کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) موتور چیست؟

نویسنده: علیرضا کرامتیان، مدیر مرکز فنی(آموزش و پشتیبانی فنی، گارانتی) و شبکه نمایندگی های خدمات پس از فروش شرکت رنو ایران

پیشرفت روزافزون تکنولوژی در صنایع مربوط به خودروسازی و تصویب قوانین سخت گیرانه در جهت کاهش مصرف سوخت و کاهش گازهای آلاینده، استراتژی شرکت های خودروسازی را در این جهت تغییر داده است که خودروهائی تولید کنند که در عین حال که دارای حجم موتور کمتری هستند، قدرت و توان بالاتری داشته باشند و مهم تر از همه میزان آلایندگی گازهای خروجی از اگزوز و همچنین میزان مصرف سوخت آنها کمتر باشند. در این راستا موتورهایی توسط مهندسین طراحی شده است که در عین حال که دارای حجم موتور کمتری هستند و به تکنولوژی هائی مانند توربوشارژر، سیستم VVT و غیره مجهز هستند، دارای ضریب تراکم بالائی می باشند.

حال باید دید که بالا بودن میزان ضریب تراکم، چه مشکلاتی می تواند برای عملکرد موتور ایجاد کند. همانطور که می دانید برای اشتعال سه عامل نیاز است: هوا، ماده سوختنی و گرما که به آن مثلث آتش نیز گفته می شود. موتور خودرو (به غیر از موتورهای پاشش مستقیم و یا DGI) و متعلقات آن طوری ساخته شده اند که ابتدا سوخت و هوا با یکدیگر مخلوط شده و متراکم می گردند، سپس شمع جرقه می زند که نتیجه این فرآیند، ایجاد احتراق است. احتراق حالتی از اشتعال است که علاوه بر اینکه دارای بهره وری بیشتری است، تحت کنترل نیز هست. ضعیف بودن، کاهش و یا افزایش هر کدام از این سه عامل می تواند پیامدهای زیر را به دنبال داشته باشد:

1. ایجاد احتراق ناقص
2. افزایش مصرف سوخت
3. افزایش میزان آلایندگی ها
4. بروز پدیده ای بنام کوبش، ضربه و یا ناک(Knock)  

فرآیند احتراق بدین صورت است که ابتدا مخلوط سوخت و هوا وارد محفظه احتراق شده و در آنجا میزان مخلوط شدن آنها بیشتر می شود، سپس شمع در زمان مناسب که توسط کامپیوتر موتور محاسبه می شود، جرقه می زند. وقتی احتراق آغاز می شود، مخلوط سوخت و هوا تولید حرارت کرده و سبب منبسط شدن گاز داخل سیلندر می شود، انبساط گاز داخل سیلندر موجب وارد شدن فشار به پیستون و حرکت آن به سمت پایین می گردد. نکته مهمی که در اینجا لازم است بدان دقت گردد این است که احتراق بصورت لحظه ای انجام نمی شود بلکه به صورت مرحله ای انجام می گردد؛ به عبارت دیگر وقتی مخلوط سوخت و هوا محترق گردید، مخلوط جبهه ایجاد شده توسط شعله بصورت موج حرکت می کند.

در واقع نکته خیلی مهمی که باید به آن توجه شود این است که مخلوط سوخت و هوا وقتی محترق گردید، بصورت آنی حرکت نمی کند و دارای سرعت نور یعنی حدود سیصد هزار کیلومتر در ثانیه نیست، بلکه دارای حرکت موجی است و سرعت آن در شرایط مختلف، متفاوت است و در بهترین حالت حدود 30 متر در ثانیه است و بصورت جرم گازی پیشروی می کند. بنابراین از زمان تولید جرقه تا پایان احتراق کامل داخل محفظه احتراق، یعنی برخورد موج به سر پیستون، حدود 2 میلی ثانیه طول می کشد و البته این زمان با توجه به مقدار غنی بودن مخلوط و نوع موتور متفاوت است.

