سنسور ناک (Knock Sensor) چیست و چگونه کار می‌کند؟

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

با پیشرفت تکنولوژی در تولید و ساخت موتورهای مدرن امروزی و وضع قوانین سخت‌گیرانه در خصوص کاهش میزان مصرف سوخت و تولید گازهای آلاینده و گلخانه‌ای و از طرفی دیگر رقابت بسیار سخت و فشرده مابین شرکت‌های خودروسازی، ساخت موتورها باقدرت و گشتاور بالا در دستور کار کلیه طراحان و تولیدکنندگان موتور قرار گرفته است به‌طوری‌که هرچند وقت یک‌بار، یک شرکت خودروساز از ارائه یک موتور توسعه‌یافته با شاخص‌های بالاتر خبر می‌دهد. این شاخص‌ها هرچند ممکن است به‌صورت جزئی افزایش یافته باشد ولی به‌هرحال یک دستاورد و پیشرفت محسوب می‌شود.

در مجله رنو ایران، مقاله‌ای تحت عنوان " نسل جدید موتورهای بنزینی رنو دارای چه خصوصیاتی هستند! " وجود دارد، بامطالعه آن می‌توانید با بعضی خصوصیات موتورهای امروزی آشنا شوید.

طراحی، تولید و توسعه موتورهای مدرن با تکنولوژی‌های جدید خالی از چالش نمی‌باشد و پیامدهای زیادی را به دنبال دارد. یکی از مهم‌ترین مشکلاتی که در این راستا وجود دارد، بحث پدیده ناک (Knock) است که عوامل زیادی در ایجاد آن دخیل هستند. در مجله رنو ایران مقاله‌ای نوشته شده است که عنوان آن " کوبش، ضربه و یا ناک (Knock)  موتور چیست؟ " است، پیشنهاد می‌شود ابتدا آن را مطالعه فرمایید و سپس به خواندن این مقاله ادامه دهید.

برای جلوگیری از آسیب دیدن موتور خودرو در مقابل پدیده کوبش، ضربه و یا ناک (Knock)، یک و یا دو حسگر و در بعضی خودروها تعداد بیشتری با عنوان سنسور ناک (Knock Sensor) بر روی بلوک سیلندر نصب می‌شود.

در تصویر زیر یک موتور مشاهده می‌نماید که مجهز به دو سنسور ناک است. لازم به ذکر است که علت نصب دو ناک سنسور بر روی بلوک سیلندر یک موتور، صرفاً به‌خاطر زیاد بودن تعداد سیلندرها و یا بزرگ‌بودن طول و یا ابعاد بلوک نمی‌باشد بلکه بر روی بعضی موتورهای جدید که دارای حجم کم هستند نیز دو سنسور ناک نصب شده است تا بلوک سیلندر به لحاظ پدیده ناک بادقت بیشتری رصد شود و نظارت بیشتری بر روی آن انجام گیرد. به‌عنوان‌مثال موتور نصب شده بر روی خودروهای کپچر جدید که تحت نام HJB شناخته می‌شوند و حجم آنها 1300cc است، دارای دو سنسور ناک است.

ساختار و نحوه عملکرد سنسور ناک

جنس سنسور ناک از پیزوالکتریک است. مواد پیزوالکتریک شامل انتقال جریان الکتریکی در پاسخ به تشخیص تغییر فشار یا ارتعاش به آنها هستند، به عبارت ساده وقتی یک ماده از جنس پیزوالکتریک تحت‌فشار قرار گیرد و یا به آن ضربه‌ای وارد شود، جریان الکتریسیته تولید می‌کنند. از سنسور ناک برای تشخیص فرکانس‌هایی که در اثر ضربات و کوبش‌هایی حاصل از احتراق در موتور ایجاد می‌شود، استفاده می‌گردد. شکل زیر ساختار اصلی یک سنسور ضربه‌ای را نشان می‌دهد.

