طرق المحرك

في محركات الاحتراق الداخلي ذات الإشعال الشراري ، يحدث الطرق (ويُسمى أيضًا بالخبط ، أو الانفجار ، أو طرق الشرارة ، أو الرنين ) عندما ينتج احتراق جزء من خليط الهواء والوقود في الأسطوانة عن مصدر آخر غير جبهة اللهب التي تُشعلها شمعة الإشعال ، أي عندما تنفجر جيب أو أكثر من خليط الهواء والوقود خارج نطاق جبهة الاحتراق الطبيعية. من المفترض أن تُشعل شمعة الإشعال شحنة الوقود والهواء عند نقطة محددة في شوط المكبس. يحدث الطرق عندما لا تتزامن ذروة عملية الاحتراق مع اللحظة المثلى لدورة الأشواط الأربعة . تُحدث الموجة الصدمية صوت "رنين" معدني مميز، ويرتفع ضغط الأسطوانة بشكل كبير. تتراوح آثار طرق المحرك من طفيفة إلى مدمرة تمامًا.

لا ينبغي الخلط بين صوت الطرق والاشتعال المسبق، فهما حدثان منفصلان. مع ذلك، قد يتبع الاشتعال المسبق صوت طرق.

وُصفت ظاهرة الانفجار في نوفمبر 1914 في رسالة من الأخوين لودج (مصنّعي شمعات الإشعال، وأبناء السير أوليفر لودج ) لحسم نقاش حول سبب "الخبط" أو "الرنين" في الدراجات النارية. وذكروا في الرسالة أن الاشتعال المبكر قد يؤدي إلى انفجار الغاز بدلًا من التمدد المعتاد، وأن الصوت الناتج عن الانفجار يُشبه صوت الطرق على الأجزاء المعدنية بمطرقة. ^{[ 1 ]} وقد أجرى هاري ريكاردو مزيدًا من البحث والتحليل لهذه الظاهرة خلال تجارب بين عامي 1916 و1919 لاكتشاف سبب أعطال محركات الطائرات . ^{[ 2 ]}

في ظل ظروف التشغيل العادية، يحرق محرك الاحتراق الداخلي خليط الهواء والوقود داخل الأسطوانة بطريقة منتظمة ومضبوطة. يبدأ الاحتراق بواسطة شمعة الإشعال قبل حوالي 10 إلى 40 درجة من دوران عمود المرفق عند النقطة الميتة العليا ، وذلك تبعًا لعدة عوامل منها سرعة المحرك وحمله . يتيح هذا التوقيت المتقدم للإشعال وقتًا كافيًا لعملية الاحتراق للوصول إلى ذروة الضغط في الوقت الأمثل لتحقيق أقصى استفادة من الغازات المتمددة. ^{[ 3 ]}

تُشكّل الشرارة المتولدة بين قطبي شمعة الإشعال نواة لهب صغيرة بحجم فجوة الشمعة تقريبًا. ومع ازدياد حجمها، يزداد ناتجها الحراري، مما يسمح لها بالنمو بمعدل متسارع، والتمدد بسرعة عبر غرفة الاحتراق. ويعود هذا النمو إلى انتقال جبهة اللهب عبر خليط الوقود والهواء القابل للاحتراق نفسه، وإلى عدم استقرار رايلي-تايلور (الناتج عن تمدد غازات الاحتراق الساخنة منخفضة الكثافة في خليط الوقود والهواء غير المحترق البارد نسبيًا والكثيف)، والذي يُوسّع منطقة الاحتراق بسرعة إلى شبكة معقدة من ألسنة اللهب ذات مساحة سطح أكبر بكثير من كرة اللهب الكروية البسيطة (وتتعزز هذه العملية الأخيرة وتتسارع بفعل أي اضطراب موجود مسبقًا في خليط الوقود والهواء). في الاحتراق الطبيعي، تتحرك جبهة اللهب هذه عبر خليط الهواء/الوقود بمعدل خاص بهذا الخليط. ويرتفع الضغط تدريجيًا إلى ذروته، مع استهلاك معظم الوقود المتاح، ثم ينخفض ​​الضغط مع هبوط المكبس. يتحقق أقصى ضغط داخل الأسطوانة بعد بضع درجات من دوران عمود المرفق من تجاوز المكبس لنقطة المركز الميت العلوي، بحيث يمكن للقوة المطبقة على المكبس (نتيجةً لزيادة الضغط على سطحه العلوي) أن تدفع بأقصى قوة لها تحديدًا عندما توفر سرعة المكبس والميزة الميكانيكية على عمود المرفق أفضل استعادة للقوة من الغازات المتمددة، مما يزيد من عزم الدوران المنقول إلى عمود المرفق. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

