『燃燒與爆震』--研究引擎的基礎

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一、燃燒
2 Q/ ?* q. I( j# q0 ]: }$ b4 q8 j因為引擎的燃燒循環是在汽缸這各小容器中進行，而且有溫度、壓力、熱傳導、殘留廢氣等變因，所以比起一般的燃燒來得復雜許多。目前有很多有關引擎的理論都是由實驗得來的，就因為是由實驗得來的所以有很多因素都有不同的解釋，甚至可能尚未被發現，因此讀者或可從本文中獲得啟發，找到其他有利引擎燃燒的好方法。在進入主題之前我們必須先介紹兩個名詞：空燃比A/F (Air-Fuel Ratio)和空氣過剩率λ(Excess Air Ratio)。
. @- p$ i9 V! k* ~空燃比A/F是進行引擎燃燒反應時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。如果根據汽油燃燒的化學反應方程式，我們可以算出汽油完全燃燒的理論空燃比為15.1:1，但是在實際的燃燒情況中，如果要達到完全燃燒，所需的空氣量往往比理論上所需的更多而實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在談到有關引擎的工作原理和廢氣污染控制上都會再出現，所以比必須先在此提出。引擎每完成一次進氣、壓縮、爆發、排氣四個行程的循環，曲軸轉了2圈也就是720°，在引擎轉速為 3000rpm時，曲軸轉速為每分鐘3000轉，也就是說引擎每分鐘要進行1500次的循環，完成每一次油氣燃燒的時間遠小于0.01秒。要去討論這0.01秒內快速進行的燃燒過程有相當的困難，[ 因此我們必須想像成用很慢很慢的慢動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火、燃燒、淬熄三個步驟：
+ i) s2 E. ?8 @# ~% W+ D% I7 F點火
當供油系統將混合好的油氣送入汽缸內，經由活塞壓縮后，點火系統的高壓線圈便會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生游離作用，進而和氧離子結合，造成氧化作用）。為了引燃油氣，必須對油氣提供一相當的能量，這個能量我們稱為『最小點火能』（Minimum Ignition Energy）。最小點火能越小，點火越容易。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『點火』。『點火』所耗去的時間約占整個燃燒行程的10 %，而這段時間所耗去的油氣也少得為不足道。
0 N8 ]6 _1 B5 [( B7 f$ j" p' F9 ?5 v燃燒
6 [' \- A. f: N4 r$ ?點火階段可視為油氣燃燒前能量的累積，當點火完成后，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，在已燃燒和未燃燒的油氣之間，有一進行燃燒氧化反應的反應帶，我們稱為『火焰波前』。火焰波前的范圍大小會影響燃燒的反應速率和汽缸內壓力上升的速率。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，爆震發生的趨勢也越低。
淬熄
1 c) J4 M# t: b/ C2 ^& E5 k! ~對引擎的燃燒來說，汽缸壁是燃燒波所能到達最遠的邊界，汽缸壁由于有冷卻系統的作用，溫度大都維持在 200℃左右，這相對於 700℃以上的火焰溫度來說是很低的溫度，所以當燃燒波傳到汽缸壁時，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便產生了不完全氧化的產物HC及CO。這一氧化反應較緩和的區域我們稱為『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。
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4 M$ Q$ }$ w: _* b影響引擎燃燒的因素
* j2 v2 Y9 @8 K$ P* 影響點火的因素：
6 [  d; ^6 R% z  u7 j點火的難易乃由『最小點火能』所決定，最小點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、混合氣氣體流動的影響而產生變化。燃料的分子量越小、汽缸的溫度越高，其最小點火能越小，點火越容易。混合氣的濃度稍濃于理想空燃比（14.7:1），并能在汽缸內快速的流動使油氣更均勻，皆有助于點火。而火花塞對點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火能將增大，不過間隙也不是越大越好，因為間隙大則跳火時間縮短，不利于點火，所以間隙直必須取兩者的折沖。火花塞的熱度等級越高，表示中央電極不易散熱，因此對點火越有利。但是當火花塞熱值過高或汽缸過熱時，將使油氣在火花塞未點火前及自行點燃，稱為”預燃”（Preignition）是異常燃燒的一種，有別于爆震，但同樣對引擎將產生不利的影響。
* 影響燃燒的因素：
1、空燃比
$ e+ k/ C. {6 a+ s6 M燃燒速度會因為混合氣的組成、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）時可得到最大的燃燒速度，若空燃比低或高達到某一界限以上時，火焰便不再前進，此界限稱為『燃燒界限』。汽油的燃燒界限是空燃比22：1～8：1可安定運轉的極限是18：1。所謂『稀薄燃燒引擎系統』技術（Lean Burn Combustion System） 就是讓引擎在盡量接近燃燒界限的下限且不產生爆震的情況下運轉。
  b7 ~: b) N' S% f4 @. P2、火花塞的位置
火花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間。火花塞和汽缸必的距離越近，則完成燃燒的時間越短。因為油氣燃燒的過程也是引擎最主要的加熱、加壓過程，這段時間的長短，直接影響到引擎的熱效率，也影響到爆震的趨勢。火花塞的最佳位置就是在燃燒室的中央，而為了達成此一設計，多氣門和雙凸輪軸的設計是必然的趨勢。
3、進、排氣壓力與進氣溫度
0 o7 C7 O% o; r/ R2 ]進氣壓力的提高可促使油氣燃燒的速度增加，而進氣溫度升高卻會使容積效率和混合氣密度降低，導致火焰傳播速度下降。當排氣壓力越高時，則每循環殘留在汽缸內的廢氣越多，使能吸入的新鮮混合氣減少，而隨著殘留廢氣比例的增加，燃燒時的阻礙亦增大，火焰傳播的速度因而降低。
5 N3 c& p6 Q' s, z; v: L2 J0 t0 M4、進氣速度
進氣速度影響了進入汽缸內油氣的流動，油氣的流動除了可以讓油氣的混合更均勻，更可產生攪動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。進氣速度與燃燒速度成近乎正比的關系，進氣速度越快，燃燒的速度越快。而進氣的速度與進氣歧管的口徑與長度、汽門設計、燃燒室幾何形狀有關。
* R4 A; {! @1 X' F. Q0 b! I% Q5、壓縮比
壓縮比的增加會同時影響燃燒時的溫度與壓力，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。要提高壓縮比最簡單的方法就是改用較薄的汽缸墊片。
- S2 W4 X2 b/ N6、點火正時
引擎的最大功率輸出是取決于油氣燃燒產生最大氣體壓力時活塞的位置，而這個位置的改變可經由點火正時的改變來達成，最理想的點火正時角度就是要讓燃燒過程完成一半時，活塞位置恰抵達上死點，此時活塞正好完成壓縮行程準備往下運動，因此燃燒所產生的最高壓力可完全用來把活塞往下推，這就是產生最大燃燒速度點火正時。

