◆文/山東 焦建剛

一、混合汽的燃燒過程

混合汽的燃燒包含著火落后期、明顯燃燒期、補燃期(后燃期) 三個過程。

1.著火落后期

從火花塞跳火開始到形成火焰中心為止這段時間稱為著火落后期?；鸹ㄈ鸷?，并不能立刻形成火焰中心，因為混合汽氧化反應(yīng)需要一定時間?；鸹芰渴咕植繙囟妊杆偕?，(火花放電時兩極電壓在15 000V以上，混合汽局部溫度可達2 000℃)，加快了混合汽的氧化反應(yīng)速度。當(dāng)這種反應(yīng)達到一定程度時(約0.001～0.002s)，出現(xiàn)發(fā)光區(qū)，形成火焰中心。此階段缸內(nèi)壓力無明顯升高。

著火落后期的長短與燃料本身的分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)、過量空氣系數(shù)(φat=0.8～0.9時最短)、開始點火時汽缸內(nèi)溫度和

圖7 測量螺栓直徑

六、深凹槽型螺栓

沒有強度標(biāo)記的深凹槽型螺栓是六角頭上有減重凹槽的法蘭螺栓，是按法蘭外徑進行的分類(圖8)，它們的法蘭外徑比帶有法蘭頭的標(biāo)準(zhǔn)螺栓的直徑要大。安裝這類螺栓應(yīng)小心地裝在正確的位置并施加規(guī)定的扭矩。

圖8 深凹槽型螺栓

七、均勻支承應(yīng)力螺栓

均勻支承應(yīng)力螺栓(圖9)的結(jié)構(gòu)能防止松動。因為在它螺栓頭的下法蘭面上滾壓或鍛造一個5～60′的小角度，這會導(dǎo)致法蘭在螺栓擰緊時彎曲，從而提供額外的摩擦力來保持螺栓緊固。此種螺栓可能標(biāo)或不標(biāo)強度標(biāo)記。

圖9 均勻支承應(yīng)力螺栓

八、內(nèi)六角花形頭螺栓

這種螺栓(圖10)的結(jié)構(gòu)能承受來自套筒到螺栓的更大的扭矩。在螺栓強度不變條件下，對安裝位置的空間要求可更小。按使用旋緊扳柄不同，分為“T型”和“E型”。壓力(取決于壓縮比)、殘余廢氣量、汽缸內(nèi)混合汽的運動、火花能量大小等因素有關(guān)。

圖10 內(nèi)六角花形頭螺栓

2.明顯燃燒期

從火焰中心形成到汽缸內(nèi)出現(xiàn)最高壓力為止，這段時間稱為明顯燃燒期。在示功圖上為汽缸壓力線脫離壓縮線開始急劇上升到壓力達到最高點。

當(dāng)火焰中心形成后，火焰前鋒以20～30m/s的速度從火焰中心開始逐層向四周的未燃混合汽傳播，直到連續(xù)不斷地掃過整個燃燒室。混合汽的絕大部分(約80%以上)在此期間燃燒完畢，使汽缸內(nèi)壓力、溫度迅速升高，出現(xiàn)最高壓力點。

3.補燃期

從最高壓力點開始到燃料基本燃燒完為止稱為補燃期。這一階段的燃燒主要是明顯燃燒期火焰前鋒掃過的區(qū)域，部分未燃盡的燃料繼續(xù)燃燒；吸附在缸壁上的混合層繼續(xù)燃燒，部分H2、O2、CO等高溫分解產(chǎn)物，因在膨脹過程中溫度下降又重新燃燒、放熱。混合汽的燃燒過程如圖1所示。

圖1 混合汽的燃燒過程

二、點火提前角

混合汽在汽缸內(nèi)燃燒需占用一定的時間，所以混合汽不應(yīng)在壓縮行程上止點處點燃，而應(yīng)適當(dāng)?shù)靥崆?，使燃燒產(chǎn)生的最高壓力出現(xiàn)在上止后12°～15°，此時對應(yīng)的點火提前角為最佳點火提前角。

1.混合汽燃燒時間

混合汽點火到完全燃燒約需2～3ms的時間。由于發(fā)動機的工況、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度及汽缸內(nèi)的混合汽濃度發(fā)生變化，導(dǎo)致了在不同工況下，汽缸內(nèi)混合汽燃燒時間的不同，所以，不能簡單的一概而論。在汽油機一定的節(jié)氣門開度下，轉(zhuǎn)速隨負荷的變化而相應(yīng)變化。轉(zhuǎn)速增加時，汽缸中紊流增強，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌臁?/p>

隨轉(zhuǎn)速增加，壓縮過程所用時間縮短，散熱及漏氣損失減少，壓縮終了工質(zhì)的溫度和壓力較高，使以秒計的燃燒過程縮短。但縮短程度不如轉(zhuǎn)速增加的比例大，使燃燒過程相當(dāng)?shù)那S轉(zhuǎn)角增大，而以曲軸轉(zhuǎn)角計的著火落后期增長。