عندما يتعرض خليط الوقود والهواء غير المحترق، الموجود خارج حدود جبهة اللهب، لمزيج من الحرارة والضغط لفترة زمنية محددة (تتجاوز فترة تأخير الوقود المستخدم)، قد يحدث انفجار . يتميز الانفجار باشتعال فوري تقريبًا، وانفجاري، لجيب واحد على الأقل من خليط الهواء والوقود خارج جبهة اللهب. تتولد موجة صدمية موضعية حول كل جيب، ويرتفع ضغط الأسطوانة بشكل حاد - وربما يتجاوز حدوده التصميمية - مما يُسبب تلفًا. (في الواقع، يُعد الانفجار أكثر فعالية من الاحتراق البطيء، ولكنه يُتجنب عادةً نظرًا لآثاره الضارة على مكونات المحرك).

إذا استمر الاحتراق غير المنتظم في ظل ظروف قاسية أو على مدى دورات تشغيل متعددة للمحرك، فقد تتضرر أجزاء المحرك أو تُدمر. أبسط الآثار الضارة هو تآكل الجسيمات الناتج عن طرق معتدل، حيث تتشتت الجسيمات الناتجة في نظام زيت المحرك مسببةً تآكلًا احتكاكيًا لأجزاء أخرى قبل أن يحجزها فلتر الزيت. يُعطي هذا التآكل مظهرًا يشبه التآكل أو السحج أو مظهر "الرمل"، وهو مشابه للضرر الناتج عن التكهف الهيدروليكي . قد يؤدي الطرق الشديد إلى عطل كارثي على شكل ثقوب مادية منصهرة تُدفع عبر المكبس أو رأس الأسطوانة (أي تمزق غرفة الاحتراق )، مما يؤدي إلى انخفاض ضغط الأسطوانة المتضررة ودخول شظايا معدنية كبيرة ووقود ونواتج احتراق إلى نظام الزيت. من المعروف أن المكابس فائقة التصلب تنكسر بسهولة بفعل موجات الصدمة هذه. ^{[ 4 ]}

يمكن منع الانفجار باستخدام أي من التقنيات التالية أو جميعها:

• تأخير توقيت الإشعال
• استخدام وقود ذي رقم أوكتان عالٍ ، مما يزيد من درجة حرارة احتراق الوقود ويقلل من احتمالية الانفجار.
• يؤدي إثراء نسبة الهواء إلى الوقود إلى تغيير التفاعلات الكيميائية أثناء الاحتراق، ويقلل من درجة حرارة الاحتراق، ويزيد من هامش الانفجار.
• تقليل ذروة ضغط الأسطوانة
• تقليل ضغط مشعب السحب عن طريق تقليل فتحة الخانق أو ضغط التعزيز
• تقليل الحمل على المحرك
• إضافة مثبط للطرق إلى الوقود، مما يزيد من تصنيف الأوكتان الفعال ومقاومة الاحتراق غير الطبيعي.

نظراً للارتباط الوثيق بين الضغط ودرجة الحرارة، يمكن أيضاً تخفيف الطرق عن طريق التحكم في درجات حرارة غرفة الاحتراق القصوى عن طريق تقليل نسبة الضغط ، وإعادة تدوير غاز العادم ، والمعايرة المناسبة لجدول توقيت إشعال المحرك ، والتصميم الدقيق لغرف الاحتراق ونظام التبريد في المحرك، بالإضافة إلى التحكم في درجة حرارة مدخل الهواء الأولي.

كانت إضافة رباعي إيثيل الرصاص (TEL)، وهو مركب عضوي رصاصي قابل للذوبان يُضاف إلى البنزين، شائعة حتى توقف استخدامها لأسباب تتعلق بالتلوث السام. كما أن إضافة غبار الرصاص إلى شحنة السحب يقلل من صوت الطرق في أنواع مختلفة من الوقود الهيدروكربوني. وتُستخدم مركبات المنغنيز أيضًا للحد من صوت الطرق في وقود البنزين.

يُعدّ الاحتراق غير المنتظم أقل شيوعًا في المناخات الباردة. وكحلٍّ إضافي، يُمكن استخدام نظام حقن الماء لخفض درجات الحرارة القصوى في غرفة الاحتراق، وبالتالي كبح الاحتراق غير المنتظم. يعمل البخار (بخار الماء) على كبح الاحتراق غير المنتظم حتى في حال عدم توفير تبريد إضافي.