از آنجا که افزایش فشار ناشی از احتراق، بصورت تدریجی بوده و موج حاصل از احتراق بصورت آنی حرکت نمی کند، لذا می بایست جرقه، زودتر از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا(TDC)، جرقه بزند. مقدار این زمان به عوامل زیر بستگی دارد:

1.    دور موتور
2.    فشار هوای منیفولد
3.    دمای موتور  
4.    دمای هوای ورودی به سیلندرها

اشکالات مرتبط با ضعیف بودن و یا ناقص بودن احتراق (Misfiring)

وقتی مخلوط هوا و بنزین به اندازه مناسب مخلوط و متراکم نشده باشند و یا شمع، دیرتر(Retard) از زمان مناسب جرقه بزند، به دلیل اینکه احتراق به خوبی انجام نخواهد گرفت، هم توان خروجی موتور کم می شود و هم میزان آلایندگی و مصرف سوخت افزایش خواهد یافت. در این حالت، شرایط برای رسوب کربن در قسمت های مختلف اتاقک احتراق مهیا شده و پیامدهای دیگری را نیز به دنبال خواهد داشت. در خودروهای قدیمی که مجهز به کاربراتور و دلکو بودند، مشکلات ناشی از مخلوط شدن سوخت و هوا زیاد بود ولی با پیشرفت تکنولوژی و بهره گیری خودروها از کامپیوتر، ایرادات مربوط به مخلوط شدن سوخت و هوا و میزان خطا در زمان جرقه تا حد بسیار زیادی کاهش یافته است.

چه عواملی باعث ایجاد پدیده کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) می شوند؟

عواملی وجود دارند که می توانند موجب بروز مشکل در احتراق بشوند و آسیب های جدی به موتور وارد نمایند، این موارد به سه دسته تقسیم می شوند:

1- بر اساس اصول فیزیک، چنانچه یک گاز تحت فشار قرار گیرد، برخورد مولکول های آن با یکدیگر زیاد شده و دمای آن به شدت افزایش خواهد یافت، حال اگر این گاز که متراکم شده است حاوی مولکول های هوا و بنزین باشد، در اثر تراکم، دمای آن به شدت افزایش یافته و چون استعداد اشتعال نیز دارند، محترق خواهد شد. در خودروهای بنزینی اگر سوخت دارای اکتان مناسب نباشد، در مرحله تراکم نمی تواند در مقابل تراکم از خود مقاومت نشان داده و به دلیل وجود هوا، قبل از اینکه شمع جرقه بزند، محترق خواهد شد، عامل دیگری که ممکن است موجب شود تا مخلوط سوخت و هوا، قبل از ایجاد جرقه در شمع، محترق گردد، ورود هوای داغ به موتور و همچنین بالا بودن دمای محفظه احتراق می باشد و این بدان معنی است که اگر دمای محیطی که مخلوط سوخت و هوا در آن متراکم شده اند، خیلی بالا باشد، قبل از اینکه شمع جرقه بزند، دمای مخلوط سوخت و هوا به میزانی خواهد رسید که خود به خود محترق خواهد شد.

همانطور که در شکل فوق مشاهده می شود، شمع هنوز جرقه نزده است ولی مخلوط سوخت و هوا به دلیل دارا بودن میزان تراکم و دمای بالا، خود به خود محترق شده است.

2- چنانچه در محفظه احتراق، رسوب کربن و یا پلیسه فلزی ناشی از تعمیرات نادرست وجود داشته باشد و یا به هر دلیلی دمای یکی از قطعات داخل محفظه احتراق مانند شمع و یا سوپاپ(خصوصا سوپاپ خروجی) به شدت افزایش یافته باشد و یا به هر علتی مانند تعمیرات نادرست و یا استفاده از شمع غیر استاندارد، بکارگیری قطعات غیر اصلی در هنگام تعمیرات، لبه های تیز در یکی از قطعات محفظه احتراق ایجاد شده باشد، ممکن است مخلوط سوخت و هوا قبل از اینکه شمع جرقه بزند، در برخورد با رسوب کربنی، پلیسه فلزی، قطعه با دمای بالا و یا لبه های تیز، محترق گردد.

در یک موتور، نسبت هوا به سوخت با توجه به شرایط عملیاتی متفاوت است. تغییر در نسبت هوا به نسبت سوخت نیز می تواند نقش مهمی در ایجاد کوبش، ضربه و یا ناک (Knock) ایفا کند. مخلوطی از هوا و سوخت را رقیق می گویند که بیش از مقدار لازم برای احتراق، هوا در آن وجود داشته باشد و برعکس به مخلوطی غلیظ گفته می شود که مقدار هوای مورد نیاز برای احتراق، کمتر از مقدار لازم باشد. همچنین به مخلوطی استوکیومتری (Stoichiometry) گفته می شود که حاوی مقدار دقیق هوای مورد نیاز برای احتراق کامل است. مشاهده شده است که مخلوط های رقیق در مقایسه با مخلوط های غنی، تمایل بیشتری به ایجاد کوبش، ضربه و یا ناک (Knock) دارند و علت این است که مخلوط های رقیق در پایان مرحله فشرده سازی و تراکم توسط پیستون، در مقایسه با مخلوط های استوکیومتری و مخلوط های غنی به دمای بالاتری می رسند که این وضعیت، منجر به گرم شدن بیشتر مخلوط سوخت و هوا شده و موجب احتراق خود به خود آنها می گردد.

