Understanding Engine Detonation

وفي محركات الحرق (دورة التألق) فإن التفجير - الذي يُطلق عليه عادة الضرب أو الترميز - يظل عقبة مستمرة أمام تحقيق كفاءة أعلى وكثافة طاقة، وفي حين أن هذه الظاهرة قد درست لأكثر من قرن، والضغوط الحديثة لتقليص حجم المحركات، وزيادة التعزيز، وتلبية معايير الانبعاثات الصارمة، تجعل التخفيف من حدة الآثار أكثر أهمية من أي وقت مضى.

وتبدأ عملية الاحتراق العادية عندما ترتفع حرارة الشعلة إلى خليط من الوقود الهوائي المتجانس، وترتفع نسبة الشعلة إلى غرفة الاحتراق، وتزداد درجة الحرارة القصوى للضغط، وتتسبب في ارتفاع درجة الحرارة في ارتفاع درجة الحرارة، وتزيد من سرعة الغازات غير المحترقة، وتُعرف باسم الغاز النهائي، وتتسبب في حدوث أضرار في جانبية في ارتفاع موجة الحرارة.

(أ) إن فهم الأكياس الكيميائية خلف طرق الباب أمر أساسي، حيث إن عدد الأوكتان من الوقود هو مقياس لمقاومته للتشغيل الآلي، ولكنه ليس ذا قيمة واحدة، فالوقود يُقيَّم باستخدام رقم البحث Octane ورقم الأوكتان الذي يعكس ظروف التشغيل المختلفة.

وتمتد النتيجة العملية للتفجير إلى ما هو أبعد من الضجيج، إذ إن استمرار سطو أراضي حلقات الخيوط الهوائية، وقطع الخناق، ويمكن أن يتسبب في فشل كارثي في ضربات الرأس أو كهرباء الشرارة، وفي حالات متطرفة، تؤدي المواد التي تنجم عن إزالة الضغط على الاقتصاد الحساس إلى حد كبير، مما يؤدي إلى تآكل مستويات الوقود.

وضع استراتيجيات للحد من التفجير

ويؤثر تصميم المحرك تأثيرا عميقا على الاتجاه المؤدي إلى تغيير التوازن، إذ يمكن ملاحظة كل جانب من جوانب نظام الاحتراق من أجل التقليل إلى أدنى حد من آلية الغازات النهائية، وتمثل الاستراتيجيات التالية نُهجا ثبتت جدواها تستخدمها المهندسين أثناء التنمية.

نسبة الضغط

وتؤثر نسبة الضغط الثابتة على الأسطوانات ودرجة الحرارة في نهاية السكتة المضغوطة، وتحسن نسبة أعلى من الكفاءة الحرارية، ولكنها تزيد أيضاً من حساسية طرق المرور، وكثيراً ما تستخدم المحركات الحديثة نسب ضغط هندسية تتراوح بين 10:1 و14:1، مع الاعتماد على أجهزة الاستشعار بالطرق والضوابط الإلكترونية لإدارة التفجيرات، غير أن اختيار التصميم الأساسي هو اختيار نسبة تقل فيها الضغط على المحرك(10).

فبعد الرقم الثابت، يمكن أن تؤدي نسبة الضغط الفعالة التي تتأثر بتوقيت الصمامات المتغيرة إلى تخفيف الدق، ومن خلال تأخير إغلاق صمامات الاستيعاب، يعاد بعض الهواء المضغوط إلى مركب السائل، مما يقلل من نسبة الضغط المحاصرة إلى الضغط العالي، ويسمح بزيادة نسبة الترميز الجغرافي إلى زيادة كفاءة استخدام البطاطس، مع الحفاظ على مقاومة الرش في إطار نسبة الارتفاع إلى المقياس الحرفي.

دائرة التعبئة الأرضية

ويؤثر شكل غرفة الاحتراق على سرعة انتشار اللهب وموقع الغاز النهائي، ويقلل الاحتراق السريع والقابل للتنبؤ الوقت المتاح للتشغيل الآلي من أجل التطوير، وتخفض غرف الاتفاق ذات نسبة منخفضة من سطح إلى حجم إلى الحد الأدنى من فقدان الحرارة وتعزز الحرق السريع، وتعتمد التصميم الكلاسيكي للكميات ذات السمعة المركزية وموقع أربعة صمامات للشعلة الواحدة على نطاق واسع.

