در پیشرانههای بنزینی، بهدلیل سیکل کاری اتو، موتور در حالت تئوری دارای چهار مرحله است. بر این اساس، مهمترین بخش طراحی و ساخت یک موتور بنزینی، زمان جرقه شمع و ایجاد احتراق پس از مخلوط شدن هوا با سوخت است. همین موضوع سبب شده است مهندسان خودروساز با دقیقترین سیستمهای سوخترسانی و جرقهزنی بتوانند تا حد زیادی باکیفیتترین احتراق را به وجود آورند.
اما این کیفیت احتراق به سوخت مرغوب دارای اکتان استاندارد بسیار مرتبط است. بنابراین، به هر میزان که کیفیت سوخت نامرغوب باشد، به همان میزان کیفیت احتراق کاهش یافته و شاهد پدیده ناک در موتور خواهیم بود. از آنجا که این روزها سوخت نامرغوب کشور، پیشرانههای اتمسفریک و توربوشارژ را با این پدیده مواجه کرده است، در ادامه نگاهی تخصصی و فنی به این مسئله خواهیم انداخت.
ناک دقیقاً چگونه اتفاق میافتد؟
در احتراق عادی موتور بنزینی، شمع در انتهای مرحله تراکم جرقه میزند. هسته اولیه شعله شکل میگیرد و سپس جبهه شعله درون محفظه احتراق حرکت میکند. در این زمان، قسمت نسوخته مخلوط که در مقابل جبهه شعله قرار دارد، End Gas نامیده میشود. با پیشروی شعله، فشار و دمای End Gas افزایش پیدا میکند.
اگر دما، فشار، ترکیب شیمیایی سوخت و زمان ماند مخلوط در شرایط مناسب قرار گیرند، واکنشهای شیمیایی خوداشتعالی در این ناحیه میتوانند پیش از آنکه جبهه شعله به آن برسد، به مرحله اشتعال برسند. این فرآیند را میتوان بهطور ساده Auto-Ignition یا خوداشتعالی End Gas دانست.
خوداشتعالی باعث آزاد شدن بسیار سریع انرژی میشود. در نتیجه، فشار داخل سیلندر با سرعت زیادی افزایش یافته و امواج فشار در محفظه احتراق ایجاد میشوند. همین نوسانات فشار هستند که در شرایطی به صدای فلزی یا اصطلاحاً «تقتق» معروف به ناک منجر میشوند.
بنابراین، ناک را نباید صرفاً به «جرقه زدن بد» نسبت داد. در ناک معمولی، جرقه شمع اساساً وجود دارد و احتراق اولیه نیز از همان جرقه آغاز میشود؛ مشکل اصلی این است که End Gas پیش از رسیدن طبیعی جبهه شعله، بهطور خودبهخودی مشتعل میشود. پژوهشهای تخصصی، ناک را یکی از عوامل محدودکننده افزایش بازده حرارتی موتورهای جرقهای میدانند.
چرا ناک برای موتور خطرناک است؟
ناک خفیف و کنترلشده الزاماً به معنای نابودی فوری موتور نیست. موتورهای مدرن با استفاده از حسگرهای ناک، سیستم مدیریت موتور و اصلاح زمان جرقه تلاش میکنند این پدیده را شناسایی و محدود کنند. ECU میتواند در پاسخ به تشخیص ناک، زمان جرقه را به سمت تأخیر بیشتر ببرد تا احتمال خوداشتعالی End Gas کاهش یابد.
اما اگر شدت و تکرار ناک افزایش پیدا کند، بار حرارتی و مکانیکی واردشده به اجزای موتور افزایش مییابد. فشارهای غیرعادی میتوانند به پیستون، رینگها، یاتاقانها، شمع و سایر اجزای مجموعه قدرت آسیب وارد کنند. به همین دلیل، ناک یکی از موضوعات اساسی در طراحی موتورهای با نسبت تراکم بالا و موتورهای توربوشارژ محسوب میشود.
عدد اکتان چه نقشی دارد؟
یکی از مهمترین عوامل مرتبط با مقاومت سوخت در برابر خوداشتعالی، عدد اکتان است. بهطور کلی، سوخت با مقاومت بالاتر در برابر خوداشتعالی، احتمال وقوع ناک را در شرایط مشابه کاهش میدهد.
