引擎的燃烧与爆震

四海游子

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。

但是在工程师们想进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，因此燃稍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於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，经由活塞压缩後，点火系统的高压线圈便会传送一电流至火星塞，利用火星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於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，当点火完成後，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星塞为中心，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，汽缸壁由於有冷却系统的作用，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。

影响引擎燃烧的因素：

影响点火的因素：

点火的难易乃由『最小点火能』所决定，最小点火能则是受燃料的分子量、混合气的浓度、火星塞电极的形状与间隙、汽缸温度、混合气气体流动的影响而产生变化。燃料的分子量越小、汽缸的温度越高，其最小点火能越小，点火越容易。混合气的浓度稍浓於理想空燃比（14.7:1），并能在汽缸内快速的流动使油气更均匀，皆有助於点火。而火星塞对点火的难易更有决定性的影响，火星塞的电极间隙若减小则最小点火能将增大，不过间隙也不是越大越好，因为间隙大则跳火时间缩短，不利於点火，所以间隙直必须取两者的折冲。火星塞中央电极的直径越大，点火所需的电压必须升高，若将电击形状改为尖型，将有利於点火。此外，火星塞的热度等级越高，表示中央电极不易散热，因此对点火越有利。但是当火星塞热值过高或汽缸过热时，将使油气在火星塞未点火前及自行点燃，称为＂预燃＂（Preignition）是异常燃烧的一种，有别於爆震，但同样对引擎将产生不利的影响。有人会改用电极为针型、且导电性较好的火星塞，为的就是加速完成点火。

影响燃烧的因素：

１、空燃比

燃烧速度会因为混合气的组成、压力、温度而变化，影响最显着的是空燃比，稍浓於理想空燃比（14.7:1）时可得到最大的燃烧速度，若空燃比低或高达到某一界限以上时，火焰便不再前进，此界限称为『燃烧界限』。汽油的燃烧界限是空燃比２２：１～８：１可安定运转的极限是１８：１。所谓『稀薄燃烧引擎系统』技术（Lean Burn Combustion System） 就是让引擎在尽量接近燃烧界限的下限且不产生爆震的情况下运转。

２、火星塞的位置

火星塞的位置虽对燃烧的速度没有影响，但是它决定了相同燃烧速度下完成燃烧所需的时间。火星塞和汽缸必的距离越近，则完成燃烧的时间越短。因为油气燃烧的过程也是引擎最主要的加热、加压过程，这段时间的长短，直接影响到引擎的热效率，也影响到爆震的趋势。火星塞的最佳位置就是在燃烧室的中央，而为了达成此一设计，多气门和双凸轮轴的设计是必然的趋势。

３、进、排气压力与进气温度

进气压力的提高可促使油气燃烧的速度增加，而进气温度升高却会使容积效率和混合气密度降低，导致火焰传播速度下降。当排气压力越高时，则每循环残留在汽缸内的废气越多，使能吸入的新鲜混合气减少，而随着残留废气比例的增加，燃烧时的阻碍亦增大，火焰传播的速度因而降低。要提高进气压力最常用的方法就是利用 Turbo-charger 或Super-Charger ，而赛车引擎通常用碳纤维来作为进气道的材料，除了重量轻外，最重要的就是取碳纤维不易吸热，本身的温度不会因为引擎室的温度升高而升高，可大幅降低进气温度。至於要如何降低排气压力，当然是从排气管着手，而又以头段的影响最大。

４、进气速度

进气速度影响了进入汽缸内油气的流动，油气的流动除了可以让油气的混合更均匀，更可产生搅动的作用使燃烧火焰和未燃烧的油气容易混在一起，增加火波前的范围，加快燃烧的速度。进气速度与燃烧速度成近乎正比的关系，进气速度越快，燃烧的速度越快。而进气的速度与进气歧管的口径与长度、汽门设计、燃烧室几何形状有关。

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５、压缩比

压缩比的增加会同时影响燃烧时的温度与压力，并让油气分子间的距离变小，而油气的燃烧速度也随着压缩比的增高而增大。高性能引擎都想办法在不发生爆震的前提下尽量的提高压缩比，不但自然吸气引擎是如此，就连增压引擎的压缩比都已提高到超过9.0:1 以上的水准。要提高压缩比最简单的方法就是改用较薄的汽缸垫片。

６、点火正时

引擎的最大功率输出是取决於油气燃烧产生最大气体压力时活塞的位置，而这个位置的改变可经由点火正时的改变来达成，最理想的点火正时角度就是要让燃烧过程完成一半时，活塞位置恰抵达上死点，此时活塞正好完成压缩行程准备往下运动，因此燃烧所产生的最高压力可完全用来把活塞往下推，这就是产生最大燃烧速度点火正时。