وتخلق مساحات قياسية جغرافية محددة بعمق، وتتسبب مساحات البولان السطحي والرأس المسطح في إحداث فجوة في منطقة البعوض، وهي فجوة ضيقة بين تاج البستون والرأس في مركز الأموات، وتحلل الحركة السطحية المحتوية على الخليط نحو المركز، وتولد اضطراباً يعجل من سرعة اللهب، كما أن سرعة اللهب قد تكون أسرع من سرعة حرارة، مما يؤدي إلى تقليص حجم الغازات النهائية وتب.

و هناك عنصر هام آخر من عناصر قياس الحرارة هو موقع شعلة الشارة، حيث أن التمركز المركزي يقلل من المسافة التي يجب أن يقطعها اللهب، ويقلل من مدة الحروق، ويستخدم بعض المحركات ذات الأداء العالي تشكيلات من العجلات الاصطناعية، ويضع المحركات ذات الدفع المكثف، ويخفف من سرعة الحرق في الجيب.

Spark Timing and Ignition Control

وحتى مع الشكل الأمثل للغرفة، فإن توقيت الإشعال الدقيق هو الدفاع الأولي عن التفجير في الوقت الحقيقي، ويتسبب ارتفاع توقيت شرارة أكثر من اللازم في حدوث ضغوط على أسطوانات الذروة في وقت سابق من السكتة، عندما يكون البستان قريباً من مركز الصدى، وهذا يؤدي إلى ارتفاع ضغط الغازات النهائية ودرجة الحرارة، مما يدفع المخلوط نحو التلقّي. [1]

وتعتمد وحدات التحكم في المحركات الحديثة على التغذية المرتدة من أجهزة الاستشعار التي تعمل بالطرق - أجهزة التكتل الضوئية التي تُسرّع إلى مجمع المحرك، وعندما يتم اكتشاف حدث متسارع، فإن تخلفات الحركة الأوروبية تُحدث تدريجياً، ثم تُحدثها تدريجياً.

إدارة الهواء والشحن

ويقلل سد رسوم الاستلام بشكل كبير من اتجاه طرق النقل، إذ إن خفض درجة الحرارة في الهواء الذي يدخل إلى الملو ِّن يقلل من مسار الحرارة عموما أثناء الضغط، مما يؤدي مباشرة إلى إبعاد الغاز النهائي عن عتبة التلقائية، كما أن أجهزة الدفع المتداخلة التي تستخدم في أجهزة الاستنشاق القسري هي أداة أولية، ويجب أن تكون درجة الحرارة العالية والمائية إلى الهواء مرتفعة بشكل مناسب للحفاظ على درجات الحرارة القصوى عند ارتفاعها.

وفي المحركات المتطلعة طبيعيا، يمكن أن يؤثر تصميم المقطع التمهيدي، بما في ذلك طول الجرعة وحجم الكبريت، على درجة حرارة الهواء وخصائص التدفق، كما أن استخدام الهواء من منطقة مبردة من نوع الغاز المشبع بالهواء، الذي يقع خارج محرك الغاز المبرد، يؤدي إلى تخفيف عبء المدمن، وقد يبدو ذلك بمثابة تعديل على درجة الحرارة المبردة، ولكن عندما يدمج في تصميم المضخة المكبوتية.

اختيارات المواد للتقليل إلى أدنى حد من التفجير

وفي حين أن قياس الأرض والمقاييس تعالج الظروف التي تتيح طرق الباب، فإن اختيار المواد يؤثر على كيفية مقاومة مكونات المحرك نفسها للفشل الناجم عن الحرارة، وعلى مدى فعالية تفريق الحرارة، وحتى قبل التفجير الكامل، يمكن أن تسبب البقع الساخنة على تاج البستون أو صمامات العادم إشعال سطحي، وهو سلالة للطرق، ويوفر علم المواد عدة مسارات للتخفيف من هذه المخاطر.

Piston Materials and Thermal Management

ولا تزال المحار التي تستخدم فيها الألومنيوم هي أكثر المواد شيوعاً لضوء الوزن وسلوكها الحراري الجيد، غير أن التوسع الحراري والقوة العالية الحرارة يحدان من العوامل، إذ أن المحارين الحكيمة والشديدة الرحم التي تنطوي على محتوى أعلى من السليكون، تنطوي على مقاومة محسنة للارتداء، وتخفض من التوسع، وتسمح بتشديد الصلاحيات، وتزيد من سرعة الارتطام(18).

