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標(biāo)題: 『燃燒與爆震』--研究引擎的基礎(chǔ) [打印本頁]

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作者: xw1138    時(shí)間: 2009-5-8 22:24
標(biāo)題: 『燃燒與爆震』--研究引擎的基礎(chǔ)
一,、燃燒
因?yàn)橐�擎的燃燒循環(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)得來的，就因?yàn)槭怯蓪?shí)驗(yàn)得來的所以有很多因素都有不同的解釋,，甚至可能尚未被發(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)和空氣過剩率λ(Excess Air Ratio),。
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為空氣過剩率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)作來看引擎的燃燒過程,。若用這樣的方式來看引擎的燃燒過程，我們可以將它概分為點(diǎn)火,、燃燒,、淬熄三個(gè)步驟：
" ]1 X$ |, Q5 S' U9 z2 q" V點(diǎn)火
- o3 ~& [: i- j. c) p" }2 V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�這個(gè)能量我們稱為『最小點(diǎn)火能』（Minimum Ignition Energy）,。最小點(diǎn)火能越小,，點(diǎn)火越容易。這一油氣引燃的過程相對(duì)于接下來的油氣燃燒速度來說,，速度是比較緩慢的,，而這一緩慢的氧化過程稱為『點(diǎn)火』�,！狐c(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。
, o+ j) Z+ Y+ |! y( P) J3 M1 o燃燒
1 L& M+ q, N( U9 Y/ L) F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)生的趨勢也越低,。
  a; @1 ~' j" I6 G9 d淬熄
對(duì)引擎的燃燒來說,，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℃以上的火焰溫度來說是很低的溫度，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。

; c4 R) {& {7 C7 l2 k9 K  P影響引擎燃燒的因素
- c* p2 O# ^& @/ t2 {. \$ A& S/ _* 影響點(diǎn)火的因素：
1 `2 ]2 a6 l0 n! y# k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,�,；旌蠚獾臐舛壬詽庥诶硐肟杖急龋�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)火花塞熱值過高或汽缸過熱時(shí),，將使油氣在火花塞未點(diǎn)火前及自行點(diǎn)燃,，稱為”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：
" s* f. ~, v. b9 H# b+ p1,、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
- N0 v" h* N6 R+ l& k火花塞的位置雖對(duì)燃燒的速度沒有影響，但是它決定了相同燃燒速度下完成燃燒所需的時(shí)間,�,；鸹ㄈ�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�的過程也是引擎最主要的加熱,、加壓過程，這段時(shí)間的長短,，直接影響到引擎的熱效率,，也影響到爆震的趨勢�,；鸹ㄈ�的最佳位置就是在燃燒室的中��,，而為了達(dá)成此一設(shè)計(jì)，多氣門和雙凸輪軸的設(shè)計(jì)是必然的趨勢,。
& u3 z; b8 Y. p$ s) S2 n" d3,、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�降低�?
+ |+ X5 U; h* e0 I7 \  I, P2 W7 k4,、進(jìn)氣速度
+ @( k6 {/ l( v+ H2 k: R4 r  E8 q' R# O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)氣歧管的口徑與長度,、汽門設(shè)計(jì)、燃燒室?guī)缀涡螤钣嘘P(guān),。
( }  A4 I7 Q* D9 u/ v4 X# s5,、壓縮比
! t; }5 l1 S$ x3 I' |7 b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9.0:1 以上的水準(zhǔn),。要提高壓縮比最簡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)的改變來達(dá)成，最理想的點(diǎn)火正時(shí)角度就是要讓燃燒過程完成一半時(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
, t0 J' I/ M9 |' x0 G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�,，降低燃燒室的粗糙度也可減少淬熄量及熱傳量,，提高熱效率。
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二,、爆震
4 H: l# j- z9 _! A; x『爆震』是引擎燃燒過程中所產(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)度上無虞）等,，都因?yàn)楸�震的產(chǎn)生而受到限制,。
爆震的特性是開始時(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,，我們稱為『尾氣』（End Gas），因?yàn)槭芰巳紵�后氣體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,，所以稱為『爆震』,。輕微的爆震無法被人的感官所察覺，在此我們稱它為『無感爆震』,，因此當(dāng)你能感覺得到引擎爆震所產(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,、活塞環(huán)等,，產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。

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）來表示,，通常分子構(gòu)造簡單、碳數(shù)多,、煉長者的抗爆震性優(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,、引擎無力、過熱,、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高造成引擎過熱,。
- }& @! C4 l0 H1 Z  v0 H, E2、燃燒室的設(shè)計(jì)
: H: O- F* ]0 i* v9 Q2 z0 L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)間的長短直接影響爆震發(fā)生的趨勢。因此燃燒是的形狀若能讓壓縮時(shí)油氣的流動(dòng)性佳,、沒有死角,，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,。
: ?' }7 t+ z  u# |' |/ t6 [( P% L3、積碳
$ e1 v' R/ Q: w  F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,。以國內(nèi)所能買到的95無鉛汽油,，對(duì)很多高壓縮比引擎來說并不夠用，很多車主都要選擇添加辛烷值提升劑來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)車主三思。
4,、壓縮比
8 y/ z+ X4 k% L; f3 v( _# }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�震的發(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,。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,。
) f' A* r0 M2 l1 Z- r5,、空燃比
油氣混合比過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。
( A) s& t" E' L& W" |5 t  }6,、進(jìn)氣溫度與汽缸溫度
- r: }- r4 O/ \/ l! C$ l3 Q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，亦即尾氣被加壓及加熱的時(shí)間增長,，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)的溫度相比那就稱不上高溫了）,，而是因?yàn)槠�缸壁溫度上升�?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,。
7,、點(diǎn)火正時(shí)
若點(diǎn)火過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,。不過假如點(diǎn)火過于落后,，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得簡單,、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
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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作者: xxuerou    時(shí)間: 2009-8-7 22:53
學(xué)習(xí)了,，謝謝LZ

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作者: sticlna    時(shí)間: 2009-8-8 22:27
學(xué)習(xí)了,，謝謝樓主！

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