همان‌طور که در شکل نشان‌داده‌شده است، سنسور ضربه‌ از دسته مواد پیزوکریستال (پیزوالکتریک) تشکیل شده است، همچنین در آن یک مقاومت شنت وجود دارد. سنسور به‌وسیله یک رزوه که در انتهای آن قرار دارد بر روی بلوک سیلندر نصب می‌گردد.

وقتی احتراق در موتور انجام می‌شود، ضرباتی از طریق بلوک سیلندر به حلقه‌های سیلیکونی متصل به کریستال‌های پیزوالکتریک که در سنسور قرار دارند، وارد می‌شود. به عبارت دیگر، لرزش‌های حاصل از احتراق به شکل تنش‌های مکانیکی به حلقه‌های سیلیکونی وارد می‌گردد، به دنبال آن حلقه سیلیکونی شتاب می‌گیرد و حسگر ضربه را مجبور می‌کند تا در اثر موج فشاری که از طریق بلوک سیلندر ایجاد شده است، یک ولتاژ الکتریکی ایجاد کند. ولتاژ تولید شده توسط سیم، به کامپیوتر موتور ارسال می‌شود. یک سیگنال ولتاژ معمولی تولید شده توسط سنسور ضربه، می‌تواند بین 300 تا 500 میلی‌ولت باشد. نکته مهم این است که ولتاژ تولید شده به‌شدت ضربه در حین احتراق بستگی دارد.

لازم به ذکر است که انواع مختلف دیگری از سنسور ضربه وجود دارند که می‌توان از آنها برای تشخیص ضربه در حین احتراق استفاده نمود ولی در این مقاله فقط در خصوص سنسورهای پیزوالکتریک صحبت می‌شود.

در اثر احتراق، همواره لرزش‌ها و ضرباتی با شدت‌های متفاوتی ایجاد می‌شود ولی تنها طیف خاصی از این ضربات و لرزش‌ها هستند که به موتور آسیب می‌رسانند. به تصویر زیر دقت فرمایید، این نمودار از مقاله‌ای که تحت عنوان " سنسور دور موتور چیست و چگونه کار می‌کند؟ " و در مجله رنو ایران وجود دارد، قرار داده شده است.

همان‌طور که گفته شد لرزش و ضربه در اثر هرگونه احتراقی ایجاد می‌شود که فقط طیفی از آنها موجب آسیب رسیدن به موتور می‌گردد و لرزش‌ها و ضربات ضعیف‌تر هیچ‌گونه مشکلی برای موتور ایجاد نمی‌کنند. در تصویر فوق، نمودار یک احتراق نرمال و مناسب با رنگ سیاه، ناک معمولی (Conventional Knock) و یا غیرمُخرب با رنگ سبز و ناک بسیار قوی (Super Knock) و یا مُخرب، با رنگ قرمز مشخص شده است.

ازآنجاکه هر ضربه حاصل از احتراق موجب تولید ولتاژ در سنسور ناک می‌شود و این ولتاژ به کامپیوتر موتور ارسال می‌گردد لذا کامپیوتر موتور همواره در حال تجزیه‌وتحلیل و آنالیز میزان ولتاژ دریافت شده و همچنین مقایسه و سنجش آنها با اطلاعات ارسال شده از سنسورهای دیگر و در نهایت تفسیر آنها و تشخیص نوع ناک (غیرمُخرب و یا ناک بسیار قوی) است و بعد از آن عکس‌العمل‌های لازم را نشان می‌دهد.

ایجاد پدیده ناک و واردشدن ضربه به موتور می‌تواند به دلایل مختلفی از جمله داغ‌شدن بیش از حد موتور، کیفیت پایین سوخت، وجود رسوب و پلیسه در اتاقک احتراق، رانندگی با دنده مُرده و موارد دیگر باشد.

