『燃烧与爆震』--研究引擎的基础

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一、燃烧
' |5 m& }0 {: e4 R4 }5 P" ~因为引擎的燃烧循环是在汽缸这各小容器中进行，而且有温度、压力、热传导、残留废气等变因，所以比起一般的燃烧来得复杂许多。目前有很多有关引擎的理论都是由实验得来的，就因为是由实验得来的所以有很多因素都有不同的解释，甚至可能尚未被发现，因此读者或可从本文中获得启发，找到其他有利引擎燃烧的好方法。在进入主题之前我们必须先介绍两个名词：空燃比A/F (Air-Fuel Ratio)和空气过剩率λ(Excess Air Ratio)。
空燃比A/F是进行引擎燃烧反应时所需的空气重量和燃料重量的比例，空然比小表示油气比较浓，反之则比较稀。如果根据汽油燃烧的化学反应方程式，我们可以算出汽油完全燃烧的理论空燃比为15.1:1，但是在实际的燃烧情况中，如果要达到完全燃烧，所需的空气量往往比理论上所需的更多而实际上所需的空气和理论上所需的空气量的比值就称为空气过剩率λ，λ越大表示所供给引擎的空气量越大。A/F和λ在谈到有关引擎的工作原理和废气污染控制上都会再出现，所以比必须先在此提出。引擎每完成一次进气、压缩、爆发、排气四个行程的循环，曲轴转了2圈也就是720°，在引擎转速为 3000rpm时，曲轴转速为每分钟3000转，也就是说引擎每分钟要进行1500次的循环，完成每一次油气燃烧的时间远小于0.01秒。要去讨论这0.01秒内快速进行的燃烧过程有相当的困难，[ 因此我们必须想像成用很慢很慢的慢动作来看引擎的燃烧过程。若用这样的方式来看引擎的燃烧过程，我们可以将它概分为点火、燃烧、淬熄三个步骤：
5 j) b: j( G* `8 a: k0 M点火
当供油系统将混合好的油气送入汽缸内，经由活塞压缩后，点火系统的高压线圈便会传送一电流至火花塞，利用火花塞两极之间的高电压引燃油气，（亦可说是高电压使汽油分子产生游离作用，进而和氧离子结合，造成氧化作用）。为了引燃油气，必须对油气提供一相当的能量，这个能量我们称为『最小点火能』（Minimum Ignition Energy）。最小点火能越小，点火越容易。这一油气引燃的过程相对于接下来的油气燃烧速度来说，速度是比较缓慢的，而这一缓慢的氧化过程称为『点火』。『点火』所耗去的时间约占整个燃烧行程的10 %，而这段时间所耗去的油气也少得为不足道。
" @$ N) j# a6 U5 H燃烧
点火阶段可视为油气燃烧前能量的累积，当点火完成后，火焰便开始以燃烧压力波的形式向外传播，其传播的方式是以火花塞为中心，一层一层依序向外燃烧，就如同将石头丢入水中，在水面形成涟漪一般。在火焰向外传播时，在已燃烧和未燃烧的油气之间，有一进行燃烧氧化反应的反应带，我们称为『火焰波前』。火焰波前的范围大小会影响燃烧的反应速率和汽缸内压力上升的速率。油气燃烧的速度对引擎的性能有决定性的影响，燃烧的速度越快，引擎的性能越好，爆震发生的趋势也越低。
淬熄
对引擎的燃烧来说，汽缸壁是燃烧波所能到达最远的边界，汽缸壁由于有冷却系统的作用，温度大都维持在 200℃左右，这相对於 700℃以上的火焰温度来说是很低的温度，所以当燃烧波传到汽缸壁时，火焰的温度便立刻下降，使得汽缸壁附近燃烧波的氧化作用因而减缓甚至中断，而这趋缓的氧化反应便产生了不完全氧化的产物HC及CO。这一氧化反应较缓和的区域我们称为『淬熄层』，淬熄层越小，表示汽缸的热传损失量越少，引擎的热效率较高、出力较大。

