文章分享: Innovate Motorsport 的一篇 application note. 解釋很濃的供油能減低爆震的原因.
原主題: You CAN be too rich (暫譯: 你的供油是否太濃了?)
要看原文, 請到這裡 http://www.innovatemotorsports.com/resources/rich.php
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很多人都相信把turbo車的供油調得很濃能減輕或避免爆震, 是由於剩餘未燃燒的汽油能幫助冷卻吸入的空氣. 但實際並非如此. 本文正要說明: "雖然濃供油真的能減低爆震發生率, 但並非靠進氣的冷卻."
讓我們先回顧一下物理學.
定義某物質的"熱容量"(specific heat)為把一公斤(1kg)該物質加熱一度K (Kelvin, 絕對溫度; 0K= -273degC) 所需的能量 (單位為Joule (J)).
不同物質有不同的 specific heat. 例如:
空氣 約1kJ/kg/K
氣油 2.02kJ/kg/K
純水 4.18kJ/kg/K
乙醇 2.43kJ/kg/K
甲醇 2.51kJ/kg/K
more..
除了specific heat, 液體(例如水, 汽油)還有一個重要的參數: 潛熱 (latent heat)
定義氣化潛熱(latent heat of vaporization)為使1kg該液體完全氣化(蒸發)所需的能量.
對於內燃機, 燃料必須氣化並與空氣混合才能在氣缸內燃燒產生動力, 液態的氣油是無法燃燒的.氣化氣油的能量部份來自從進氣口進入的空氣. 而汽油的潛熱較其specific heat大得多, 氣油的氣化使進氣迅速冷卻, 這現像在使用化油器的老車最容易被看出來: 進氣岐管外部有時會結霜, 這是由於被吸入的空氣的熱能被吸收用作氣化氣油.
以下是幾種常見液體的潛熱:
氣油 350kJ/kg
純水 2256kJ/kg
乙醇 904kJ/kg
甲醇 1109kJ/kg
絕大部份氣油引擎在空燃比(AFR)=12~13時產生最大動力(假設點火正時已被tune好). 我們就當AFR=12.5吧. 這表示對於每kg的空氣, 我們需要氣化0.08kg的氣油並與之混合. 這需要從吸入的空氣提取28kJ的能量. 假若我們把混合氣加濃, 空燃比變成AFR=11, 氣油氣化所需的能量變為31.8kJ, 比AFR=12.5時多出3.8kJ. 現在看看這3.8kJ能讓進氣溫度降低多少. 計算很簡單: 因為空氣的specific heat是1kJ/kg/K, 所以進氣溫度可降低3.8K (=3.8degC). 顯然, 3.8度的溫差對動力或爆震都不會有明顯的影響.
假如我們不增加供油, 但把10%氣油質量的水加噴到混合氣中(就是每1kg空氣加入0.008kg的水), 氣化這0.008kg的水將帶走約18kJ的熱能, 就是把進氣溫度降低18度. 所以, 加水的降溫效果是把供油加濃到AFR=11的四倍多. 當然, 加水不能增加動力, 但"多出來的"無法燃燒的氣油同樣不能增加動力. 從這點看, 若單是為了降溫, 與其調濃供油不如噴水.
<譯按: 難怪PuntoRex玩噴水玩得十分過癮.>
但是, 對turbo車使用"很濃的供油"的確能抑制爆震. 那到底是甚麼原理?
這要從燃燒速度說起.
混合氣被高壓放電的火花引燃之後, 火焰從火花隙向整個燃燒室以一定的速度傳播(燃燒速度), 缸內溫度及壓力迅速增加並在某時點達到最大值. 燃燒速度與AFR及混合氣的密度有關. 當AFR=12~13時, 燃燒速度最快; AFR<12或>13, 燃燒速度都變慢. 另外, 混合氣密度高時燃燒較快.
對於正在增壓的Turbo引擎, 混合氣密度上升因而燃燒速度加快, 缸壓便以較短時間到達最大值. 另一方面, 活塞愈接近上死點, 缸壓愈大. 換言之, 最大缸壓出現時刻愈接近上死點缸壓愈大. 因而愈易產生爆震. 另外, 跟據槓桿原理, 活塞愈接近上死點, 透過連桿對曲軸的作用力便愈弱, 因而扭力及功率(馬力)都減少.
若把混合氣加濃令燃燒速度變慢, 則最大缸壓將較晚(即離開上死點較後)出現, 所以對曲軸有較大的作用力. 由於最高缸壓稍晚(離上死點較後)出現, 其值較低, 因而爆震發生的機率亦較低. <譯按: 由於缸壓變低, 對活塞的推力也低, 但由於槓桿原理連桿對曲軸的作用力增加, 某種程度讓輸出扭力不至損失太多.> 維持最佳動力的空燃比(12~13)並延後點火可達成同樣的防爆震效果.
使用最佳動力的空燃比(12~13)並延後點火可產生更大動力.
這是因為炭氫化合物如氣油的燃燒過程實際上是分兩個階段進行: 第一階段, 氣油分子被分解成氫H2及炭C, 氫與空氣中的氧O2結合成水(H2O), 炭與氧結合成一氧化炭(CO). 這些反應發生在火焰前端且非常快速. 第二階段是CO跟O2化合而成CO2. 這反應相對較慢且需要水(來自第一階段反應)才能完成. 顯然的, 若沒有氧(假若大部份氧都在第一階段消耗殆盡)這反應是無法完成. 然而, 約三份之二的能量是從這第二階段獲得.
所以, 過濃的混合氣產出較少能量(動力)但能降低峰值缸壓及溫度. 因此爆震的機率也就降低. 這有點像"稍為收油". 一般引擎在"部份油門"工作時是不會產生爆震的. 原因是產出的能量較低而缸內壓力及溫度都較低(相對於全油門).
這就是為甚麼把供油調得很濃不單耗油而且沒力.