با پدیده ناک در موتور نمی‌توان مقابله کرد، به طور مثال امکان ندارد که جنس بلوک سیلندر، پیستون‌ها و سیلندرها را تغییر داد و میزان مقاومت و سختی آنها را افزایش داد بلکه می‌بایست از ایجاد ناک جلوگیری نمود و این کار لازم است که در حداقل زمان انجام گیرد تا قطعات موتور آسیب نبینند. به همین دلیل از سنسور ناک در موتور استفاده شده است. به عبارت دیگر هدف از به‌کارگیری سنسور ضربه در موتور خودرو، کاهش قدرت احتراق است که منجر به جلوگیری از آسیب به موتور می‌گردد.

ضربه، کوبش و یا همان ناک (knock) از احتراق خودبه‌خود گازهای انتهائی جلوتر از شعلۀ در حال انتشار، ایجاد می‌گردد. تصویر زیر چگونگی فشار (Pressure)، نوسان فشار  (Pressure oscillation)، نرخ انتشار گرما (Heat Release Rate) و یا HRR و دمای گاز نسوخته (Temperature) را بر اساس زاویه چرخش میل‌لنگ در یک ناک غیرمخرب (معمولی) را نمایش می‌دهد.

Combustion parameters of engine knock cycle

فرایند احتراقی که با ناک همراه است، دارای دو مرحله است: مرحله اول شامل انتشار شعله ناشی از احتراقی که توسط جرقه شمع ایجاد شده است و مرحله دوم مربوط می‌شود به اشتعال خودبه‌خود مخلوط هوا و ماده سوختنی که به دلیل متراکم شدن و افزایش دمای بیش از اندازه که در اثر موج احتراق مرحله اول به وجود آمده، ایجاد می‌گردد.

در شکل فوق، فشار داخل محفظه احتراق با منحنی مشکی رنگ، نوسان فشار به‌وسیله منحنی صورتی‌رنگ، دمای گازهای نسوخته (مخلوط هوا و بخار بنزین) با منحنی آبی‌رنگ و نرخ انتشار حرارت (HRR/ Heat Release Rate) با منحنی قرمز رنگ مشخص شده است و خط افقی زاویه چرخش میل‌لنگ بر حسب درجه را نمایش می دهد.

مرحله انتشار شعله از اشتعالی که توسط جرقه شمع ایجاد می‌شود، شروع می‌گردد، اگر شرایط مهیا باشد، پدیده ناک به وجود می‌آید، در این زمان میل‌لنگ به میزان گردش کرده است و مقدار فشار به  می رسد.

تا زمانی که ناک ایجاد نشده است، آنچه اتفاق می‌افتد، تحت کنترل است ولی به‌محض ایجاد ناک، بعضی شاخص‌ها از کنترل خارج می‌شوند و فشار داخل محفظه احتراق از آنچه که طراحی شده است، بیشتر می‌شود (در تصویر با  مشخص شده است) که مطلوب نیست و بعد از ایجاد پدیده ناک، همان‌طور که در نمودار نمایش داده شده است، تحت کنترل نبوده و به‌صورت نامنظم کاهش می‌یابد. به منحنی نوسان فشار دقت نمائید، تا قبل از پدیده ناک، ثابت و تحت کنترل است ولی پس از ایجاد ناک، به‌شدت دچار افت‌وخیز می‌شود.

همان‌طور که عنوان شد، افزایش دمای گاز نسوخته ناشی از اثر گرمایش فشرده شدن گاز سوخته و شعله در حال انتشار و همچنین فشرده‌سازی و انبساط به دلیل حرکت پیستون است. هنگامی که اشتعال خودکار ایجاد می‌شود، موج فشار می‌تواند به محفظه احتراق انتشار یابد و از دیواره‌ها (سطوح داخلی محفظه احتراق، سطح پیستون و دیواره داخلی سیلندر) به عقب و جلو منعکس شود و باعث نوسانات فشار شود.