5 x( b( {! e" ~影响引擎燃烧的因素
4 `& J; a$ J* }% M3 I* 影响点火的因素：
点火的难易乃由『最小点火能』所决定，最小点火能则是受燃料的分子量、混合气的浓度、火花塞电极的形状与间隙、汽缸温度、混合气气体流动的影响而产生变化。燃料的分子量越小、汽缸的温度越高，其最小点火能越小，点火越容易。混合气的浓度稍浓于理想空燃比（14.7:1），并能在汽缸内快速的流动使油气更均匀，皆有助于点火。而火花塞对点火的难易更有决定性的影响，火花塞的电极间隙若减小则最小点火能将增大，不过间隙也不是越大越好，因为间隙大则跳火时间缩短，不利于点火，所以间隙直必须取两者的折冲。火花塞的热度等级越高，表示中央电极不易散热，因此对点火越有利。但是当火花塞热值过高或汽缸过热时，将使油气在火花塞未点火前及自行点燃，称为”预燃”（Preignition）是异常燃烧的一种，有别于爆震，但同样对引擎将产生不利的影响。
* 影响燃烧的因素：
1、空燃比
; u: R. k$ _2 ? B5 n( U燃烧速度会因为混合气的组成、压力、温度而变化，影响最显着的是空燃比，稍浓于理想空燃比（14.7:1）时可得到最大的燃烧速度，若空燃比低或高达到某一界限以上时，火焰便不再前进，此界限称为『燃烧界限』。汽油的燃烧界限是空燃比22：1～8：1可安定运转的极限是18：1。所谓『稀薄燃烧引擎系统』技术（Lean Burn Combustion System） 就是让引擎在尽量接近燃烧界限的下限且不产生爆震的情况下运转。
; m+ u# S+ |" @0 b" W6 v: m( F1 N2、火花塞的位置
火花塞的位置虽对燃烧的速度没有影响，但是它决定了相同燃烧速度下完成燃烧所需的时间。火花塞和汽缸必的距离越近，则完成燃烧的时间越短。因为油气燃烧的过程也是引擎最主要的加热、加压过程，这段时间的长短，直接影响到引擎的热效率，也影响到爆震的趋势。火花塞的最佳位置就是在燃烧室的中央，而为了达成此一设计，多气门和双凸轮轴的设计是必然的趋势。
+ I, h+ n$ `; U5 |. V3、进、排气压力与进气温度
进气压力的提高可促使油气燃烧的速度增加，而进气温度升高却会使容积效率和混合气密度降低，导致火焰传播速度下降。当排气压力越高时，则每循环残留在汽缸内的废气越多，使能吸入的新鲜混合气减少，而随着残留废气比例的增加，燃烧时的阻碍亦增大，火焰传播的速度因而降低。
4、进气速度
进气速度影响了进入汽缸内油气的流动，油气的流动除了可以让油气的混合更均匀，更可产生搅动的作用使燃烧火焰和未燃烧的油气容易混在一起，增加火波前的范围，加快燃烧的速度。进气速度与燃烧速度成近乎正比的关系，进气速度越快，燃烧的速度越快。而进气的速度与进气歧管的口径与长度、汽门设计、燃烧室几何形状有关。
' T! z0 y4 ]9 o! Q/ L# `5、压缩比
压缩比的增加会同时影响燃烧时的温度与压力，并让油气分子间的距离变小，而油气的燃烧速度也随着压缩比的增高而增大。高性能引擎都想办法在不发生爆震的前提下尽量的提高压缩比，不但自然吸气引擎是如此，就连增压引擎的压缩比都已提高到超过9.0:1 以上的水准。要提高压缩比最简单的方法就是改用较薄的汽缸垫片。
6、点火正时
引擎的最大功率输出是取决于油气燃烧产生最大气体压力时活塞的位置，而这个位置的改变可经由点火正时的改变来达成，最理想的点火正时角度就是要让燃烧过程完成一半时，活塞位置恰抵达上死点，此时活塞正好完成压缩行程准备往下运动，因此燃烧所产生的最高压力可完全用来把活塞往下推，这就是产生最大燃烧速度点火正时。

* 影响淬熄的因素
0 E- G6 L, g9 `6 Q$ o: A淬熄主要受到燃烧室的形状、汽缸壁的温度与粗糙度的影响。淬熄的发生是主要是由于火焰接触到燃烧室的壁面，因此要在相同的燃烧室容积下使燃烧室的表面积越小，减少淬熄量，一般而言燃烧是的形状越规则越能达到此目的。而淬熄也是热导传的结果，所以燃烧室的温度越高，则热传量越少，火焰也就越能接近壁面，淬熄层就越薄，被淬熄的气体容积就越少。但是汽缸壁的温度却被材料所能承受的热应力及爆震的发生所限制，所以只能维持在一相当的低温下。此外，降低燃烧室的粗糙度也可减少淬熄量及热传量，提高热效率。

