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標(biāo)題:
『燃燒與爆震』--研究引擎的基礎(chǔ)
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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
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因?yàn)橐娴娜紵h(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)。
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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:
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點(diǎn)火
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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,必須對油氣提供一相當(dāng)?shù)哪芰浚@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』。『點(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。
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燃燒
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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。
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淬熄
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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。
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影響引擎燃燒的因素
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* 影響點(diǎn)火的因素:
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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。混合氣的濃度稍濃于理想空燃比(14.7:1),并能在汽缸內(nèi)快速的流動使油氣更均勻,皆有助于點(diǎn)火。而火花塞對點(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,但同樣對引擎將產(chǎn)生不利的影響。
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* 影響燃燒的因素:
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1、空燃比
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燃燒速度會因?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)。
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2、火花塞的位置
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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(shí)間。火花塞和汽缸必的距離越近,則完成燃燒的時(shí)間越短。因?yàn)橛蜌馊紵倪^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。火花塞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。
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3、進(jìn)、排氣壓力與進(jìn)氣溫度
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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)鞑サ乃俣纫蚨档汀?
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4、進(jìn)氣速度
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進(jìn)氣速度影響了進(jìn)入汽缸內(nèi)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(chǎn)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(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)。
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5、壓縮比
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壓縮比的增加會同時(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。
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6、點(diǎn)火正時(shí)
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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,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)。
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* 影響淬熄的因素
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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送猓档腿紵业拇植诙纫部蓽p少淬熄量及熱傳量,提高熱效率。
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二、爆震
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『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)楸鸬漠a(chǎn)生而受到限制。
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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)槭芰巳紵髿怏w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),會產(chǎn)生劇烈的氣體震動,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。
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這些是影響引擎性能的一些因素:
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1、燃料的辛烷值
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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。
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2、燃燒室的設(shè)計(jì)
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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。
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3、積碳
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燃燒室內(nèi)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(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。
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4、壓縮比
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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)楸鸬陌l(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。
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5、空燃比
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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(diǎn)火延遲時(shí)間增加,但也會使燃燒較不完全,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時(shí),供油系統(tǒng)便會適度的提高油氣濃度,直到爆震消除為止。
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6、進(jìn)氣溫度與汽缸溫度
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進(jìn)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(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)槠妆跍囟壬仙龑?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。
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7、點(diǎn)火正時(shí)
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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,會使活塞進(jìn)行壓縮時(shí)所需的力量增加,同時(shí)也會提高燃燒室內(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,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。
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8、進(jìn)氣壓力
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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)闀瑫r(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
作者:
sticlna
時(shí)間:
2009-8-8 22:27
學(xué)習(xí)了,謝謝樓主!
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