點火系統
引擎依照運轉模式不同可分為火花點火(SI Spark Ignition)引擎及壓縮點火(CI Compression Ignition)引擎,汽油引擎屬於火花點火引擎,而柴油引擎則屬於壓縮點火引擎。汽油引擎既是屬於火花點火引擎,其點火就必須藉著點火系統來完成。

火星塞

顧名思義,火花點火引擎要點火就必須靠火花,而火花是藉著火星塞產生的。火星塞藉螺牙鎖付在引擎燃燒式的頂端,也就是在缸頭上進、排氣門之間,火星塞在頭部有一中央電極及接地電極,接地電極是由螺牙部分延伸出來成L形,與中央電極維持0.7到0.9mm的間隙,火星塞尾部則與高壓導線連接。

當高壓導線將極高的電壓送至火星塞時,造成火星塞的兩個電極間極大的電位差,導致兩極間隙間原本無法導電的空氣成為導體,電流便以離子流 (Ionizing Streamers) 的方式由一個電極傳至另一電極,產生電弧 (Electric Arc) 來點燃引擎是中的油氣。若您還是覺得不好理解,可以去觀察瓦斯爐或放電式打火機的點火方式,火星塞的點火方式跟它們很類似。

各式火星塞除了會有大小上不同外,相同大小的火星塞還會有熱值 (Heat Rating) 的不同。熱值大的火星塞其電極絕緣包覆的部分較長,適用運轉溫度較低的引擎;而熱值較小的火星塞其電極絕緣包覆的部分較長,適用運轉溫度較高的引擎,如競技用引擎。各式車輛必須依照原廠規定的火星塞規格選用火星塞,若使用熱值過高的火星塞,引擎容易因溫度過高而爆震;使用熱值過低的火星塞,引擎則可能因燃燒溫度過低而造成燃燒不完全或積碳。

分電盤點火與電子點火

分電盤是以機械方式控制各缸的點火時機,其中有一轉子在分電盤中旋轉,其旋轉軸是由引擎帶動並且轉速是引擎曲軸轉速的二分之一,連接至各缸火星塞的接點則依序設置在分電盤四周。當轉子在分電盤中旋轉時,會依序使各缸接點之觸發電流導通,並藉高壓導線將電傳送至火星塞,使火星塞點火。

分電盤上會有一個慣性彈簧-飛輪組來控制隨著引擎轉速不同之點火提前角,也有真空機構隨著不同的引擎負荷來控制點火提前角。雖然如此,因為分墊盤的點火提前角控制皆為機械式,以現代引擎科技而言,還是無法稱得上精確,但是因成本關係,也有少數2000c.c.以下的引擎採用分電盤點火。

機械元件雖然可靠,但用來作引擎系統的控制總不若電子元件來得精確。在環保法規的日益嚴苛及消費者對性能的重視,各家車廠紛紛採用電子點火系統,及其他電子控制系統。電子點火是每兩缸或每一缸由一個高壓點火線圈負責,由ECU個別對點火線圈下達點火訊號,其點火提前角是由ECU依據引擎運轉狀況計算而得,可依據引擎運轉作靈活的調整;若配備有爆震感知器的引擎,ECU也能直接對某缸作點火角提前或延後的動作。所以,爆震感知器只能裝設在有電子點火的引擎上,因為分電盤的點火提前角是不受ECU控制的。

爆震
何謂爆震

當混合氣 (空氣與燃油充分的混合) 在進氣行程進入燃燒室後,活塞在壓縮行程時便將其壓縮,火星塞將高壓混合氣點然後,其燃燒所產生的壓力則轉換成引擎運轉的動力。引擎燃燒雖可以用三言兩語簡單的形容,但光是內燃機的燃燒研究,不知已造就了多少博、碩士論文,甚至許多學者、工程師窮其一生都在研究燃燒的學問,所以要真正瞭解引擎,是要花很多工夫的。

正是因為引擎的燃燒十分複雜,所以需要有相當精確的設計與控制,稍有一點控制失誤或是失常,便會造成不正常燃燒,而「爆震」就是一種不正常燃燒。簡單的說,爆震是不正常燃燒所導致的燃燒室內壓力失常。