* 影響淬熄的因素
0 w$ b, k8 x: f2 l7 R5 @# X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則越能達到此目的。而淬熄也是熱導傳的結果，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力及爆震的發生所限制，所以只能維持在一相當的低溫下。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。

" N  z! d2 p# Q4 `; d二、爆震
7 R- W4 v) Z5 ], B4 [9 z7 s- Y' P' A『爆震』是引擎燃燒過程中所產生的異常燃燒現象，它除了使引擎震動加劇外，并產生敲擊聲、降低引擎出力、損傷引擎結構。爆震可說是引擎設計者的天敵，許多提升馬力、降低油耗、減少污染的設計，如高壓縮比、增壓裝置、提高汽缸壁工作溫度（材料科技的進步使得強度上無虞）等，都因為爆震的產生而受到限制。
1 o! P. l3 P' k9 c5 z' [; B) l, J爆震的特性是開始時點火及燃燒波的傳播都正常，但是最后應該燃燒的一部份油氣，我們稱為『尾氣』（End Gas），因為受了燃燒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達到『自燃點』，到達自燃點后在經過一段時間的『自燃點火延遲』后就會自行引燃，并且以300m/s～200m/s的速度迅速向外傳播，而當正常燃燒和爆震兩個方向相反的燃燒壓力波相遇時，會產生劇烈的氣體震動，并發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』，因此當你能感覺得到引擎爆震所產生的噪音和震動時，這時的爆震情況已經嚴重得超乎你的想像，我們稱它為『有感爆震』。有感爆震持續一段時間后，將使得活塞、汽缸頭、汽門、活塞環等，產生嚴重的損壞。

