خودسوزی و روش‌های جلوگیری از آن

بازده نظری موتور به دلیل افزایش تراکم آن، به‌طوری 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 می‌یابد. لذا برای تحمل این فشار، به موتوری با بدنه قوی‌تر و وزن زیادتر نیاز است. این امر، مزایای افزایش بازده را از بین می‌برد.
۲) در نسبت تراکم بالا، فرایند احتراق به طرزی غیرعادی انجام می‌شود. این امر موجب صدای اضافی و آسیب دیدگی سریع برخی قسمت‌های موتور خواهد شد. این نوع احتراق غیرعادی، خودسوزی نامیده می‌شود.
بعد از اشتعال مخلوط سوخت و هوا در نزدیکی نقطه مرگ بالا، جبهه شعله به صورتی پیش دونده و مشابه گسترش شعله در علف‌زاری خشک گسترش می‌یابد، لذا فشار سیلندر بالا رفته و مقدار بیشتری سوخت می‌سوزد. بیشترین فشار معمولاً هنگامی ایجاد می‌شود که شعله به دورترین نقطه سیلندر رسیده و از آخرین قسمت بار می‌گذارد. آخرین قسمت سوخت که قبلاً تحت تأثیر فشار ناشی از مرحله تراکم بوده، اکنون بر اثر فشار ناشی از فرایند سوختن اولین قسمت بار، به‌طور آدیا باتیک به شدت متراکم شده و دمای آن به حدی بالا می‌رود که از دمای خود اشتعالی مخلوط سوخت و هوا تجاوز می‌کند. اگر نسبت سوخت به هوا در قسمت نسوخته سوخت یکسان باشد، اشتعال ناگهانی و همزمان تمامی قسمت‌های بار رخ می‌دهد. این حالت را خودسوزی می‌نامند.
در حالت خودسوزی، فشاری سریع از ناحیه خودسوزی به فضای احتراق رسیده و سپس به دیوارهای سیلندر برخورد می‌کند. این فشار به‌طور متوالی توسط دیوارهای سیلندر به جلو و عقب منعکس شده و باعث ایجاد صدا و خرابی در سیلندر می‌شود. به این صدا کوبیدن گفته می‌شود.
در پاره‌ای موارد، مخلوط سوخت و هوا بر اثر سطوح داغ داخل فضای احتراق، به‌طور ناگهانی و قبل از زدن جرقه، مشتعل می‌شود. این عمل را پیش اشتعالی می‌نامند که می‌تواند باعث خودسوزی شود. البته خودسوزی نیز می‌تواند باعث پیش اشتعالی شود.
● تأثیر متغیرهای موتور بر خودسوزی
▪ نسبت تراکم: افزایش نسبت تراکم منجر به فشارهای بالای سیلندر در زمان تراکم می‌شود. از آنجا که آخرین قسمت بار قبل از رسیدن شعله، تحت تأثیر این فشار است، زمان تأخیر کاهش یافته و تمایل به خودسوزی افزایش می‌یابد.
▪ آوانس جرقه: آوانس جرقه، فشار نوک چرخه احتراق را افزایش می‌دهد. این امر باعث افزایش فشار و دمای آخرین قسمت بار شده و تمایل به خودسوزی را افزایش می‌دهد.
▪ فشار هوای ورودی: افزایش فشار هوای ورودی، سرعت شعله را افزایش داده و تمایل به خودسوزی را کاهش می‌دهد. فشارهای زیاد (پرخوران کردن موتور) از دوره تناوب تأخیر می‌کاهند و تمایل به خودسوزی را افزایش می‌دهند.
▪ افزایش دمای هوای ورودی: افزایش دمای هوای ورودی، سرعت شعله را تا حدودی کاهش داده و دمای آخرین قسمت بار را که می‌خواهد بسوزد، افزایش می‌دهد. در نتیجه تمایل به خودسوزی افزایش می‌یابد.
▪ نسبت سوخت به هوا: در فشارهای ثابت، حداکثر تمایل به خودسوزی در نسبت سوخت به هوای بیشترین توان، رخ می‌دهد. در این حالت، با تغییر نسبت سوخت به هوا (کم یا زیاد) تمایل به خودسوزی افزایش می‌یابد.
▪ دور موتور: افزایش دور موتور، تلاطم داخل سیلندر را زیاد کرده و به افزایش سرعت شعله می‌انجامد. بنابراین، در اکثر سوخت‌ها، تمایل به خودسوزی را کاهش می‌دهد.
▪ اندازه سیلندر: به ازای دماها و فشارهای ثابت، زمان لازم برای عبور شعله از عرض فضای احتراق در سیلندر بزرگ‌تر، بیشتر شده و تمایل به خودسوزی را افزایش می‌دهد.
