خودسوزی و روش های جلوگیری از آن




بازده نظری موتور به دلیل افزایش تراکم آن، به طوری نامحدود بهبود یافته اما از لحاظ عملی برای تحقق آن دو محدودیت عمده وجود دارد. بازده نظری موتور به دلیل افزایش تراکم آن، به طوری نامحدود بهبود یافته اما از لحاظ عملی برای تحقق آن دو محدودیت عمده وجود دارد. ۱) فشار حداکثر چرخه احتراق با افزایش تراکم به شدت افزایش می یابد. لذا برای تحمل این فشار، به موتوری با بدنه قوی تر و وزن زیادتر نیاز است. این امر، مزایای افزایش بازده را از بین می برد. ۲) در نسبت تراکم بالا، فرایند احتراق به طرزی غیرعادی انجام می شود. این امر موجب صدای اضافی و آسیب دیدگی سریع برخی قسمت های موتور خواهد شد. این نوع احتراق غیرعادی، خودسوزی نامیده می شود. بعد از اشتعال مخلوط سوخت و هوا در نزدیکی نقطه مرگ بالا، جبهه شعله به صورتی پیش دونده و مشابه گسترش شعله در علف زاری خشک گسترش می یابد، لذا فشار سیلندر بالا رفته و مقدار بیشتری سوخت می سوزد. بیشترین فشار معمولاً هنگامی ایجاد می شود که شعله به دورترین نقطه سیلندر رسیده و از آخرین قسمت بار می گذارد. آخرین قسمت سوخت که قبلاً تحت تأثیر فشار ناشی از مرحله تراکم بوده، اکنون بر اثر فشار ناشی از فرایند سوختن اولین قسمت بار، به طور آدیا باتیک به شدت متراکم شده و دمای آن به حدی بالا می رود که از دمای خود اشتعالی مخلوط سوخت و هوا تجاوز می کند. اگر نسبت سوخت به هوا در قسمت نسوخته سوخت یکسان باشد، اشتعال ناگهانی و همزمان تمامی قسمت های بار رخ می دهد. این حالت را خودسوزی می نامند. در حالت خودسوزی، فشاری سریع از ناحیه خودسوزی به فضای احتراق رسیده و سپس به دیوارهای سیلندر برخورد می کند. این فشار به طور متوالی توسط دیوارهای سیلندر به جلو و عقب منعکس شده و باعث ایجاد صدا و خرابی در سیلندر می شود. به این صدا کوبیدن گفته می شود. در پاره ای موارد، مخلوط سوخت و هوا بر اثر سطوح داغ داخل فضای احتراق، به طور ناگهانی و قبل از زدن جرقه، مشتعل می شود. این عمل را پیش اشتعالی می نامند که می تواند باعث خودسوزی شود. البته خودسوزی نیز می تواند باعث پیش اشتعالی شود. تأثیر متغیرهای موتور بر خودسوزی نسبت تراکم: افزایش نسبت تراکم منجر به فشارهای بالای سیلندر در زمان تراکم می شود. از آنجا که آخرین قسمت بار قبل از رسیدن شعله، تحت تأثیر این فشار است، زمان تأخیر کاهش یافته و تمایل به خودسوزی افزایش می یابد. آوانس جرقه: آوانس جرقه، فشار نوک چرخه احتراق را افزایش می دهد. این امر باعث افزایش فشار و دمای آخرین قسمت بار شده و تمایل به خودسوزی را افزایش می دهد. فشار هوای ورودی: افزایش فشار هوای ورودی، سرعت شعله را افزایش داده و تمایل به خودسوزی را کاهش می دهد. فشارهای زیاد (پرخوران کردن موتور) از دوره تناوب تأخیر می کاهند و تمایل به خودسوزی را افزایش می دهند. افزایش دمای هوای ورودی: افزایش دمای هوای ورودی، سرعت شعله را تا حدودی کاهش داده و دمای آخرین قسمت بار را که می خواهد بسوزد، افزایش می دهد. در نتیجه تمایل به خودسوزی افزایش می یابد. نسبت سوخت به هوا: در فشارهای ثابت، حداکثر تمایل به خودسوزی در نسبت سوخت به هوای بیشترین توان، رخ می دهد. در این حالت، با تغییر نسبت سوخت به هوا (کم یا زیاد) تمایل به خودسوزی افزایش می یابد. دور موتور: افزایش دور موتور، تلاطم داخل سیلندر را زیاد کرده و به افزایش سرعت شعله می انجامد. بنابراین، در اکثر سوخت ها، تمایل به خودسوزی را کاهش می دهد. اندازه سیلندر: به ازای دماها و فشارهای ثابت، زمان لازم برای عبور شعله از عرض فضای احتراق در سیلندر بزرگ تر، بیشتر شده و تمایل به خودسوزی را افزایش می دهد. طرح محفظه احتراق: اگر در طراحی مناسب محفظه احتراق، طول مسیر شعله کاهش یابد، میزان خودسوزی نیز کاهش می یابد. نوع سوخت: تمایل یک سوخت به خودسوزی، به دمای خوداشتعالی، طول مرحله تأخیر، شرایط معین و این امر بستگی دارد که آخرین قسمت بار تا چه اندازه می تواند