這些是影響引擎性能的一些因素:
1、燃料的辛烷值
0 e2 @' O2 l) g% V. J燃料的抗爆震性是以辛烷值（Octane Number）來表示，通常分子構造簡單、碳數多、煉長者的抗爆震性優秀，而選用辛烷值較高的汽油是減少爆震發生的最直接方法。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。
/ ~+ \/ n9 `- _1 J2、燃燒室的設計
" T( Q& _( d  m- r火花塞的的位置影響了完成燃燒所需的時間，這段時間就是尾氣所受的加壓和加熱時間，時間的長短直接影響爆震發生的趨勢。因此燃燒是的形狀若能讓壓縮時油氣的流動性佳、沒有死角，并采用熱傳導效率較高的材料（如鋁合金），讓汽缸內的溫度不易累積，使尾氣保持較低的溫度也可減少爆震的發生。
1 A6 a3 N5 d- y/ a  @0 ^# l3、積碳
燃燒室內如果有積碳會影響燃燒室的散熱并造成壓縮比的提高，讓原本不會發生爆震的引擎也發生爆震。積碳發生的原因除了引擎本身所產生的以外，在汽油中添加辛烷值提升劑更會加速積碳的累積。以國內所能買到的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為爆震的發生而受到所限制，壓縮比與爆震的發生有極密切的關系，壓縮比越大，爆震的趨勢和強度越強。因為提高壓縮比會同時增加汽缸內的溫度和壓力，使尾氣的溫度和壓力升高，增強爆震的趨勢。此外壓縮比的提高也會讓汽缸內的殘留廢氣對油氣的沖淡做降低，造成燃燒室的溫度上升，促成爆震的發生。
5、空燃比
* ?! _' O! h' N* i. C0 g油氣混合比過稀或混合不均勻都會造成爆震。較濃的油氣將使尾氣的自燃點火延遲時間增加，但也會使燃燒較不完全，產生的熱量較少，使得燃燒最后的溫度降低，減少爆震的發生，但也導致燃料用量增加，熱效率下降，同時降低引擎出力。有些引擎的爆震控制系統就是在爆震感知器偵測出爆震訊號時，供油系統便會適度的提高油氣濃度，直到爆震消除為止。
6、進氣溫度與汽缸溫度
" G" q, y4 y* m1 j# k! D進氣溫度與汽缸溫度的增加會使引擎的容積效率降低，使完成燃燒所需的時間增長，亦即尾氣被加壓及加熱的時間增長，增加尾氣的溫度和壓力，造成爆震。由此我們可以知道當引擎溫度過高時，對引擎所成的損害并不是直接由于高溫所造成（和汽缸內的溫度相比那就稱不上高溫了），而是因為汽缸壁溫度上升導致嚴重的爆震，因為連連的爆震所產生的嚴重破壞。
7、點火正時
若點火過早活塞在壓縮行程抵達上死點前燃燒掉的油氣較多，會使活塞進行壓縮時所需的力量增加，同時也會提高燃燒室內的最高溫度與壓力，而易產生爆震。若點火正時延遲，大部分的油氣都在活塞過了上死點以后燃燒，燃燒時活塞已經往下運動，可以底消掉一部份燃燒后氣體膨脹所導致的壓力升高作用，減輕爆震的趨勢。不過假如點火過于落后，引擎的功率及效率都將降低。雖然點火正時的延遲會造成引擎無力、耗油增加，但是對于爆震控制方式的選擇大多以改變點火正時為主，因未改變點火正時比起其他消除爆震的方法要來得簡單、經濟、可行，尤其在電子技術發展成熟的今天更是如此。
* P1 q# K9 @+ Y8、進氣壓力
4 k* y' y' i8 ~% V2 E進氣壓力提高可使油氣密度變大，燃燒所產生的總熱量較多，會使燃燒的最后溫度上升，易于產生爆震。這說明了使用增壓進氣裝置時，不論渦輪增壓或機械增壓常要適度的配合降低壓縮比，并結合爆震控制系統以防止爆震的發生。其中渦輪增壓系統（Turbo Charger）更因為會同時造成進氣溫度上升，所以有進氣冷卻器（Inter-Cooler）的出現，以降低進氣溫度提高容積效率并減少爆震的發生。
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xxuerou

學習了，謝謝LZ

sticlna

學習了，謝謝樓主！