نرخ انتشار حرارت (HRR/ Heat Release Rate)، دمای گاز نسوخته (T مربوط به گازهای نسوخته)، افزایش فشار حداکثری () و شدت ضربه، چهار پارامتر مهمی هستند که رفتار ضربه را مشخص می‌کنند.

در بالا تصویری نمایش داده شده است که با روش خاصی از فرایند ایجاد خودسوزی گرفته شده است. شمع در سمت راست، پائین قرار دارد و جرقه زده شده است و موج حاصل از احتراق به سمت چپ در حال گسترش است. مخلوط سوخت و هوای محترق نشده، توسط گازهای محترق شده، به‌شدت فشرده شده‌اند و شرایط برای پدیده ناک، مهیا شده و در چهار نقطه خودسوزی به وقوع پیوسته است. در نمودار پائین سمت راست، فشار حاصل از پدیده ناک نمایش داده شده است.

تصاویر فوق نیز به روش خاصی تصویربرداری شده و عدم یکنواختی و همچنین آشفتگی، پریشانی و اغتشاش شدید در هنگام ایجاد ناک را نشان می‌دهد.

اشکال فوق نیز به روش خاصی تصویربرداری شده است، قسمت بالا از سمت چپ به راست نمایش‌دهنده مراحل یک احتراق را نمایش می‌دهد که در آن ناک ایجاد نشده است و تصاویر قسمت پائین نیز از چپ به راست، احتراقی را نشان می‌دهند که همراه با ناک بوده است، به اختلافی که در آشفتگی و عدم یکنواختی بین این دودسته تصویر وجود دارند، دقت نماید. از مقایسه نمودارهای مربوط به احتراق بدون پدیده ناک و احتراقی که با ناک همراه بوده است، می‌توان متوجه شد که در حالتی که ناک وجود ندارد، فشار کمتر است (50kPa) ولی در هنگامی‌که احتراق با ناک همراه بوده است، هم فشار بیشتری ایجاد شده است و هم موج حاصل از احتراق زودتر به پیستون برخورد کرده است. در حالتی که ناک اتفاق نیفتاده است، فشار به‌صورت خطی کاهش یافته است ولی در زمانی که ناک ایجاد شده است، نوسان فشار نیز به وقوع پیوسته است.

در بالا مراحل احتراقی که در آن خودسوزی ایجاد شده و منجر به پدیده ناک می‌شود را نمایش می‌دهد، به زمان‌هایی که در بالای هر تصویر ثبت شده است، دقت نماید.

تصاویر فوق از A تا J مراحل یک احتراق از شروع جرقه، ایجاد ناک و کامل‌شدن فرایند را نمایش می‌دهد. به عدم یکنواختی، اغتشاش، آشفتگی و پریشانی که در این فرایند به وقوع پیوسته است، توجه فرمایید.

تصاویر بالا نیز که به‌وسیله دستگاه‌ها و روش‌های خاص انجام‌گرفته است، فشارهای حاصل شده در یک احتراق که با ناک همراه بوده است را در زمان‌های مختلف از ایجاد جرقه در شمع تا ایجاد ناک و تا پایان نمایش می‌دهد.

شکل بالا نیز فشار داخل سیلندر را در مراحل مختلف یک فرایند احتراق که همراه با ناک است را به تصویر کشیده است.

ازآنجاکه عمل کاهش احتراق در موتور می‌بایست در زمان بسیار کوتاهی انجام شود لذا کاهش میزان پاشش بنزین نمی‌تواند راه‌حل مناسبی برای این کار باشد زیرا کم‌کردن میزان پاشش زمان‌بر است. کامپیوتر موتور به‌محض اینکه به‌وسیله سنسور ناک موفق به تشخیص ناک گردید و به کمک اطلاعات ارسال شده توسط سنسور دور موتور، توانست پی ببرد که در کدام سیلندر و یا کدام سیلندرها ناک اتفاق افتاده است، در کسری از ثانیه اقدام به کاهش میزان آوانس جرقه در آن سیلندر و یا سیلندرها خواهد نمود. کاهش آوانس جرقه موجب می‌شود تا قدرت احتراق کاهش یابد و به موتور آسیب وارد نشود.