▪ طرح محفظه احتراق: اگر در طراحی مناسب محفظه احتراق، طول مسیر شعله کاهش یابد، میزان خودسوزی نیز کاهش می‌یابد.
▪ 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 می‌تواند سریع بسوزد. تمایل سوخت به خودسوزی را عدد اکتان می‌نامند.
● زمان جرقه‌زنی
از آنجا که اشتعال تمام مخلوط سوخت به هوا و ایجاد حداکثر قدرت، تنها چند میلی ثانیه طول می‌کشد، پیستون در همین زمان اندک، بسته مانده و مقداری جابه‌جایی سریع دارد. از آنجا که معلوم شده بیشترین توان و گشتاور، زمانی حاصل می‌شود که بیشترین فشار تولیدی در سیلندر، حدود ۱۶ درجه بعد از نقطه مرگ بالا حاصل می‌شود، زمان مناسب حدوث جرقه باید قبل از نقطه مرگ بالا به هنگام تراکم در نظر گرفته شود.
زمان حدوث جرقه را آوانس جرقه می‌نامند. زمان دقیق جرقه‌زنی، 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 افت‌های ناشی از کنترل خودسوزی، موتورها بسیار نزدیک به این نقطه کار می‌کنند. به دلیل وجود کنترل مرزی، تغییراتی کوچک در شرایط عملکرد موتور و حتی وجود اشکالی کوچک می‌تواند موجب بروز حالت خودسوزی خطرناکی شود. در موتورهای امروزی که به دلیل افزایش بازده، از تراکم بالاتری بهره می‌برند، خودسوزی می‌تواند 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 می‌رساند. کوبیدن طولانی مدت بویژه در سرعت‌های بالا می‌تواند صدمات زیادی به موتور وارد آورد. ضربات فشاری تا ۱۵۰ بار در دامنه نوسانی ۶ تا ۲ کیلوهرتز می‌تواند واشر سرسیلندر را خراب کرده، پیستون را سوراخ یا رینگ پیستون را بشکند. بنابراین، لازم است که وجود خودسوزی را تشخیص داده و کنترل‌های لازم قبل از بروز آسیب، انجام شوند.
روش‌های متعددی برای کنترل خودسوزی وجود دارد. استفاده از سوخت مناسب برای کنترل خودسوزی، یکی از روش‌های مفید است. موتوری که از بنزین با اکتان بالاتر استفاده می‌کند، در نسبت تراکم بالاتری عمل کرده و لذا می‌تواند بدون خودسوزی به بازده بالایی برسد. موتورها با پرخوران کردن آنها، بدون خودسوزی به توانی بالاتر دسترسی می‌یابند. حتی می‌توان از بهترین آوانس جرقه استفاده کرد که منجر به افزایش توان و بازده می‌شود. در برخی موتورهای با توان بالا، برای کنترل خودسوزی در فشارهای بالای منیفولد از نسبت سوخت به هوای غنی استفاده می‌کنند که تأثیر آن بر توان موتور اندک بوده ولی بازده آن را به مقدار زیادی کاهش می‌دهد. پاشیدن آب بر روی منیفولد ورودی یا سیلندر نیز یکی از روش‌های کنترل خودسوزی است که در بعضی موتورهای هواپیما به کار می‌رود. معمول‌ترین روش خودسوزی، کنترل دقیق آوانس جرقه است. به دلیل افزایش بازده موتور، آوانس جرقه به حدی می‌رسد که سبب کوبش می‌شود (حتی گاهی بیشتر از این مقدار). دستگاه کنترل موتور به وسیله حساسه‌های الکترونیکی، خودسوزی را تشخیص داده و جرقه را بلافاصله ریتارد می‌کند 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 می‌کند. این حالات به‌گونه‌ای است که موتور همیشه نزدیک به مرحله خودسوزی کار می‌کند، بدون اینکه خطری از این بابت آن را تهدید کند.
کوبیدن را می‌توان از راه‌هایی گوناگون تشخیص داد. اندازه‌گیری فشار تراکم سیلندر و شدت جریان یونیزه کردن شمع درست بعد از جرقه، دو نمونه از این راه‌هاست. معمولی‌ترین روش تشخیص کوبیدن، اندازه‌گیری ارتعاش ساختار سیلندر به وسیله حساسه‌ای پیزو الکترونیک است. حسگر را طوری ماشینکاری می‌کنند که در فرکانس‌های 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 چرخه‌ای قرار می‌گیرد که این عمل به تولید ولتاژی بین دو سطح منجر می‌شود. پردازنده مرکزی سیستم، از ولتاژها نمونه‌برداری می‌کند تا وضعیت کوبیدن را ارزیابی کرده و در صورت تجاوز ولتاژهای ارسالی، برای بهبود وضعیت ریتارد از ولتاژهای مرجع جرقه استفاده می‌شود.

اکبر آجامی
http://www.ajcar.blogfa.com