: ~! `, t; }5 Y% S二、爆震
! Y3 r) X5 Y4 O- d8 T- i: J『爆震』是引擎燃烧过程中所产生的异常燃烧现象，它除了使引擎震动加剧外，并产生敲击声、降低引擎出力、损伤引擎结构。爆震可说是引擎设计者的天敌，许多提升马力、降低油耗、减少污染的设计，如高压缩比、增压装置、提高汽缸壁工作温度（材料科技的进步使得强度上无虞）等，都因为爆震的产生而受到限制。
p1 t5 n: [ e @. }% r爆震的特性是开始时点火及燃烧波的传播都正常，但是最后应该燃烧的一部份油气，我们称为『尾气』（End Gas），因为受了燃烧后气体膨胀所造成的压缩作用，使其体积缩小、温度和压力升高，在燃烧波尚未传到该处之前，一部份油气的温度已经达到『自燃点』，到达自燃点后在经过一段时间的『自燃点火延迟』后就会自行引燃，并且以300m/s～200m/s的速度迅速向外传播，而当正常燃烧和爆震两个方向相反的燃烧压力波相遇时，会产生剧烈的气体震动，并发出特有的金属撞击声，所以称为『爆震』。轻微的爆震无法被人的感官所察觉，在此我们称它为『无感爆震』，因此当你能感觉得到引擎爆震所产生的噪音和震动时，这时的爆震情况已经严重得超乎你的想像，我们称它为『有感爆震』。有感爆震持续一段时间后，将使得活塞、汽缸头、汽门、活塞环等，产生严重的损坏。
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1 y9 T8 V" B8 Q) R$ x# Q8 f7 j# i' B这些是影响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）来表示，通常分子构造简单、碳数多、炼长者的抗爆震性优秀，而选用辛烷值较高的汽油是减少爆震发生的最直接方法。汽油辛烷值的选用必须与引擎的缩比配合，理论上压缩比8~9用辛烷值92~95的汽油，压缩比9~10用辛烷值95~100的汽油，否则压缩比高的引擎若使用辛烷值低的汽油，将造成爆震连连、引擎无力、过热、机件损耗。而压缩比低的引擎若误用辛烷值较高的汽油，不但不能增大引擎的出力，反而可能因燃烧温度过高造成引擎过热。
2、燃烧室的设计
O& ]% t; O( o, b( p火花塞的的位置影响了完成燃烧所需的时间，这段时间就是尾气所受的加压和加热时间，时间的长短直接影响爆震发生的趋势。因此燃烧是的形状若能让压缩时油气的流动性佳、没有死角，并采用热传导效率较高的材料（如铝合金），让汽缸内的温度不易累积，使尾气保持较低的温度也可减少爆震的发生。
, u% W3 \) O Q9 H3、积碳
燃烧室内如果有积碳会影响燃烧室的散热并造成压缩比的提高，让原本不会发生爆震的引擎也发生爆震。积碳发生的原因除了引擎本身所产生的以外，在汽油中添加辛烷值提升剂更会加速积碳的累积。以国内所能买到的95无铅汽油，对很多高压缩比引擎来说并不够用，很多车主都要选择添加辛烷值提升剂来维持引擎的出力和消除爆震，在爆震与积碳的恶性循环下，添加辛烷值提升剂就有如引鸩止渴一般，还请车主三思。
4、压缩比
3 J* v8 k& M; @引擎的热效率是与其压缩比成正比，压缩比越高引擎出力越大，但是压缩比的上限却因为爆震的发生而受到所限制，压缩比与爆震的发生有极密切的关系，压缩比越大，爆震的趋势和强度越强。因为提高压缩比会同时增加汽缸内的温度和压力，使尾气的温度和压力升高，增强爆震的趋势。此外压缩比的提高也会让汽缸内的残留废气对油气的冲淡做降低，造成燃烧室的温度上升，促成爆震的发生。
5、空燃比
" w( c' r% |( i" _- R4 j5 u/ x* l油气混合比过稀或混合不均匀都会造成爆震。较浓的油气将使尾气的自燃点火延迟时间增加，但也会使燃烧较不完全，产生的热量较少，使得燃烧最后的温度降低，减少爆震的发生，但也导致燃料用量增加，热效率下降，同时降低引擎出力。有些引擎的爆震控制系统就是在爆震感知器侦测出爆震讯号时，供油系统便会适度的提高油气浓度，直到爆震消除为止。
5 G6 f4 I I0 A/ t& G) y* ~: h6、进气温度与汽缸温度
! E; M/ i4 R/ U进气温度与汽缸温度的增加会使引擎的容积效率降低，使完成燃烧所需的时间增长，亦即尾气被加压及加热的时间增长，增加尾气的温度和压力，造成爆震。由此我们可以知道当引擎温度过高时，对引擎所成的损害并不是直接由于高温所造成（和汽缸内的温度相比那就称不上高温了），而是因为汽缸壁温度上升导致严重的爆震，因为连连的爆震所产生的严重破坏。
7、点火正时
8 u8 _0 n0 g2 {: d* I$ q若点火过早活塞在压缩行程抵达上死点前燃烧掉的油气较多，会使活塞进行压缩时所需的力量增加，同时也会提高燃烧室内的最高温度与压力，而易产生爆震。若点火正时延迟，大部分的油气都在活塞过了上死点以后燃烧，燃烧时活塞已经往下运动，可以底消掉一部份燃烧后气体膨胀所导致的压力升高作用，减轻爆震的趋势。不过假如点火过于落后，引擎的功率及效率都将降低。虽然点火正时的延迟会造成引擎无力、耗油增加，但是对于爆震控制方式的选择大多以改变点火正时为主，因未改变点火正时比起其他消除爆震的方法要来得简单、经济、可行，尤其在电子技术发展成熟的今天更是如此。
8、进气压力
进气压力提高可使油气密度变大，燃烧所产生的总热量较多，会使燃烧的最后温度上升，易于产生爆震。这说明了使用增压进气装置时，不论涡轮增压或机械增压常要适度的配合降低压缩比，并结合爆震控制系统以防止爆震的发生。其中涡轮增压系统（Turbo Charger）更因为会同时造成进气温度上升，所以有进气冷却器（Inter-Cooler）的出现，以降低进气温度提高容积效率并减少爆震的发生。
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学习了，谢谢LZ

sticlna

学习了，谢谢楼主！