شکل فوق نشان می دهد که مخلوط سوخت و هوا، به دلیل برخورد با لبه تیز و یا رسوب کربن، قبل از اینکه شمع جرقه بزند، محترق شده است.

3- در حالت سوم که شاید پیچیده ترین وضعیت به حساب آید، فرآیند احتراق تا بعد از ایجاد جرقه بدون هیچ مشکلی ادامه پیدا می کند یعنی مخلوط سوخت و هوا متراکم شده، شمع جرقه می زند و جبهه شعله ایجاد می گردد و موج حاصل، از محل ایجاد اشتعال که همان الکترودهای شمع می باشد، بوجود آمده و منتشر می شود، این موج همچنان که به سمت پیستون حرکت می کند، مخلوط سوخت و هوا که در مقابل خود قرار دارد و هنوز محترق نشده است را به دو دلیل تحت تاثیر قرار می دهد اول اینکه موج حاصل از احتراق دارای دمای بسیار بالائی می باشد لذا دمای مخلوط سوخت و هوای مقابل خود، که هنوز محترق نشده اند را به شدت افزایش می دهد و دوم اینکه موج حاصل از احتراق دارای توان و قدرت بسیار بالا می باشد و وقتی حرکت می کند، مخلوط سوخت و هوائی را که قبلا در اثر حرکت پیستون به سمت بالا، متراکم شده بوده را بیشتر تحت فشار قرار داده و میزان تراکم آنرا افزایش می دهد، به عبارت دیگر وقتی موج حاصل از احتراق توسط جرقه شمع ایجاد شده و در حال حرکت به سمت پیستون می باشد، دما و فشار مخلوط سوخت و هوائی که هنوز محترق نشده است را به شدت افزایش داده و این عامل موجب می شود تا مخلوط سوخت و هوائی که هنوز محترق نشده است، خود به خود محترق گردد.

در شکل فوق مخلوط هوا و سوخت متراکم شده، شمع جرقه زده و احتراق انجام شده است و موج حاصل از آن(منطقه ای که با رنگ زرد مشخص شده و در بالا قرار دارد) در حال حرکت به سمت پیستون می باشد، همانطور که در بالا گفته شد موج حاصل از احتراق دارای فشار و دمای بالائی می باشد و وقتی پیشرفت می کند، مخلوط سوخت و هوائی که در مقابل خود قرار دارد و قبلا متراکم شده است(منطقه ای که با رنگ آبی مشخص شده است) را متراکم تر کرده و دمای آنرا نیز به شدت بالاتر می برد، حال اگر شرایط مهیا باشد، مخلوط هوا و سوخت خود به خود محترق می گردد(دو منطقه که در دو طرف و پائین و به رنگ زرد مشخص شده است) و موجب بروز کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) می شود.

چه عوامل دیگری موجب ایجاد کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) می شود؟

همانطور که گفته شد عواملی مانند رسوب کربن، وجود پلیسه فلزی در محفظه احتراق، افزایش دمای قطعاتی مانند سوپاپ، وجود لبه های تیز در محفظه احتراق و همچنین پائین بودن اکتان بنزین از عواملی هستند که می تواند موجب بروز پدیده کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) شوند. نصب شمع غیر استاندارد و غیر اصلی، وجود روغن سوزی در موتور و مستهلک بودن موتور نیز از دیگر عواملی می باشند که می توانند موجب بروز کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) گردد.

علاوه بر این، رانندگی با دنده مُرده(در خودروهای مجهز به گیربکس دستی) و همچنین رانندگی هنگامیکه خودرو تازه روشن شده و موتور هنوز گرم نشده است، نیز می تواند موجب بروز کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) در موتور شود.

کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) چه آسیبی به موتور می رساند؟

هر احتراقی که ایجاد می شود، یک جبهه شعله تولید می کند که موج حاصل از آن، دارای قدرت و توان بسیار بالائی است، برخورد متوالی و مداوم تعداد زیادی از همین امواج، موجب حرکت پیستون و چرخش میل لنگ می گردد. وقتی بطور هم زمان چندین احتراق در یک سیلندر ایجاد شوند، برخورد امواج حاصل از آنها با یکدیگر، ایجاد یک موج ضربه ای می کنند که از برآیند نیروهای حاصل از امواج بوجود آمده است، این موج آنقدر قدرتمند است که می تواند موجب افزایش ناگهانی و شدید دما شود، این همان پدیده کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) می باشد، دمای حاصل تا حدی است که می تواند باعث ذوب شدن الکترودهای شمع یا تاج پیستون شود.

کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) در دورهای پائین کمتر اتفاق می افتد زیرا مقدار مخلوط سوخت و هوای موجود در سیلندر کم است و به همین دلیل آسیب کمتری نیز به موتور می رساند، در دورهای پائین صدای حاصل از کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) به راحتی قابل شنیدن است. به ضربه های ایجاد شده که آسیب زیادی به موتور نمی رسانند، کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) غیر مخرب نیز گفته می شود.

باید دقت داشت که اگر راننده با دنده مُرده حرکت کند(در خودروهای مجهز به گیربکس دستی)، احتمال بروز کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) باز هم افزایش می یابد و آسیب وارد شده به موتور زیاد خواهد بود.

در دورهای بالای موتور، صدای حاصل از کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) قابل شنیدن نمی باشد زیرا در دورهای بالا، صدای موتور زیاد است و صدای حاصل از کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) در میان صدای موتور گم می شود و قابل شنیدن نیست. کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) هائی که در دورهای بالا ایجاد می شود می تواند به مدت طولانی ادامه داشته باشد و آسیب های جدی به موتور وارد نماید، به کوبش، ضربه و یا ناک (Knock) های ایجاد شده در دورهای بالا، کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) مخرب نیز گفته می شود.

صدایی که در هنگام بروز کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) ایجاد می شود، چگونه بوجود می آید؟

همانطور که عنوان شد کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) در اثر ایجاد همزمان دو و یا چندین احتراق در داخل اتاقک احتراق ایجاد می شود که در اثر عواملی مانند وجود رسوب کربن، پلیسه فلزی و یا لبه های تیز در محفظه احتراق، بالا بودن دمای بعضی قطعات موتور مانند سوپاپ خروجی در محفظه احتراق و یا پائین بودن اکتان سوخت ایجاد می شود. هر یک از احتراق هائی که به دلایل مختلف و از مکان های مختلف در داخل محفظه احتراق، ایجاد می شوند، تولید موج های مختلفی می کنند، وقتی این امواج با یکدیگر برخورد می کنند، موج ضربه ای ایجاد می شود که تولید صدا می کند، به عبارت دیگر صدای ایجاد شده، حاصل از بروز موج ضربه ای می باشد که در اثر برخورد امواج حاصل از چند احتراق بوجود می آید.

استراتژی موتور در برطرف کردن کوبش، ضربه و یا ناک(Knock)  چگونه است؟

برای جلوگیری از بروز کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) و آسیب به قطعات موتور، یک سنسور طراحی شده و بر روی بلوک سیلندر، در محلی بین سیلندر دو و سه نصب می گردد.

این سنسور که نام آن سنسور ضربه(Knock Sensor) می باشد، از یک مقاومت متغیر یا پیزو الکتریک ساخته شده است، اجزا داخلی این سنسور در صورت بروز هرگونه کوبش، ضربه و یا ناک(Knock)، دچار تغییر میزان مقاومت می شوند. سنسور ضربه لحظه به لحظه وضعیت بلوک سیلندر را به لحاظ کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) به کامپیوتر موتور اعلام می کند. کامپیوتر موتور هر وقت که تشخیص دهد میزان کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) در بلوک سیلندر غیرعادی است و افزایش یافته است، به سرعت واکنش نشان می دهد، قطعی مدار سنسور ضربه تا کامپیوتر موتور و عدم پیوستگی آن موجب می شود تا چراغ اخطار وجود ایراد در موتور(چراغ Check) بر روی صفحه نمایشگرها(Instrument Panel) روشن شود. خرابی سنسور ضربه و عدم ارسال اطلاعات صحیح نیز ممکن است موجب روشن شدن چراغ مذکور گردد، سنسور ضربه آنقدر حساس، ظریف و دقیق است که پیچی که جهت بستن آن بر روی موتور می شود، می بایست حتما توسط ابزار تورک متر(Torque Meter) محکم شود، در غیر اینصورت ممکن است اطلاعات ارسال شده توسط سنسور ضربه به کامپیوتر موتور، تحت تاثیر قرار گرفته و موجب اختلال در ارسال اطلاعات صحیح به کامپیوتر موتور شود.