2.點火提前角與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系

提前點火(發(fā)火)點處曲軸和活塞位置如圖2所示。發(fā)動機轉(zhuǎn)速快，每一轉(zhuǎn)所用的總時間減少，相同時間內(nèi)，所轉(zhuǎn)過的曲軸轉(zhuǎn)角變大。如果要保證混合汽燃燒時間不變，只有隨發(fā)動機轉(zhuǎn)角速度增加，而延長或提前點火角度。變化的是發(fā)動機轉(zhuǎn)速、點火提前的角度，基本不變的是用來使混合汽燃燒所需的時間，如圖3所示。

圖2 提前點火(發(fā)火)點處的曲軸和活塞位置

圖3 點火提前角與發(fā)動機轉(zhuǎn)速關(guān)系

3.怠速時的點火提前角

怠速時，點火提前角度一般為上止點前5°～10°，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為17°～25°，燃燒所用時間大約為3.5～5.2ms。

4.發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000r/m時的點火提前角

發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000r/min時,點火提前角一般為上止點前30°～35°，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為42°～50°，燃燒所用時間3.5～4.16ms。

5.發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 500r/min時的點火提前角

發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 000r/min時,點火提前角一般為上止點前35°～40°，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為47°～55°，燃燒所用時間2.6～3.05ms。

6.發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角時間關(guān)系

發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角時間關(guān)系列于表1。

表1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角時間關(guān)系

7.負荷對點火提前角的影響

在汽油機上，轉(zhuǎn)速保持不變，通過改變節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)進入汽缸的混合汽量，以達到不同的負荷要求。

當(dāng)節(jié)氣門關(guān)小時，充量系數(shù)急劇下降，但留在汽缸內(nèi)的殘余廢氣量不變，使殘余廢氣系數(shù)及滯燃期增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆担罡弑l(fā)壓力、最高燃燒溫度、壓力升高率均下降，冷卻液散熱損失相對增加，因而燃油消耗率增加。因此，隨著負荷的減小，最佳點火提前角要提早。反之，負荷增大，最佳點火提前角要推遲。當(dāng)車輛處于急加速或爬坡時，節(jié)氣門處于全開狀態(tài)，由于大量混合汽迅速進入汽缸，發(fā)動機負荷迅速增加，混合汽燃燒速率加快，此時，如果燃油品質(zhì)不良或者標(biāo)號達不到要求，就會出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象(圖4)。

圖4 最佳點火提前角隨負荷變化

8.點火提前角調(diào)整特性

當(dāng)汽油機保持節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速、混合汽濃度一定時，汽油機功率和耗油率隨點火提前角改變而變化的關(guān)系稱為點火提前角調(diào)整特性(圖5)。

圖5 點火提前特性

對應(yīng)于每一工況都存在一個最佳點火提前角，這時汽油機功率最大，耗油率最低。點火過遲，則燃燒時間延長到膨脹過程，燃燒最高壓力和溫度下降，傳熱損失增多，排溫升高，熱效率降低，但爆燃傾向減小，NOx升高，功率、排放量降低。點火提前角不同時的p如圖6所示。

圖6 點火提前角不同時的p

9.正常燃燒與爆燃的比較

爆燃時，缸內(nèi)壓力曲線出現(xiàn)高頻大幅度波動(鋸齒波)，同時發(fā)動機會產(chǎn)生一種高頻金屬敲擊聲，因此也稱爆燃為敲缸。

在汽油機中，凡是不靠電火花點火而由燃燒室內(nèi)熾熱表面(如排氣門頭部、火花塞絕緣體或零件表面熾熱的沉淀物等)點燃混合汽的現(xiàn)象統(tǒng)稱表面點火。正常燃燒與爆燃的比較如圖7所示。

圖7 正常燃燒與燃燒時

早燃是指在火花塞點火之前，熾熱表面點燃混合汽的現(xiàn)象。由于它提前點火而且熱點表面比火花大，使燃燒速率快，汽缸壓力、溫度增高，發(fā)動機工作粗暴，并且由于壓縮功增大，向缸壁傳熱增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件過熱。

早燃會誘發(fā)爆燃，爆燃又會讓更多的熾熱表面溫度升高，促使更劇烈的表面點火，兩者互相促進，危害可能更大。

與爆燃不同，表面點火一般是在正常火焰燒到之前由熾熱物點燃混合汽所致，沒有壓力沖擊波，敲缸聲比較沉悶，主要是由活塞、連桿、曲軸等運動部件受到?jīng)_擊負荷產(chǎn)生振動而造成。

因此，現(xiàn)代車輛的汽油發(fā)動機的點火提前角是根據(jù)發(fā)動機的負荷、功率、混合汽濃度、溫度等各項數(shù)據(jù)得出的最佳點火提前角，如果點火提前角不正確，則容易導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)爆震或動力嚴(yán)重下降。為了避免燃油品質(zhì)不良或燃油標(biāo)號過低、以及汽缸內(nèi)積炭過多導(dǎo)致的爆震情況的發(fā)生，發(fā)動機控制單元會根據(jù)爆震傳感器的信號來判斷是否有爆震發(fā)生，從而起到保護發(fā)動機機械的作用。

