Niima
-
بازده نظري موتور به دليل افزايش تراكم آن، به‌طوري نامحدود بهبود يافته اما از لحاظ عملي براي تحقق آن دو محدوديت عمده وجود دارد.1.فشار حداكثر چرخه احتراق با افزايش تراكم به شدت افزايش مي‌يابد. لذا براي تحمل اين فشار، به موتوري با بدنه قوي‌تر و وزن زيادتر نياز است. اين امر، مزاياي افزايش بازده را از بين مي‌برد.
2.در نسبت تراكم بالا، فرايند احتراق به طرزي غيرعادي انجام مي‌شود. اين امر موجب صداي اضافي و آسيب ديدگي سريع برخي قسمت‌هاي موتور خواهد شد. اين نوع احتراق غيرعادي، خودسوزي ناميده مي‌شود.
بعد از اشتعال مخلوط سوخت و هوا در نزديكي نقطه مرگ بالا، جبهه شعله به صورتي پيش دونده و مشابه گسترش شعله در علف‌زاري خشك گسترش مي‌يابد، لذا فشار سيلندر بالا رفته و مقدار بيشتري سوخت مي‌سوزد. بيشترين فشار معمولاً هنگامي ايجاد مي‌شود كه شعله به دورترين نقطه سيلندر رسيده و از آخرين قسمت بار مي‌گذارد. آخرين قسمت سوخت كه قبلاً تحت تأثير فشار ناشي از مرحله تراكم بوده، اكنون بر اثر فشار ناشي از فرايند سوختن اولين قسمت بار، به‌طور آديا باتيك به شدت متراكم شده و دماي آن به حدي بالا مي‌رود كه از دماي خود اشتعالي مخلوط سوخت و هوا تجاوز مي‌كند. اگر نسبت سوخت به هوا در قسمت نسوخته سوخت يكسان باشد، اشتعال ناگهاني و همزمان تمامي قسمت‌هاي بار رخ مي‌دهد. اين حالت را خودسوزي مي‌نامند. در حالت خودسوزي، فشاري سريع از ناحيه خودسوزي به فضاي احتراق رسيده و سپس به ديوارهاي سيلندر برخورد مي‌كند. اين فشار به‌طور متوالي توسط ديوارهاي سيلندر به جلو و عقب منعكس شده و باعث ايجاد صدا و خرابي در سيلندر مي‌شود. به اين صدا كوبيدن گفته مي‌شود.
در پاره‌اي موارد، مخلوط سوخت و هوا بر اثر سطوح داغ داخل فضاي احتراق، به‌طور ناگهاني و قبل از زدن جرقه، مشتعل مي‌شود. اين عمل را پيش اشتعالي مي‌نامند كه مي‌تواند باعث خودسوزي شود. البته خودسوزي نيز مي‌تواند باعث پيش اشتعالي شود.
تأثير متغيرهاي موتور بر خودسوزي
نسبت تراكم: افزايش نسبت تراكم منجر به فشارهاي بالاي سيلندر در زمان تراكم مي‌شود. از آنجا كه آخرين قسمت بار قبل از رسيدن شعله، تحت تأثير اين فشار است، زمان تأخير كاهش يافته و تمايل به خودسوزي افزايش مي‌يابد.
آوانس جرقه: آوانس جرقه، فشار نوك چرخه احتراق را افزايش مي‌دهد. اين امر باعث افزايش فشار و دماي آخرين قسمت بار شده و تمايل به خودسوزي را افزايش مي‌دهد.
فشار هواي ورودي: افزايش فشار هواي ورودي، سرعت شعله را افزايش داده و تمايل به خودسوزي را كاهش مي‌دهد. فشارهاي زياد (پرخوران كردن موتور) از دوره تناوب تأخير مي‌كاهند و تمايل به خودسوزي را افزايش مي‌دهند.
افزايش دماي هواي ورودي: افزايش دماي هواي ورودي، سرعت شعله را تا حدودي كاهش داده و دماي آخرين قسمت بار را كه مي‌خواهد بسوزد، افزايش مي‌دهد. در نتيجه تمايل به خودسوزي افزايش مي‌يابد.
نسبت سوخت به هوا: در فشارهاي ثابت، حداكثر تمايل به خودسوزي در نسبت سوخت به هواي بيشترين توان، رخ مي‌دهد. در اين حالت، با تغيير نسبت سوخت به هوا (كم يا زياد) تمايل به خودسوزي افزايش مي‌يابد.
دور موتور: افزايش دور موتور، تلاطم داخل سيلندر را زياد كرده و به افزايش سرعت شعله مي‌انجامد. بنابراين، در اكثر سوخت‌ها، تمايل به خودسوزي را كاهش مي‌دهد.
اندازه سيلندر: به ازاي دماها و فشارهاي ثابت، زمان لازم براي عبور شعله از عرض فضاي احتراق در سيلندر بزرگ‌تر، بيشتر شده و تمايل به خودسوزي را افزايش مي‌دهد.
طرح محفظه احتراق: اگر در طراحي مناسب محفظه احتراق، طول مسير شعله كاهش يابد، ميزان خودسوزي نيز كاهش مي‌يابد.
نوع سوخت: تمايل يك سوخت به خودسوزي، به دماي خوداشتعالي، طول مرحله تأخير، شرايط معين و اين امر بستگي دارد كه آخرين قسمت بار تا چه اندازه مي‌تواند سريع بسوزد. تمايل سوخت به خودسوزي را عدد اكتان مي‌نامند.