در خودرو تندر واکنش کامپیوتر موتور به ایجاد کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) که در دورهای پائین موتور اتفاق می افتد(ضربه غیر مخرب)، بدین صورت است که کامپیوتر موتور توسط سنسور ضربه، از میزان کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) مطلع می شود، همچنین سیلندری که ضربه در آن اتفاق افتاده است را توسط سنسور دور موتور(سنسور TDC) تشخیص می دهد و سریعا میزان آوانس جرقه را برای سیلندری که ضربه در آن بوجود آمده است، به میزان پنج درجه کاهش می دهد، این کار پس از دو دور چرخش میل لنگ انجام می شود یعنی از زمان تشخیص ضربه تا کاهش میزان آوانس جرقه، پیستون تنها چهار بار به نقطه مرگ بالا رسیده و باز می گردد و میل لنگ تنها دو دور می چرخد که نشان می دهد استراتژی تصحیح در حداقل دور موتور انجام می گیرد تا آسیبی به موتور وارد نشود. بعد از اینکه آوانس جرقه پنج درجه کاهش پیدا کرد و ایجاد ضربه متوقف شد، آوانس جرقه بصورت تدریجی و پس از هشت دور میل لنگ(شانزده TDC)، به وضعیت عادی برمی گردد.

حال اگر ضربه در دور موتور بالا اتفاق بیفتد و از نوع مخرب باشد، علاوه بر اینکه آوانس جرقه در سیلندری که دچار ضربه شده است، پنج درجه کاهش می یابد، آوانس جرقه برای سیلندرهای دیگر که دچار کوبش و یا ضربه نشده اند نیز به میزان یک درجه کاهش می یابد و بعد از اینکه میل لنگ هشت دور چرخید و یا پیستون شانزده بار به نقطه مرگ بالا(TDC) رسید و بازگشت، میزان آوانس جرقه برای سیلندرهائیکه دچار ضربه نشده اند، به وضعیت عادی برمی گردد ولی بازگشت آوانس جرقه به وضعیت عادی برای سیلندری که دچار ضربه یا کوبش شده است، بعد از ده دقیقه انجام می شود.

با توجه به آنچه گفته شد، کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) یکی از پدیده هائی است که می تواند به موتور آسیب های جدی برساند و هزینه های زیادی را به صاحب خودرو تحمیل کند. برای رفع این مشکل، در همه خودروهای جدید سنسور ضربه تعبیه شده است و با تغییری که کامپیوتر موتور در میزان آوانس جرقه در سیلندرها ایجاد می کند، باعث از بین رفتن کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) می شود ولی راننده نیز می بایست تا جائیکه امکان دارد در جلوگیری از بروز این پدیده تلاش نماید، بعضی از پیشگیری ها از عهده راننده خارج است ولی ایشان می تواند با رعایت بعضی موارد دیگر، در جلوگیری از ایجاد کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) پیش گیری های لازم را انجام دهد که می توان به عدم استفاده از شمع غیر استاندارد و غیر اصلی، عدم استفاده از سوخت با اکتان پائین و عدم رانندگی با دنده مُرده اشاره نمود.

راننده به محض مشاهده روشن شدن چراغ اخطار وجود ایراد در موتور(چراغ Check)، می بایست به تعمیرگاه مجاز مراجعه نماید زیرا ممکن است علت روشن شدن چراغ مذکور، قطعی مدار سنسور ضربه و یا خرابی آن باشد، روغن سوزی یکی دیگر از عواملی است که می تواند موجب بروز کوبش، ضربه و یا ناک(Knock) در موتور شود لذا به محض مشاهده و یا تشخیص روغن سوزی در موتور، راننده می بایست جهت انجام تعمیرات لازم و رفع مشکل، به تعمیرگاه مجاز مراجعه نماید. انجام تعمیرات غیراستاندارد از جمله کف تراشی سرسیلندر می تواند موجب تغییر در ضریب تراکم و  ایجاد ضربه در موتور شود لذا به هیچ عنوان اقدام به انجام تعمیرات غیر استاندارد ننمائید. سرد بودن موتور از دیگر مواردی است که می تواند موجب بروز ضربه در آن شود لذا می بایست تا زمانیکه موتور به اندازه کافی گرم نشده، از حرکت کردن با آن خصوصا با دور بالا، پرهیز نمود.

What is the knocking in the engine of the car?

Writer: Alireza Keramatian/ Renault IRAN Technical Hub and Network Manager