للاضطراب تأثير كبير على ظاهرة الطرق. تميل المحركات ذات الاضطراب الجيد إلى تقليل الطرق مقارنةً بالمحركات ذات الاضطراب الضعيف. لا يحدث الاضطراب أثناء سحب الهواء فقط، بل أيضًا عند ضغط الخليط واحتراقه. صُممت العديد من المكابس للاستفادة من اضطراب "الضغط" لخلط الهواء والوقود بقوة أثناء اشتعالهما واحتراقهما، مما يقلل الطرق بشكل كبير عن طريق تسريع الاحتراق وتبريد الخليط غير المحترق. ومن الأمثلة على ذلك جميع محركات الصمامات الجانبية الحديثة أو محركات الرأس المسطح . يُصمم جزء كبير من حيز رأس الأسطوانة ليكون قريبًا من رأس المكبس، مما يُحدث اضطرابًا كبيرًا بالقرب من النقطة الميتة العليا. في بدايات استخدام رؤوس الصمامات الجانبية، لم يكن هذا التصميم مُتبعًا، وكان لا بد من استخدام نسبة ضغط أقل بكثير لأي نوع من الوقود. كما كانت هذه المحركات حساسة لتوقيت الإشعال، وكانت أقل قوة. ^{[ 4 ]}

يُعدّ صوت الطرق ظاهرةً شبه حتمية في محركات الديزل ، حيث يُحقن الوقود في هواء مضغوط للغاية قرب نهاية شوط الضغط. يوجد تأخير قصير بين حقن الوقود وبدء الاحتراق. في هذه المرحلة، تكون كمية من الوقود قد تكوّنت بالفعل في غرفة الاحتراق، والتي تشتعل أولًا في المناطق ذات الكثافة الأكسجينية الأعلى قبل احتراق الشحنة بالكامل. هذه الزيادة المفاجئة في الضغط ودرجة الحرارة تُسبب صوت الطرق أو الطقطقة المميز لمحركات الديزل، والذي يجب أخذه في الحسبان عند تصميم المحرك.

يُمكن للتصميم الدقيق لمضخة الحقن، وحاقن الوقود، وغرفة الاحتراق، وتاج المكبس، ورأس الأسطوانة أن يُقلل بشكل كبير من ظاهرة الطرق، وتتميز المحركات الحديثة التي تستخدم نظام الحقن الإلكتروني بالسكك المشتركة بمستويات منخفضة جدًا من الطرق. تتميز المحركات التي تستخدم الحقن غير المباشر عمومًا بمستويات طرق أقل من محركات الحقن المباشر ، وذلك بفضل التوزيع الأفضل للأكسجين في غرفة الاحتراق وانخفاض ضغوط الحقن، مما يُوفر خلطًا أكثر اكتمالًا للوقود والهواء. في الواقع، لا تُعاني محركات الديزل من نفس ظاهرة "الطرق" التي تُعاني منها محركات البنزين، حيث يُعرف أن السبب هو فقط معدل الارتفاع السريع جدًا للضغط، وليس الاحتراق غير المستقر. تُعد وقود الديزل أكثر عرضة للطرق (مقارنةً بالبنزين)، ولكن في محرك الديزل لا يوجد وقت لحدوث الطرق لأن الوقود يتأكسد فقط خلال دورة التمدد. أما في محرك البنزين، فيتأكسد الوقود ببطء طوال فترة ضغطه قبل الشرارة. يُتيح ذلك حدوث تغييرات في بنية/تركيب الجزيئات قبل الفترة الحرجة للغاية من درجة الحرارة/الضغط العاليين. ^{[ 4 ]}

نظراً للاختلاف الكبير في جودة الوقود والضغط الجوي ودرجة الحرارة المحيطة، فضلاً عن احتمال حدوث عطل، فإن كل محرك احتراق حديث يحتوي على آليات للكشف عن الطرق ومنعه.

تراقب حلقة تحكم باستمرار إشارة واحد أو أكثر من مستشعرات الطرق (عادةً ما تكون مستشعرات كهرضغطية قادرة على تحويل الاهتزازات إلى إشارة كهربائية). عند اكتشاف ذروة الضغط المميزة لاحتراق الطرق، يتم تأخير توقيت الإشعال بخطوات صغيرة. إذا عادت الإشارة إلى وضعها الطبيعي، مما يشير إلى احتراق مُتحكم به، يتم تقديم توقيت الإشعال مرة أخرى بنفس الطريقة، للحفاظ على المحرك عند أفضل نقطة تشغيل ممكنة - ما يُعرف بـ "حد الطرق". تستطيع أنظمة حلقة التحكم الحديثة في الطرق ضبط توقيتات الإشعال لكل أسطوانة على حدة. وبحسب نوع المحرك، يتم تنظيم ضغط التعزيز في الوقت نفسه. بهذه الطريقة، يُحافظ على الأداء الأمثل مع الحدّ بشكل كبير من خطر تلف المحرك الناتج عن الطرق (مثلًا عند استخدام وقود منخفض الأوكتان). ^{[ 5 ]} من الأمثلة المبكرة على ذلك محركات ساب H المزودة بشاحن توربيني ، حيث استُخدم نظام يُسمى التحكم التلقائي في الأداء لتقليل ضغط التعزيز إذا تسبب في طرق المحرك. ^{[ 6 ]}

نظراً لأهمية تجنب الاحتراق غير الطبيعي (الخبط) بالنسبة لمهندسي التطوير، فقد تم تطوير العديد من تقنيات المحاكاة التي يمكنها تحديد تصميم المحرك أو ظروف التشغيل التي يُتوقع فيها حدوث الخبط. وهذا بدوره يمكّن المهندسين من تصميم طرق للحد من الاحتراق غير الطبيعي مع الحفاظ على كفاءة حرارية عالية .