زمان جرقه‌زني
از آنجا كه اشتعال تمام مخلوط سوخت به هوا و ايجاد حداكثر قدرت، تنها چند ميلي ثانيه طول مي‌كشد، پيستون در همين زمان اندك، بسته مانده و مقداري جابه‌جايي سريع دارد. از آنجا كه معلوم شده بيشترين توان و گشتاور، زماني حاصل مي‌شود كه بيشترين فشار توليدي در سيلندر، حدود 16 درجه بعد از نقطه مرگ بالا حاصل مي‌شود، زمان مناسب حدوث جرقه بايد قبل از نقطه مرگ بالا به هنگام تراكم در نظر گرفته شود. زمان حدوث جرقه را آوانس جرقه مي‌نامند. زمان دقيق جرقه‌زني، به سرعت انتقال شعله بستگي دارد كه اين نيز به عوامل زيادي نظير: نوع سوخت، نسبت تراكم، شكل فضاي احتراق و... بستگي دارد.
به علت افت‌هاي ناشي از كنترل خودسوزي، موتورها بسيار نزديك به اين نقطه كار مي‌كنند. به دليل وجود كنترل مرزي، تغييراتي كوچك در شرايط عملكرد موتور و حتي وجود اشكالي كوچك مي‌تواند موجب بروز حالت خودسوزي خطرناكي شود. در موتورهاي امروزي كه به دليل افزايش بازده، از تراكم بالاتري بهره مي‌برند، خودسوزي مي‌تواند در دورهاي پايين موتور و فشارهاي بالاي منيفولد مشاهده شود. كوبيدن موقت موتور به هنگام شتاب گرفتن خودرو، امري غيرعادي نيست و به ندرت به موتور آسيب مي‌رساند. كوبيدن طولاني مدت بويژه در سرعت‌هاي بالا مي‌تواند صدمات زيادي به موتور وارد آورد. ضربات فشاري تا 150 بار در دامنه نوساني 6 تا 2 كيلوهرتز مي‌تواند واشر سرسيلندر را خراب كرده، پيستون را سوراخ يا رينگ پيستون را بشكند. بنابراين، لازم است كه وجود خودسوزي را تشخيص داده و كنترل‌هاي لازم قبل از بروز آسيب، انجام شوند.
روش‌هاي متعددي براي كنترل خودسوزي وجود دارد. استفاده از سوخت مناسب براي كنترل خودسوزي، يكي از روش‌هاي مفيد است. موتوري كه از بنزين با اكتان بالاتر استفاده مي‌كند، در نسبت تراكم بالاتري عمل كرده و لذا مي‌تواند بدون خودسوزي به بازده بالايي برسد. موتورها با پرخوران كردن آنها، بدون خودسوزي به تواني بالاتر دسترسي مي‌يابند. حتي مي‌توان از بهترين آوانس جرقه استفاده كرد كه منجر به افزايش توان و بازده مي‌شود. در برخي موتورهاي با توان بالا، براي كنترل خودسوزي در فشارهاي بالاي منيفولد از نسبت سوخت به هواي غني استفاده مي‌كنند كه تأثير آن بر توان موتور اندك بوده ولي بازده آن را به مقدار زيادي كاهش مي‌دهد. پاشيدن آب بر روي منيفولد ورودي يا سيلندر نيز يكي از روش‌هاي كنترل خودسوزي است كه در بعضي موتورهاي هواپيما به كار مي‌رود. معمول‌ترين روش خودسوزي، كنترل دقيق آوانس جرقه است. به دليل افزايش بازده موتور، آوانس جرقه به حدي مي‌رسد كه سبب كوبش مي‌شود (حتي گاهي بيشتر از اين مقدار). دستگاه كنترل موتور به وسيله حساسه‌هاي الكترونيكي، خودسوزي را تشخيص داده و جرقه را بلافاصله ريتارد مي‌كند تا كوبش متوقف شود. پس از آن، آوانس كامل را برقرار ساخته تا زماني كه كوبش دوباره ظاهر شود و دوباره سيستم جرقه را ريتارد مي‌كند. اين حالات به‌گونه‌اي است كه موتور هميشه نزديك به مرحله خودسوزي كار مي‌كند، بدون اينكه خطري از اين بابت آن را تهديد كند.
كوبيدن را مي‌توان از راه‌هايي گوناگون تشخيص داد. اندازه‌گيري فشار تراكم سيلندر و شدت جريان يونيزه كردن شمع درست بعد از جرقه، دو نمونه از اين راه‌هاست. معمولي‌ترين روش تشخيص كوبيدن، اندازه‌گيري ارتعاش ساختار سيلندر به وسيله حساسه‌اي پيزو الكترونيك است. حسگر را طوري ماشينكاري مي‌كنند كه در فركانس‌هاي كوبيدن موتور، به ارتعاش درآيد. اين حسگر به بدنه سيلندر يا سرسيلندر بسته شده و به محض لرزش موتور، جسم پيزو الكترونيك داخل حسگر از سوي صفحه ارتعاشي آن، تحت تنش چرخه‌اي قرار مي‌گيرد كه اين عمل به توليد ولتاژي بين دو سطح منجر مي‌شود. پردازنده مركزي سيستم، از ولتاژها نمونه‌برداري مي‌كند تا وضعيت كوبيدن را ارزيابي كرده و در صورت تجاوز ولتاژهاي ارسالي، براي بهبود وضعيت ريتارد از ولتاژهاي مرجع جرقه استفاده مي‌شود.
منابع:
1. الكترونيك خودرو
2. موتورهاي احتراق داخلي، ترجمه مهندس امير اصلاني
http://www.sanatekhodro.com/Template3/News.aspx?NID=695