在一些特殊情況下，發(fā)動機控制單元也會根據(jù)發(fā)動機的工作狀況，做出對點火提前角的調(diào)整，以控制發(fā)動機保持在特殊情況下的工作。比如，當(dāng)出現(xiàn)發(fā)動機輸出功率、扭矩超出發(fā)動機的功率、扭矩需求時，控制單元除了對燃油噴射量進行調(diào)整外，還會推遲點火時刻來降低扭矩的輸出。有時候，這種調(diào)整是為了發(fā)動機的扭矩輸出更加平滑，如踩下離合器踏板時，為了離合器結(jié)合時動力輸出的平順性，控制單元往往要做出減少噴油量、推遲點火時刻的控制。但這種調(diào)整有時候受制于發(fā)動機電腦的控制邏輯，有時候不一定非常的合理。

三、案例分析

下文以別克英朗清洗節(jié)氣門后的特殊情況進行分析。

讀取數(shù)據(jù)流，得到發(fā)動機轉(zhuǎn)速接近1 000r/min時，進氣量達到8.96g/s，節(jié)氣門開度達到16.3%，噴油時間為5.81ms，發(fā)動機負荷為59.2%。出現(xiàn)發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速高于正常怠速，加速遲緩、動力不足的故障，如圖8所示。

同時，該發(fā)動機在運轉(zhuǎn)一段時間后，還伴隨有排氣歧管燒紅的故障現(xiàn)象。車主反映車輛以前沒有發(fā)現(xiàn)異常，在近期進行了發(fā)動機的保養(yǎng)作業(yè)后才出現(xiàn)。對于常規(guī)的保養(yǎng)作業(yè)如何會導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)性能嚴(yán)重變差的故障這個問題，筆者初期也非常不解，如果單獨對前述的數(shù)據(jù)流進行分析，得到的結(jié)論可能是空氣流量傳感器嚴(yán)重偏離特性，由于進氣量信號過大，導(dǎo)致電腦控制的噴油時間過長，導(dǎo)致混合汽過濃，致使發(fā)動機燃燒速率放緩，發(fā)動機功率下降。

當(dāng)按照這個思路進行排查時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拔下節(jié)氣門前方的進氣軟管，人為將進氣量控制在正常范圍時，噴油器噴射時間略有降低，發(fā)動機出現(xiàn)了抖動現(xiàn)象，此時的短期燃油修正值突然上升，噴油器的噴射時間又恢復(fù)到了6ms左右，這樣的結(jié)果，使筆者非常的迷惑。

進一步對數(shù)據(jù)流中的短期燃油修正值及長期燃油修正值觀察，發(fā)現(xiàn)其值分別為-1%、-7%，說明怠速時，混合汽是處于正常混合比范圍內(nèi)的，而人為漏氣時，其值為正值，且上升到25%的極限值，說明此時的氧傳感器工作正常，更說明此時的進氣量信號也是實際的進氣量。再次對數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)進行檢查，突然發(fā)現(xiàn)點火正時的數(shù)據(jù)為-16.8°這十分不可思議。點火正時居然延遲到了上止點之后。這在常規(guī)點火正時控制中是不可能出現(xiàn)的，如果點火正時這樣遲，發(fā)動機的功率會嚴(yán)重下降。

由于清洗節(jié)氣門后，沒有對其進行匹配，所以導(dǎo)致進氣量、噴油量、點火正時嚴(yán)重偏離了正常范圍。該發(fā)動機控制系統(tǒng)的控制方式比較奇特。由于積炭導(dǎo)致的節(jié)氣門開度過大，發(fā)動機電腦記憶的初始節(jié)氣門位置就會過大，在針對節(jié)氣門進行清洗作業(yè)后，如果沒有進行節(jié)氣門初始化的話，其節(jié)氣門開度不會自動減小，使通過節(jié)氣門的進氣量過大，相應(yīng)的噴油量也會過大，導(dǎo)致清洗后的短時間內(nèi)發(fā)動機轉(zhuǎn)速急劇增加，達到2 000r/min左右，但由于此時的加速踏板位置信號處于全閉狀態(tài)，電腦又不允許出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過高的情況。

如果是常規(guī)發(fā)動機，此時會出現(xiàn)怠速燃油切斷，導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速上下嚴(yán)重波動。但該發(fā)動機控制系統(tǒng)沒有這樣來進行控制，而是在不改變節(jié)氣門開度的情況下，通過改變點火正時，推遲點火提前角，使大量的混合汽在燃燒做功行程的末期進行燃燒，這樣雖然保證了混合汽的完全燃燒，也降低了發(fā)動機汽缸內(nèi)產(chǎn)生的驅(qū)動力，但帶來的后果是過量的高溫廢氣進入排氣歧管，使其燒紅。

圖8 數(shù)據(jù)流測試