افزایش نسبت تراکم، افزایش دمای مخلوط و افزایش فشار داخل سیلندر میتواند زمان موجود برای خوداشتعالی را کاهش دهد و موتور را به سمت شرایط ناکپذیرتر ببرد. با این حال، تصور اینکه هر نوع احتراق غیرعادی در موتور فقط با افزایش عدد اکتان برطرف میشود، صحیح نیست. LSPI مثال بسیار مهمی است که نشان میدهد سوخت تنها یکی از عوامل دخیل در احتراق غیرعادی است.
LSPI چیست؟
LSPI مخفف Low-Speed Pre-Ignition یا «پیشاشتعالی در دور پایین» است. این پدیده بیشتر در موتورهای بنزینی کوچک، توربوشارژ و تزریق مستقیم که در دور پایین و بار بالا کار میکنند، مورد توجه قرار گرفته است.
در LSPI، احتراق پیش از زمان مورد انتظار و بدون آغاز شدن توسط جرقه شمع شروع میشود. بهعبارت دیگر، یک نقطه یا منبع داغ درون محفظه احتراق میتواند مخلوط سوخت و هوا را قبل از زمان جرقه تعیینشده مشتعل کند.
نکته مهم این است که LSPI ماهیتی تصادفی یا Stochastic دارد. به همین دلیل، در منابع علمی اصطلاح Stochastic Pre-Ignition یا SPI نیز برای آن استفاده میشود. ممکن است موتور در چند چرخه کاملاً عادی کار کند و ناگهان یک رویداد LSPI رخ دهد؛ سپس دوباره احتراق به حالت عادی بازگردد.
چرا دور پایین و بار بالا خطرناک است؟
فرض کنید یک موتور کوچک توربوشارژ در دنده بالا و دور پایین قرار دارد و راننده ناگهان پدال گاز را تا حد زیادی فشار میدهد. ECU و توربوشارژر تلاش میکنند گشتاور زیادی از موتور کوچک دریافت کنند. در نتیجه، فشار داخل سیلندر افزایش پیدا میکند.
موتورهای Downsized برای دستیابی به توان مورد نیاز، به فشار بوست بیشتری متکی هستند. ترکیب دور موتور پایین + بار بالا + فشار مؤثر زیاد داخل سیلندر، محیطی ایجاد میکند که احتمال LSPI در آن افزایش پیدا میکند. مطالعات تجربی روی موتورهای TGDI نیز وقوع LSPI را بهطور ویژه در ناحیه دور پایین و بار بالا گزارش کردهاند.
در چنین شرایطی، فشار و دمای داخل سیلندر بسیار زیاد است و کوچکترین منبع مناسب برای شروع احتراق میتواند زمانبندی طبیعی فرآیند را مختل کند.
منبع LSPI چیست؟
پاسخ این سؤال هنوز از نظر علمی کاملاً ساده و تکعاملی نیست. تحقیقات نشان میدهند LSPI حاصل تعامل چندین عامل شامل طراحی موتور، شرایط عملکرد، سوخت، روغنموتور و ترکیبات موجود در محفظه احتراق است.
یکی از مکانیسمهای مهم، حضور قطرات یا ذرات روغن و مواد ناشی از روغن و سوخت در محفظه احتراق است. بخشی از روغن میتواند از نواحی مختلف مانند رینگها، دیواره سیلندر و مسیرهای داخل جداره وارد محیط احتراق شود.
مطالعات SAE نشان دادهاند که مواد روغنی و آلایندههای موجود در محفظه میتوانند در ایجاد نقاط مستعد خوداشتعالی نقش داشته باشند. در موتورهای تزریق مستقیم، نحوه پاشش سوخت نیز اهمیت دارد. اگر قطرات سوخت یا روغن در مناطق خاصی تجمع پیدا کنند، میتوانند در شرایط دما و فشار مناسب، به شکل یک منبع احتراق زودهنگام عمل کنند.
ارتباط روغنموتور با LSPI
یکی از جالبترین یافتههای پژوهشهای LSPI، ارتباط میان فرمولاسیون روغنموتور و احتمال وقوع پیشاشتعالی است. روغنموتور فقط یک سیال برای کاهش اصطکاک نیست؛ مجموعهای پیچیده از روغن پایه و افزودنیهاست.
مواد شوینده، ضدسایش، پخشکنندهها، اصلاحکنندههای اصطکاک و ترکیبات دیگر برای انجام وظایف مختلف به روغن اضافه میشوند. مطالعات متعدد SAE نشان دادهاند که نوع و میزان برخی مواد افزودنی میتواند روی فراوانی LSPI اثر بگذارد.