سریع بسوزد. تمایل سوخت به خودسوزی را عدد اکتان می نامند. زمان جرقه زنی از آنجا که اشتعال تمام مخلوط سوخت به هوا و ایجاد حداکثر قدرت، تنها چند میلی ثانیه طول می کشد، پیستون در همین زمان اندک، بسته مانده و مقداری جابه جایی سریع دارد. از آنجا که معلوم شده بیشترین توان و گشتاور، زمانی حاصل می شود که بیشترین فشار تولیدی در سیلندر، حدود ۱۶ درجه بعد از نقطه مرگ بالا حاصل می شود، زمان مناسب حدوث جرقه باید قبل از نقطه مرگ بالا به هنگام تراکم در نظر گرفته شود. زمان حدوث جرقه را آوانس جرقه می نامند. زمان دقیق جرقه زنی، به سرعت انتقال شعله بستگی دارد که این نیز به عوامل زیادی نظیر: نوع سوخت، نسبت تراکم، شکل فضای احتراق و... بستگی دارد. به علت افت های ناشی از کنترل خودسوزی، موتورها بسیار نزدیک به این نقطه کار می کنند. به دلیل وجود کنترل مرزی، تغییراتی کوچک در شرایط عملکرد موتور و حتی وجود اشکالی کوچک می تواند موجب بروز حالت خودسوزی خطرناکی شود. در موتورهای امروزی که به دلیل افزایش بازده، از تراکم بالاتری بهره می برند، خودسوزی می تواند در دورهای پایین موتور و فشارهای بالای منیفولد مشاهده شود. کوبیدن موقت موتور به هنگام شتاب گرفتن خودرو، امری غیرعادی نیست و به ندرت به موتور آسیب می رساند. کوبیدن طولانی مدت بویژه در سرعت های بالا می تواند صدمات زیادی به موتور وارد آورد. ضربات فشاری تا ۱۵۰ بار در دامنه نوسانی ۶ تا ۲ کیلوهرتز می تواند واشر سرسیلندر را خراب کرده، پیستون را سوراخ یا رینگ پیستون را بشکند. بنابراین، لازم است که وجود خودسوزی را تشخیص داده و کنترل های لازم قبل از بروز آسیب، انجام شوند. روش های متعددی برای کنترل خودسوزی وجود دارد. استفاده از سوخت مناسب برای کنترل خودسوزی، یکی از روش های مفید است. موتوری که از بنزین با اکتان بالاتر استفاده می کند، در نسبت تراکم بالاتری عمل کرده و لذا می تواند بدون خودسوزی به بازده بالایی برسد. موتورها با پرخوران کردن آنها، بدون خودسوزی به توانی بالاتر دسترسی می یابند. حتی می توان از بهترین آوانس جرقه استفاده کرد که منجر به افزایش توان و بازده می شود. در برخی موتورهای با توان بالا، برای کنترل خودسوزی در فشارهای بالای منیفولد از نسبت سوخت به هوای غنی استفاده می کنند که تأثیر آن بر توان موتور اندک بوده ولی بازده آن را به مقدار زیادی کاهش می دهد. پاشیدن آب بر روی منیفولد ورودی یا سیلندر نیز یکی از روش های کنترل خودسوزی است که در بعضی موتورهای هواپیما به کار می رود. معمول ترین روش خودسوزی، کنترل دقیق آوانس جرقه است. به دلیل افزایش بازده موتور، آوانس جرقه به حدی می رسد که سبب کوبش می شود (حتی گاهی بیشتر از این مقدار). دستگاه کنترل موتور به وسیله حساسه های الکترونیکی، خودسوزی را تشخیص داده و جرقه را بلافاصله ریتارد می کند تا کوبش متوقف شود. پس از آن، آوانس کامل را برقرار ساخته تا زمانی که کوبش دوباره ظاهر شود و دوباره سیستم جرقه را ریتارد می کند. این حالات به گونه ای است که موتور همیشه نزدیک به مرحله خودسوزی کار می کند، بدون اینکه خطری از این بابت آن را تهدید کند. کوبیدن را می توان از راه هایی گوناگون تشخیص داد. اندازه گیری فشار تراکم سیلندر و شدت جریان یونیزه کردن شمع درست بعد از جرقه، دو نمونه از این راه هاست. معمولی ترین روش تشخیص کوبیدن، اندازه گیری ارتعاش ساختار سیلندر به وسیله حساسه ای پیزو الکترونیک است. حسگر را طوری ماشینکاری می کنند که در فرکانس های کوبیدن موتور، به ارتعاش درآید. این حسگر به بدنه سیلندر یا سرسیلندر بسته شده و به محض لرزش موتور، جسم پیزو الکترونیک داخل حسگر از سوی صفحه ارتعاشی آن، تحت تنش چرخه ای قرار می گیرد که این عمل به تولید ولتاژی بین دو سطح منجر می شود. پردازنده مرکزی سیستم، از ولتاژها نمونه برداری می کند تا وضعیت کوبیدن را ارزیابی کرده و در صورت تجاوز ولتاژهای ارسالی، برای بهبود وضعیت ریتارد از ولتاژهای مرجع جرقه استفاده می شود.