شکل فوق نمودار فشار حاصل از احتراق بر حسب میزان آوانس جرقه را نمایش می‌دهد. محور عمودی نشان دهنده میزان فشار حاصل از احتراق است و محور افقی، آوانس جرقه را بر حسب درجه نسبت به نقطه مرگ بالای پیستون (TDC) نمایش می‌دهد. آوانس جرقه به میزان 40 درجه، بدین معنی است که وقتی یک سیلندر در مرحله تراکم قرار دارد، قبل از اینکه میل‌لنگ به میزان 40 درجه مانده تا به نقطه مرگ بالا برسد، شمع جرقه زده است و احتراق ایجاد شده است و موج حاصل از آن به سمت پیستون که همچنان در حال حرکت به سمت بالا است، در حال حرکت است، این بدین معنی است که موج حاصل از احتراق همچنان به سمت پائین و پیستون به سمت بالا در حال حرکت است. پیستون به واسطه سرعت بسیار بالا به نقطه مرگ بالا می‌رسد و جهت حرکت آن به سمت پائین تغییر می‌کند، این در حالی است که موج حاصل از احتراق که از شمع آغاز شده است همچنان به سمت پائین در حال حرکت است و هنوز به پیستون نرسیده است. وقتی میل‌لنگ در حدود 10 درجه از نقطه مرگ بالا گردش نمود، موج حاصل از احتراق به پیستون برخورد می‌کند و گشتاور تولید می‌گردد. نمودار بنفش‌رنگ در شکل فوق نمایش‌دهنده این فرایند است.

عامل اصلی خودسوزی، فشار موج حاصل از احتراق است که مخلوط سوخت و هوا را که در مقابل خود قرار دارد، بیشتر متراکم می‌کند و این وضعیت، یعنی حالتی که مخلوط سوخت و هوائی که هنوز محترق نشده‌اند ولی موج حاصل از احتراق، آنها را بیشتر متراکم کرده است، مستعد برای خودسوزی می‌شوند و چنانچه کیفیت بنزین پائین باشد و یا یک پلیسه کوچک و یا رسوب کربن در مجاورت مخلوط سوخت و هوا که هنوز محترق نشده‌اند، قرار داشته باشد و یا دمای هوای ورودی به موتور بیش از حد استاندارد باشد، خودسوزی ایجاد می‌شودپ

در شکل زیر، موج حاصل از احتراق به رنگ قرمز نمایش داده شده است و مخلوط سوخت و هوا که هنوز محترق نشده است، به‌وسیله رنگ آبی و علائم مشکی رنگ به شکل بعلاوه، متمایز شده‌اند. موج حاصل از احتراق به مخلوط سوخت و هوا که هنوز متراکم نشده‌اند، فشار می‌آورد لذا این ناحیه مستعد برای خودسوزی می‌شود.

برخورد موج حاصل از احتراق به‌وسیله شمع و موج حاصل از احتراق در اثر خودسوزی باعث می‌شود تا حرارت و نیروی عظیمی تولید شده و به قطعات موتور از جمله پیستون، سیلندر، شاتون و رینگ‌ها آسیب شدیدی برسد. نمونه‌ای از صدمات وارد شده به قطعات موتور در تصاویر زیر نمایش داده شده است.

حال چنانچه آوانس جرقه کم شود، جرقه در اتاقک احتراق دیرتر رخ می‌دهد و همان فرایندی که در بالا عنوان شد، انجام می‌شود و به واسطه اینکه مخلوط هوا و بنزین دیرتر محترق شده‌اند، موج حاصل از احتراقی که توسط شمع ایجاد شده است، دارای انرژی کمتری است و در هنگام حرکت به سمت پیستون، مخلوط سوخت و هوا را که در مقابل خود قرار دارد، کمتر متراکم می‌نماید، بدین ترتیب احتمال خودسوزی در مخلوط سوخت و هوا که هنوز محترق نشده‌اند، کمتر می‌شود.

