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引擎的燃烧与爆震 你在开车是碰到过吗 - 改装知识

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引擎的燃烧与爆震 你在开车是碰到过吗 [复制链接]

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发表于 2012-10-10 13:18:11 |显示全部楼层
汽车的动力来自引擎,而引擎动力的产生是利用汽缸内油气的燃烧所产生的爆发力推动活塞而来,因此要获得良好的引擎性能就要从提高引擎的燃烧效率着手,从汽缸内油气燃烧的基本理论找出提高引擎燃烧效率和热效率的方法来提高引擎性能。
    但是在工程师们想尽办法来提高引擎性能的同时,却因为爆震(Knocking)的发生而受到种种的限制,而一具最高性能的引擎就是在燃烧与爆震的交互作用和互相牵制下得出的妥协。
    『燃烧与爆震』不但是研究引擎的基础,也是判断引擎优劣的依据,更是引擎改装的基础,因此燃烧与爆震可说是一切讨论有关引擎性能的入门,更是谈引擎改装时的立论依据。
一、燃烧
    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:
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。
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。




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