右方高壓縮比設定的情形較容易引起爆震,便需使用高辛烷值的燃料以避免爆震。

爆震的原因

在說到爆震原因前,我們先要瞭解兩件事。第一,混合氣在燃燒室內燃燒,其火焰是由點火點以「波」的方式向四周擴散,所以由點火到油氣完全燃燒需要依段短暫的時間。第二,油氣雖然需要靠火星塞點燃,但是過於高溫、高壓的環境也會使油氣自燃。

一般的爆震是因為燃燒室內油氣點火後,火焰波尚未完全擴散,遠端未燃的油氣即因為高溫或高壓而自燃,其火焰波與正規燃燒的火焰波撞擊而產生極大壓力,使得引擎產生不正常的敲擊聲。造成爆震最主要有以下幾點原因:
一、點火角過於提前:
為了使活塞在壓縮上死點結束後,一進入動力衝程能立即獲得動力,通常都會在活塞達到上死點前提前點火 (因為從點火到完全燃燒需要一段時間)。而過於提早的點火會使得活塞還在壓縮行程時,大部分油氣已經燃燒,此時未燃燒的油氣會承受極大的壓力自燃,而造成爆震。

二、引擎過度積碳:
引擎於燃燒室內過度積碳,除了會使壓縮比增大(產生高壓),也會在積碳表面產生高溫熱點,使引擎爆震。

三、引擎溫度過高:
引擎在太熱的環境使得進氣溫度過高,或是引擎冷卻水循環不良,都會造成引擎高溫而爆震。

四、空燃比不正確:
過於稀的燃料空氣混合比,會使得燃燒溫度提升,而燃燒溫度提高會造成引擎溫度提升,當然容易爆震。

五、燃油辛烷值過低:
辛烷值是燃油抗爆震的指標,辛烷值越高,抗爆震性越強。壓縮比高的引擎,燃燒室的壓力較高,若是使用抗爆震性低的燃油,則容易發生爆震。

怎麼知道爆震及爆震的影響

爆震的英文是Knocking,及敲擊的意思,所以爆震時引擎會產生敲擊生。輕微不連續的爆震聲音相當清脆,有點類似輕敲三角鐵的聲音。而嚴重且連續的爆震時,引擎會有「哩哩哩」的聲音,此時引擎也會明顯的沒力。

現在許多車廠為了將引擎壓榨出最大的性能及降低油耗,通常會把常用轉速域的點火角設定的比較提前,所以有些引擎在2000至3000轉間負荷較大時,難免會有輕微的爆震,然而輕微的爆震對引擎不會有太大的影響,車主也不用過於擔心。但是若因為引擎出問題所產生的爆震,如嚴重積碳或散熱不良等,這種爆震通常很嚴重,如果是在高轉速高負荷發生連續且嚴重的爆震,不出一分鐘,輕則火星塞及活塞熔損,嚴重的甚至連汽缸及引擎本體都會炸穿。

爆震感知器

最立即且有效抑制爆震的方法,就是延後點火提前角,降低燃燒壓力。所以爆震感知器作動原理,是當偵測到引擎爆震時,則將點火提前角延後到不會爆震的點火時機,待引擎不爆震時,再慢慢的將點火提前回復。爆震感知器是利用一加速度感測器來量測引擎的加速度變化,也就是震動。工程師在調校爆震感知器時會把爆震的震動模式寫入ECU中,一旦爆震感知器偵測出該震動模式,ECU則判定引擎爆震,隨即延後點火提前角。目前較先進的爆震感知器甚至能判定是哪一個汽缸爆震,而針對該汽缸個別延後點火提前角。

92、95或98

說到爆震,大家最關心的還是加什麼汽油的問題。其實92、95或98是汽油的抗爆震性,也就是其「辛烷值」。什麼是「辛烷值」呢?在研究燃料與爆震的關係時,研究人員發現「異辛烷」最能抵抗爆震,而「正庚烷」相當容易爆震,所以就將異辛烷的抗爆震度訂為100,而正庚烷訂為0。所謂辛烷值95的汽油,就是它的抗爆震度與95%異辛烷和5%正庚烷混合物的抗爆震度相同。所以這純粹是抗爆震性的問題,並不是加了辛烷值越高的汽油,引擎就越有力。當然,若是加了辛烷值太低的汽油而導致爆震,或是爆震發生時引擎退點火角,車子的確會比較沒力。換句話說,只要引擎不爆震,提高油料的辛烷值並不會讓引擎更有力或更省油,只會讓你的荷包更縮水。
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