شاید در ذهن شما، سؤالی مطرح شود که چرا تا این اندازه سعی می‌کنند تا آوانس جرقه زیاد باشد، اگر اندکی آوانس جرقه کمتر باشد، قاعدتاً خبری از ناک نخواهد بود و نیازی هم به سنسور ناک احساس نخواهد شد.

در پاسخ لازم است گفته شود که بیشترین توان و گشتاور، کمترین میزان مصرف سوخت و حداقل تولید گازهای آلاینده و گلخانه‌ای، زمانی تولید خواهد شد که مخلوط سوخت و هوا تا حدامکان متراکم شوند و احتراق در آن زمان، توسط شمع شروع شود لذا کلیه طراحان و مهندسین سعی می‌کنند که ضریب تراکم و الگوریتم‌های کامپیوتر موتور و کلیه شاخص‌های دیگر در وضعیتی باشند که متراکم شدن مخلوط سوخت و هوا تا جایی انجام شود که شرایط در آستانه تولید پدیده ناک قرار گیرد ولی ناک ایجاد نشود.

نتیجه گیری:

سنسور ناک که بر روی بلوک سیلندر موتور خودرو نصب می شود، یکی از مهم ترین قطعات موتور خودروهای بنزینی است که وظیفه مهمی در جلوگیری از آسیب رسیدن به قطعات موتور خودرو بر عهده دارد. بعضی از عواملی که سبب ایجاد پدیده ناک می شوند عبارتند از: داغ‌شدن بیش از حد موتور، کیفیت پایین سوخت، وجود رسوب و پلیسه در اتاقک احتراق و رانندگی با دنده مُرده. کامپیوتر موتور با استفاده از اطلاعات ارسالی از سنسور ناک، سنسور دور موتور و دیگر حسگرها، میزان ناک (کوبش، ضربه) به موتور و همچنین سیلندر و یا سیلندرهائی را که ناک در آنها ایجاد شده را تشخیص داده و با کاهش آوانس جرقه در آن سیلندر و یا سیلندرها، از آسیب دیدن به قطعات موتور جلوگیری می کند. 

دو نوع ناک وجود دارد: ناک غیرمخرب (Conventional Knock) و ناک مخرب (Super Knock). میزان آسیبی که ناک غیرمخرب به قطعات موتور خودرو می رساند، ناچیز است ولی آسیبی که قطعات موتور بواسطه ناک مخرب می بینند، بسیار شدید است. نرخ انتشار حرارت (HRR)، دمای گازهای نسوخته، افزایش فشار حداکثری و شدت ضربه، چهار پارامتر مهمی هستند که در غیرمخرب و یا مخرب بودن ناک (کوبش، ضربه) موثر می باشند.

انجام سرویس و بازدیدهای دوره ای مربوط به سیستم موتور خودرو (مانند تعویض روغن موتور، فیلتر روغن، فیلتر هوا) و استفاده از قطعات اصلی در نمایندگی های مجاز، بررسی و عیب یابی خودرو بوسیله دستگاه عیب یاب استاندارد، توسط کارشناس آموزش دیده و با تجربه، تعویض قطعات مصرفی مربوط به موتور (مانند شمع ها، کیت کامل تسمه تایم، کیت کامل تسمه دینام، مایع خنک کننده موتور) مطابق جدول زمانی و میزان پیمایش خودرو (مطابق آنچه که در دفترچه راهنمای مشتری توصیه شده است)، استفاده از سوخت مناسب و عدم حرکت با دنده مُرده، می تواند از ایجاد پدیده ناک و جلوگیری از آسیب به قطعات موتور، جلوگیری نماید.

What is a Knock Sensor and how does it work?

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