یکی از ترکیباتی که بارها مورد مطالعه قرار گرفته، شویندههای مبتنی بر کلسیم هستند. در برخی آزمونها، افزایش غلظت کلسیم با افزایش نرخ LSPI همراه بوده است. در مقابل، جایگزینی بخشی از شوینده کلسیمی با ترکیبات منیزیمی در مطالعات مختلف توانسته است نرخ LSPI را کاهش دهد.
اما این موضوع به هیچ وجه به معنای «کلسیم بد است و منیزیم خوب است» نیست. روغنموتور باید همزمان وظایف متعددی از جمله کنترل رسوبات، محافظت در برابر خوردگی، کاهش سایش و حفظ عملکرد در شرایط مختلف را انجام دهد. به همین دلیل، مهندسان باید کل بسته افزودنی را بهصورت یک سیستم طراحی کنند.
حتی پژوهشهای SAE نشان دادهاند که تغییر نوع شوینده میتواند روی مصرف سوخت و سایر ویژگیهای روغن نیز اثر بگذارد.
نقش سوخت در LSPI
سوخت نیز از معادله خارج نیست. ترکیب شیمیایی، ویژگیهای تبخیر و برخی مشخصات سوخت میتوانند روی تمایل موتور به LSPI تأثیر بگذارند. مطالعات آزمایشگاهی نشان دادهاند که برخی سوختها با ویژگیهای خاص میتوانند فعالیت LSPI بیشتری ایجاد کنند و تعامل میان ویژگیهای سوخت و روغن نیز اهمیت دارد.
این موضوع نشان میدهد که LSPI را نمیتوان فقط با تغییر نرمافزار ECU یا فقط با استفاده از سوخت اکتان بالاتر حل کرد؛ زیرا این پدیده حاصل تعامل چند متغیر است.
تفاوت ناک، پیشاشتعالی و LSPI
برای درک صحیح موضوع باید سه پدیده را از یکدیگر جدا کرد:
پیشاشتعالی (Pre-Ignition): احتراق قبل از زمان مورد انتظار و پیش از جرقه شمع آغاز میشود. منبع آن میتواند یک نقطه داغ، ذره، رسوب یا پدیدههای دیگر باشد.
ناک (Knock): در حالت کلاسیک، جرقه شمع احتراق را آغاز میکند، اما End Gas پیش از مصرف شدن توسط جبهه شعله، خودبهخود مشتعل میشود و موج فشار ایجاد میکند.
LSPI: نوعی پیشاشتعالی تصادفی است که عمدتاً در موتورهای بنزینی توربوشارژ و تزریق مستقیم، در شرایط دور پایین و بار بالا اهمیت پیدا میکند. این پیشاشتعالی میتواند به فشارهای بسیار شدید و سپس Super-Knock منجر شود. بنابراین، LSPI دقیقاً معادل ناک معمولی نیست؛ اما یک رویداد LSPI میتواند شرایطی ایجاد کند که به ناک بسیار شدید یا سوپرناک منجر شود.
سوپرناک؛ مرحله خطرناکتر
در برخی شرایط، پیشاشتعالی بسیار زودهنگام میتواند مقدار زیادی از مخلوط را در زمانی نامناسب بسوزاند. افزایش بسیار سریع فشار، امواج فشاری قوی و برهمکنش آنها با فرآیند احتراق میتواند به پدیدهای بسیار شدیدتر از ناک معمولی منجر شود که در ادبیات مهندسی با عناوینی مانند Super-Knock یا Mega-Knock شناخته میشود.
پژوهشهای تخصصی نشان دادهاند که در شرایط انرژی بالا، فرآیندهای احتراقی میتوانند با موجهای فشار و حتی سازوکارهای مرتبط با دتونیشن تعامل داشته باشند. به همین دلیل، سوپرناک یکی از چالشهای جدی در موتورهای کوچک و بسیار پربازده توربوشارژ محسوب میشود.
شدت این رویدادها میتواند به اندازهای باشد که در موارد شدید، پیستون، رینگها یا شاتون آسیب ببینند. مطالعات SAE درباره LSPI به آسیبهایی مانند شکستن رینگ پیستون، آسیب پیستون و خم شدن شاتون اشاره کردهاند.
