擎的爆震控制系統(tǒng)就是在爆震感知器偵測(cè)出爆震訊號(hào)時(shí)，供油系統(tǒng)便會(huì)適度的提高油氣濃度，直到爆震消除為止。
) p- i& M) V, p0 T3 s! ]  N6、進(jìn)氣溫度與汽缸溫度
8 G, p/ z( `  t' R0 A. @6 s5 g進(jìn)氣溫度與汽缸溫度的增加會(huì)使引擎的容積效率降低，使完成燃燒所需的時(shí)間增長(zhǎng)，亦即尾氣被加壓及加熱的時(shí)間增長(zhǎng)，增加尾氣的溫度和壓力，造成爆震。由此我們可以知道當(dāng)引擎溫度過(guò)高時(shí)，對(duì)引擎所成的損害并不是直接由于高溫所造成（和汽缸內(nèi)的溫度相比那就稱(chēng)不上高溫了），而是因?yàn)槠妆跍囟壬仙龑?dǎo)致嚴(yán)重的爆震，因?yàn)檫B連的爆震所產(chǎn)生的嚴(yán)重破壞。
* Z- V; R/ e* I+ L6 w7、點(diǎn)火正時(shí)
- b5 e, b. c9 P0 j" b若點(diǎn)火過(guò)早活塞在壓縮行程抵達(dá)上死點(diǎn)前燃燒掉的油氣較多，會(huì)使活塞進(jìn)行壓縮時(shí)所需的力量增加，同時(shí)也會(huì)提高燃燒室內(nèi)的最高溫度與壓力，而易產(chǎn)生爆震。若點(diǎn)火正時(shí)延遲，大部分的油氣都在活塞過(guò)了上死點(diǎn)以后燃燒，燃燒時(shí)活塞已經(jīng)往下運(yùn)動(dòng)，可以底消掉一部份燃燒后氣體膨脹所導(dǎo)致的壓力升高作用，減輕爆震的趨勢(shì)。不過(guò)假如點(diǎn)火過(guò)于落后，引擎的功率及效率都將降低。雖然點(diǎn)火正時(shí)的延遲會(huì)造成引擎無(wú)力、耗油增加，但是對(duì)于爆震控制方式的選擇大多以改變點(diǎn)火正時(shí)為主，因未改變點(diǎn)火正時(shí)比起其他消除爆震的方法要來(lái)得簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可行，尤其在電子技術(shù)發(fā)展成熟的今天更是如此。
8、進(jìn)氣壓力
+ t* b+ r# c4 v- s& H進(jìn)氣壓力提高可使油氣密度變大，燃燒所產(chǎn)生的總熱量較多，會(huì)使燃燒的最后溫度上升，易于產(chǎn)生爆震。這說(shuō)明了使用增壓進(jìn)氣裝置時(shí)，不論渦輪增壓或機(jī)械增壓常要適度的配合降低壓縮比，并結(jié)合爆震控制系統(tǒng)以防止爆震的發(fā)生。其中渦輪增壓系統(tǒng)（Turbo Charger）更因?yàn)闀?huì)同時(shí)造成進(jìn)氣溫度上升，所以有進(jìn)氣冷卻器（Inter-Cooler）的出現(xiàn)，以降低進(jìn)氣溫度提高容積效率并減少爆震的發(fā)生。
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xxuerou

學(xué)習(xí)了，謝謝LZ

sticlna

學(xué)習(xí)了，謝謝樓主！