كما أن مغالات التبريد التي تُلقى في تاج البستون هي استراتيجية أخرى للإدارة الحرارية، وهذه القنوات الداخلية تسمح بالزيت بأن يعمم خلف أدق المناطق التي يُستخدم فيها مركز التاج وأجهزة التدفئة التي تُستخدم في التدفئة الثانية من الغازات الداكنة التي تُستخدم في الحد الأدنى من حرارة المحركات.

جلسات التعبئة

ويمكن أن تؤدي نسبة التصفيات الحرارية الحرارية المثبتة إلى قطع الطوابق، أو أسطح المصابيح، أو الوجوه الصمامية إلى تغيير الديناميات الحرارية داخل غرفة الاحتراق، أو أن تؤدي طبقة رقيقة من الزرق المثبت باليترات أو ما شابه ذلك من التخثرات إلى إحداث تغيير في درجات الحرارة السطحية، أو إلى إحداث تغير في درجة الحرارة السطحية.

وثمة نهج آخر يتمثل في استخدام المعاطف المزروعة على تاج البستون، ويخلق التزود بأوكسيد الألمنيوم الصلب الذي يوفر الحماية الحرارية وسطحا منخفضا، بينما لا يُعدّ طلاءاً كاملاً من الأهرامات، فإنه يساعد على تحمل الصدمة الحرارية لدورات التخدير المبكر، وفي حالات التسخين المتطرف، كثيراً ما تُوجَب تنورات الدودية المكية.

مواد رئيسية ذات قيمة وسيريندر

فالصمامات المكشوفة معرضة لأعلى درجات الحرارة، والمواد التقليدية مثل الصلب غير القابل للصدأ 21-4N يمكن أن تُعالج درجات الحرارة المرتفعة، ولكن بالنسبة لمحركات الاضطرابات والكساد المرتفعة، والخطوط السطحية مثل الاختناق 751 أو النيمونيك 80 ألف، فإن هذه المحارات القائمة على النيكل تحافظ على القوة وتقاوم التكسين عند درجات الحرارة العادية التي تخفف فيها الفولاذات.

كما أن مادة الرش الرأسي نفسها تؤثر على الدق، إذ أن رؤوس الألومنيوم تتفاوت الحرارة بسرعة أكبر من الحديد الذي يلقي به، مما يساعد على الحد من درجة حرارة غرفة الاحتراق وضرب الاتجاه، غير أن الألومنيوم له حدود حرارة أقل، ولذلك يلزم تصميم ممرات التبريد بعناية، وفي محركات ذات ناتجات عالية، تُدرج السبيكة حول مساحات الصمامات العالية(35).

نظام التبريد

فنظام التبريد بالمحرك قد يؤدي إلى إزالة الحرارة من حجرة الاحتراق ويؤثر تأثيرا مباشرا على هوامش الدق، وتزيد المواد ذات القدرة على تصريف الحرارة العالية - مثل سبائك النحاس أو تركيبات الألومنيوم المتقدمة - مما يؤدي إلى سرعة نقل الحرارة من الرأس إلى المبردات، وتصمم السترات المائية الحديثة باستخدام ديناميات السائل المحسوب لضمان تدفق مبردات ثابتة والقضاء على مناطق الازدواج.

تقنيات إضافية لمراقبة التفجير

فإلى جانب التصميم الأساسي والمواد الأساسية، يمكن أن تزيد مجموعة من الأساليب التكميلية حداً أقصى للطرق، وتستخدم معظم محركات الإنتاج مزيجاً من هذه التقنيات لاستخراج أقصى قدر من الأداء الآمن.

Fuel Selection and Octane Boosters

ويستخدم أبسط أداة لتخفيف عبء العمل بالنسبة للمستهلك وقود الأوكتان المناسب، غير أن تصميم طبقة معينة من الوقود يتيح، من منظور هندسي، مطابقة نسبة الضغط ومستويات التعزيز على النحو الأمثل، ويُستخدم العديد من المحركات الحديثة لتشغيل 87 أوكتين (العادية) ولكن سيعزز تلقائيا التوقيت ويزيد من التعزيز عندما يكتشف ارتفاع مستوى المقاومة من 91 أو 93 أقساط أو أطنان.