بما أن بداية الطرق حساسة لضغط الأسطوانة ودرجة الحرارة والكيمياء الذاتية للاشتعال المرتبطة بتراكيب الخليط المحلية داخل غرفة الاحتراق، فقد أثبتت عمليات المحاكاة التي تأخذ في الاعتبار كل هذه الجوانب ^{[ 7 ]} أنها الأكثر فعالية في تحديد حدود تشغيل الطرق وتمكين المهندسين من تحديد استراتيجية التشغيل الأنسب.

يهدف التحكم في ظاهرة الطرق إلى تحقيق التوازن الأمثل بين حماية المحرك من أضرار الطرق وزيادة عزم دورانه إلى أقصى حد. تُعدّ ظاهرة الطرق عملية عشوائية مستقلة. ^{[ 8 ]} من المستحيل تصميم أنظمة التحكم في الطرق ضمن بيئة حتمية. لا يُمكن لمحاكاة أو تجربة واحدة لتاريخ زمني واحد لأساليب التحكم في الطرق أن توفر قياسًا قابلاً للتكرار لأداء وحدة التحكم نظرًا للطبيعة العشوائية لظاهرة الطرق. لذلك، يجب تحقيق التوازن المطلوب ضمن إطار احتمالي يوفر بيئة مناسبة لتصميم وتقييم أداء استراتيجيات التحكم المختلفة في الطرق بخصائص إحصائية دقيقة.

• دي غايتا، أليساندرو؛ جيجليو، فينييرو؛ بوليس، جوزيبي؛ ريسبولي، ناتالي (2013). "نمذجة تذبذبات الضغط داخل الأسطوانة في ظروف الطرق: منهج عام قائم على معادلة الموجة المخمدة". مجلة الوقود . 104 : 230-243 . Bibcode : 2013Fuel..104..230D . doi : 10.1016/j.fuel.2012.07.066 .
• جيليو، فينييرو؛ الشرطة جوزيبي. ريسبولي، ناتالي؛ يوريو، بياجيو؛ دي جايتا ، أليساندرو (2011). “التقييم التجريبي للنماذج الحركية المخفضة لمحاكاة الخبط في محركات SI”. سلسلة الأوراق الفنية SAE . المجلد.  1. دوى : 10.4271/2011-24-0033 .
• دي جايتا، أليساندرو؛ جيليو، فينييرو؛ الشرطة جوزيبي. ريالي، فابريزيو. ريسبولي، ناتالي (2010). “نمذجة تذبذبات الضغط في ظل ظروف الطرق: نهج معادلة الموجة التفاضلية الجزئية”. سلسلة الأوراق الفنية SAE . المجلد.  1. دوى : 10.4271/2010-01-2185 .
• محاكاة الاحتراق التنبؤية لمحركات الإشعال بالشرارة ذات الحقن المباشر "المصغرة": حلول للاشتعال المسبق ("الضربة الضخمة")، والاحتراق غير الكامل، والانطفاء، وانتشار اللهب، و"الضربة" التقليدية ، ابتكارات cmcl، تم الاطلاع عليها في يونيو 2010.
• أساسيات المحرك: الانفجار والاشتعال المسبق ، ألين دبليو كلاين، تم الاطلاع عليه في يونيو 2007.
• جيليو، فينييرو؛ الشرطة جوزيبي. ريسبولي، ناتالي؛ دي جايتا، أليساندرو؛ سيسيري ميشيل. ديلا راجيوني، ليفيا (2009). “دراسة تجريبية حول استخدام التيار الأيوني في محركات SI لاكتشاف الخبط”. سلسلة الأوراق الفنية SAE . المجلد.  1. دوى : 10.4271/2009-01-2745 .
• تايلور، تشارلز فاييت (1985). محرك الاحتراق الداخلي نظريًا وعمليًا: الاحتراق، والوقود، والمواد، والتصميم . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ISBN 9780262700276.

• تقرير NACA رقم 727 - الاحتراق والطرق في محرك الإشعال بالشرارة (مؤرشف)
• تقرير NACA رقم 774 - التأين في منطقة الطرق لمحرك الاحتراق الداخلي (مؤرشف)
• تقرير NACA رقم 912 - الترابط بين أنواع مختلفة من الاشتعال الذاتي والطرق (عبر DTIC)