改裝基礎(chǔ)知識(shí)--引擎的燃燒與爆震

    前言

　　汽車的動(dòng)力來自引擎，而引擎動(dòng)力的產(chǎn)生是利用汽缸內(nèi)油氣的燃燒所產(chǎn)生的爆發(fā)力推動(dòng)活塞而來，因此要獲得良好的引擎性能就要從提高引擎的燃燒效率著手，從汽缸內(nèi)油氣燃燒的基本理論找出提高引擎燃燒效率和熱效率的方法來提高引擎性能。

　　但是在工程師們想進(jìn)辦法來提高引擎性能的同時(shí)，卻因?yàn)楸��?Knocking)的發(fā)生而受到種種的限制，而一具最高性能的引擎就是在燃燒與爆震的交互作用和互相牽制下得出的妥協(xié)。

　　『燃燒與爆震』不但是研究引擎的基礎(chǔ)，也是判斷引擎優(yōu)劣的依據(jù)，更是引擎改裝的基礎(chǔ)，因此燃稍與爆震可說是一切討論有關(guān)引擎性能的入門，更是談引擎改裝時(shí)的立論依據(jù)。

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)，找到其它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，[ 因此我們必須想象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：

一、點(diǎn)火
　　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)傳送一電流至火星塞，利用火星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，必須對油氣提供一相當(dāng)?shù)哪芰�，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。

二、燃燒
　　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星塞為中心，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』�；鹧娌ㄇ暗姆秶�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。

三、淬熄
　　對引擎的燃燒來說，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，這相對于 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。


影響引擎燃燒的因素：
一、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、火星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。而火星塞對點(diǎn)火的難易更有決定性的影響，火星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。火星塞中央電極的直徑越大，點(diǎn)火所需的電壓必須升高，若將電擊形狀改為尖型，將有利于點(diǎn)火。此外，火星塞的熱度等級(jí)越高，表示中央電極不易散熱，因此對點(diǎn)火越有利。但是當(dāng)火星塞熱值過高或汽缸過熱時(shí)，將使油氣在火星塞未點(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，但同樣對引擎將產(chǎn)生不利的影響。有人會(huì)改用電極為針型、且導(dǎo)電性較好的火星塞，為的就是加速完成點(diǎn)火。

二、影響燃燒的因素：
１、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、火星塞的位置
　　火星塞的位置雖對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。火星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�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�；鹦侨�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)，多氣門和雙凸輪軸的設(shè)計(jì)是必然的趨勢。


３、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�。�?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。要提高進(jìn)氣壓力最常用的方法就是利用 Turbo-charger 或Super-Charger ，而賽車引擎通常用碳纖維來作為進(jìn)氣道的材料，除了重量輕外，最重要的就是取碳纖維不易吸熱，本身的溫度不會(huì)因?yàn)橐�擎室的溫度升高而升高，可大幅降低進(jìn)氣溫度。至于要如何降低排氣壓力，當(dāng)然是從排氣管著手，而又以頭段的影響最大。

４、進(jìn)氣速度
　　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)。

５、壓縮比
　　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)。

三、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�。此外，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。

二、爆震

　　『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)重得超乎你的想象，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。


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。據(jù)報(bào)載：中油將在民國87年底前推出辛烷值98的汽油。

２、燃燒室的設(shè)計(jì)
　　火星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。

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。以國內(nèi)所能買到的95無鉛汽油，對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，還請車主三思。

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�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
　　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。

６、進(jìn)氣溫度與汽缸溫度
　　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)比起其它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。