今天有個朋友詢問鄙人,為什麼車子在進行急加速的時候會采取加濃噴射,既然加農噴射會導緻空燃比适度的降低,那麼從理論上看混合氣體濃度增加應該導緻燃燒更加不徹底才對,那麼車子在急加速的時候為什麼要采取這種加濃噴射方式?混合氣體濃度上升,導緻燃料燃燒的更不徹底,又如何釋放足夠車子完成加速的力量?按照慣性思維,車子在急加速時應該提高空燃比讓汽油燃燒更充分才對,為何反其道的加濃噴射降低壓縮比呢?這裡面就需要引入一個過量空氣系數的概念了;适當加濃混合氣體就等同于降低過量空氣系數,加濃後的混合氣體可以提高單位時間的做功,但劣勢就是導緻燃油燃燒的不充分(矛盾貌似又來了,為什麼燃燒不充分了,反而單位時間内做功反而提高?)。
朋友們都了解理想的空燃比是14.7:1,那麼我們就将對應1份汽油的14.7份空氣定義為過量空氣系數為1,也就是說當過量空氣系數為1時,所對應的空燃比為14.7:1;而當過量空氣系數升高或降低時,我們直接用14.7份的空氣乘升高或降低的過量空氣系數即可;舉一個很簡單的例子,某車需要急加速,ECU開始加濃噴射,此時的過量空氣系數已經改變為0.88(功率混合氣體),而此時對應1份汽油的空氣份數就等于14.7×0.88=約12.9份空氣,所以此時的空燃比就變成了12.9:1,而此時燃料燃燒最為迅速,此時釋放的動力也最為強烈;再舉一個例子如果車子進入了節能模式,采取勻速巡航,此時的過量空氣系數就可能變成了1.1,1.2甚至更高(未來稀薄燃燒技術更加成熟的時候,過量空氣系數可能大幅度升高,簡單點說就是大幅度提高了空燃比),而此時對應1份汽油的空氣份數就等于14.7×1.1=約16.2份空氣,此時的空燃比也就提高了,混合氣體變稀,燃料燃燒的更加充分,但燃燒速度變慢(簡單點說就是1等份的汽油對應的空氣越多,燃燒越充分,但越沒爆發力)。
如圖所示,節氣門開度最大時(地闆油),過量空氣系數降至0.9以下
為什麼在過量空氣系數為0.88時,動力最強?我們先要将“燃燒快慢”與“燃燒完全程度”區分開來;功率的概念為物體單位時間内的做功多少,也是描述做功快慢的物理量;那麼何為燃燒的快慢?燃燒的快與慢實際上就是指火焰傳播的快與慢;當車子需要動力(功率)的時候,最需要的是燃料燃燒的更快,也就是更快的火焰傳播速度,這樣才能獲得更高的功率,關鍵詞單位時間;鄙人舉一個數據并不是很嚴謹的例子,比如有一份汽油,在空燃比為14.7:1的情況下全部燃燒需要1秒,假設可以做到100%的燃燒(實際上即便空燃比14.7:1也不可能100%的燃燒,要不然就沒有不斷提高稀薄燃燒邊界的意義了),而還是這一份汽油在空燃比為12.9:1的情況下全部燃燒隻需要0.5秒,但隻能做到95%的燃燒,而那剩餘的5%就浪費了;這麼一比較就容易看出問題了,0.5秒燃燒95%的功率肯定比1秒燃燒100%更具有爆發力,結合單位時間的概念,我們即可得出0.5秒燃燒95%釋放的能量更迅速,也就是說單位時間内釋放的能量更快,所以壓縮比為12.9:1時,混合氣體燃燒釋放能量的速度最快,可燃氣體燃燒迅速了,發動機單位時間内獲得的能量也更加的快速了,發動機單位時間内獲得的能量更多轉化機械能的速度也就越快,所以發動機單位時間的工作變得更迅速,所以可以更快的提升功率;這裡面的重點就是燃料燃燒的快慢與燃燒的完全不完全是兩種不同的概念;并不是說空燃比高就是好,空燃比更高的确可以讓燃料燃燒更加的充分,但也同樣降低了燃燒的速度,燃燒速度降低,燃料釋放能量的時間就被拉長,發動機無法快速的獲得能量自然動力提升的就滿,車子就沒勁了。
均質燃燒
所以如今的車子在加速時都會采取加濃噴射的車略,目的就是在于降低空燃比,因為在過量空氣系數為0.88時,火焰的傳播速度最快,而發動機的動力源泉就是燃料的燃燒,燃燒越快,釋放的熱量就越快,而發動機獲得能量就越快;所以當我們需要加速時,發動機追去的是功率取向,也就是說此時的發動機最需要的是功率,所以自然而然的加農噴射來獲取燃燒最快的混合氣體濃度;過量空氣系數增加與減小分别代表了發動機的兩種取向,過量空氣增加代表發動機的節能取向,此時空燃比更大,燃料燃燒的更充分,空燃比越大燃料的燃燒程度越接近真正的100%,但空燃比越大,導緻的結果就是混合氣體濃度越稀,越稀則火焰傳播速度越慢,燃燒的就越慢,體現到車上就是沒勁;過量空氣系數降低,則代表發動機的動力取向,此時的空燃比降低,火焰傳播速度提高,通常在過量空氣系數低至0.88時,火焰傳播速度達到頂峰,這個時候即便再持續降低空燃比也無法獲得更快的燃燒速度了,而當過量空氣系數低至0.4的時候也就是空燃比約為6:1的時候,混合氣體太濃了也就沒辦法點燃了;這就是發動機的兩種截然相反的取向,所以想要車子功率高,動力強(加速性能),還省油就不靠譜了,事實上沒這麼好的事情,大多數隻是相對而已;但如今的内燃機發展趨勢都是奔着節能取向去的,因為這是個繞不開的問題,所以現如今工程師們不斷探索的稀薄燃燒的邊界,而直噴發動機的産生很容易實現更稀薄的燃燒,因為它可以實現更多層的燃燒,依靠一層點燃一層的方式避免了火花塞無法點燃過稀混合氣體的尴尬。
分層燃燒
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