أما بالنسبة للوقود الذي تتباين فيه نوعية الوقود، فإن نظم التحكم الفعالة في طرق النقل يمكن أن تثري بصورة دقيقة خليط الوقود الجوي، ويبرد الوقود الإضافي الشحنة من خلال الحرارة الكامنة في التبخير، ويقلل بدرجة كبيرة من احتمالية استخدام الوقود، ويقلل من الكفاءة، ويقتصر ذلك على الانبعاثات القصيرة، أما بالنسبة للمحركات العرقية، فإن المحركات الميكانيكية الكيميائية مثل التلوين أو مركبات الوقود المتعددة البروم ثنائي الفينيل، فهي تخترق(85)

التوقيت والسرقة المتغيران

وقد سبق أن ذكرنا دور شركة VVT في تعديل الضغط الفعال، إذ أن النظم المتقدمة مثل رفع الصمامات المتغيرة، كما يتبين من تركيبة شركة BMW ' ' Valvetronic أو VTEC، يمكن أن تتحكم في استخدام الهواء دون وجود خليط من الغازات المشتعلة، وضغط من الكبريت، مما يؤدي إلى تأخير إغلاق صمامات الاستيعاب عند ارتفاع ضغط الحرارة، وتراكم الغازات.

الحقن المباشر والشحن المترسخ

ويوفّر الحقن المباشر بواسطة الغسول فائدة قوية في إحداث تغيير في الضغط: تبريد الشحنات، وعندما يُرش الوقود مباشرة في مصب الرش أثناء السكتة الدماغية، فإن التهرب من استخدام الغازات المحتوية على الغازات المحتوية على التخصيب يُحدث أكثر من الرش المُصمَّم.

الوقود المتجدد والاصطناعي

ومع انتقال الصناعة إلى حلول محايدة للكربون، فإن الوقود التركيبي والوقود الأحيائي يوفر خصائص مقاومة للطرق يمكن تصميمها على المستوى الجزيئي، حيث يمكن أن تكون كميات الوقود التي تنتج عن طريق عمليات الطاقة إلى السائلة ذات درجات حرارة عالية، وأن تكون ذات قدرة عالية على التحمل، وأن تكون هذه المواد ذات قدرة على مقاومة الارتداد، كما أن نسبة الوقود السائلة التي تستخدم في صنع الوقود الاصطناعي ([FLT])

الصيانة والنزاهة المستشعرة

كما أن أفضل تصميم لا يمكن أن يعوض عن الصيانة المهملة، إذ أن ارتفاع حرائق الشارة التي تُحدَّد ثغرة مفرطة قد يسبب حالات من عدم إطلاق النار أو البقع الساخنة التي تُحدث قبل بدء نفاذ الذخائر، كما أن الودائع التي تُحمل على تاج البيسبول وغرف الاحتراق يمكن أن تخفض الحجم، وأن تزيد نسبة الضغط، وأن تُحدث إشارات متحركة تُشعل قبل شرارة الشعلة.

إدماج التصميم والمواد في مستقبل خال من الدق

إن المعركة ضد تفجير المحرك تقاتل على جبهات متعددة، فالجدايات والمعايرة والمواد يجب أن تعمل معا، ومحرك عالي الكساد مع حجرة ذاتية سريعة الحرق، وحقن مباشر مركزي، وصمامات منافذ الصوديوم، وأجهزة مجهزة بأجهزة لتبريد النفط يمكن أن تُستخرج الطاقة التي كانت محركة لا يمكن تصورها منذ بضعة عقود.

وفي ضوء ذلك، فإن إدماج استراتيجيات الاحتراق المضاف إليها ] مثل حرق الشحنات المتجانسة، مما يؤدي إلى تضخيم نظم الإشعال المكثف في المستقبل، ويجمع بين متغيرات الضغط بين الإشعال وضغط الإشعال، وفي هذه النماذج، تُحدث نسبة صغيرة من المحركات المضغوطة في إطار سلسلة من الضبط الآلي.

وبالنسبة للمهندسين والمحرّسين على السواء، تظل المبادئ غير مجدية من حيث الزمن: إدارة الحرارة، وتشجيع الحرق السريع، واختيار المواد التي تصمد أمام العقاب الحتمي، ومن خلال وضع تصميمات الغرف الذكية، والتحكم في المواد المتقدمة، والوقود العالي الجودة، يمكن تخفيض تفجير المحركات من قوة مدمرة إلى مظلة قابلة للتدبر، مما يتيح للمحركات القوية والدائمة على حد سواء، وليس أفضل وسيلة من عناصر فضية بل نظام متماسكة.