Knackning i motorn ( engelska engine knock ) uppstår vid snabb (explosiv) förbränning av bränsle-luftblandningen i cylindern på en förbränningsmotor . På gehör uppfattas det som en metallisk "ringning" eller knackning. Detta är ett oönskat driftsätt för motorn, eftersom ökat tryck och överhettning uppstår i cylindern, och cylinderns strukturella delar upplever ökade belastningar som de inte är konstruerade för, motoreffekten minskar och utsläppen av skadliga ämnen ökar. När de utsätts för intensiv kraft leder dessa belastningar snabbt till cylinderskador och motorhaveri.
Att knacka på en motor kallas ibland detonation eller detonationsförbränning av blandningen, men detta namn återspeglar inte fenomenets fysik. Förbränningen av blandningen i motorcylindern, både när den antänds av en gnista och under för tidig självantändning av blandningen i heta ställen, åtföljs som regel inte av bildandet av detonationsvågor . I enlighet med amplituden av tryckvågorna som uppstår i cylindern under den snabba förbränningen av blandningen, skiljer man mellan det normala förbränningsläget (utan knackning) och det läge i vilket knackningen sker. Det senare läget är i sin tur uppdelat i konventionell knackning (eng. konventionell knackning ) med varierande intensitet och detonationsknack (eng. super-knack eller deto-knack ) enligt topptrycksvärden [1] . Knackning är särskilt oönskad eftersom trycket som genereras i den knackande förbränningsvågen omedelbart kan förstöra cylindern.
Förekomsten av knackning är förknippad med effekterna av onormal förbränning av blandningen i cylindern: självantändning av blandningen innan den antänds av en gnista eller nära väggen antändning av heta strukturella element eller främmande partiklar i cylindern [2] . Sannolikheten för knackning ökar med ökande kompressionsförhållande och motorbelastning, såväl som med en minskning av bränslets oktantal. Elektroniska tändningskontrollsystem används för att förhindra knackning, och tillsatser mot knackning som MMA ( monometylanilin ) eller MTBE ( metyltertiär butyleter ) tillsätts bränslet, tidigare användes tetraetylbly i stor utsträckning för dessa ändamål .
När den komprimeras av en kolv värms luft-bränsleblandningen upp avsevärt ( adiabatisk kompression ), vilket säkerställer att den lätt antänds av en elektrisk urladdning på ett tändstift . Med den normala karaktären av förbränning i cylindern fortplantar sig tändfronten i laddningen av luft-bränsleblandningen på grund av termisk konvektion : nya lager av luft-bränsleblandningen antänds på grund av uppvärmning av reaktionsfronten, dessutom förbränningen processen initieras av fria radikaler - reaktionsprodukter i antändningsfronten. Detta är en relativt långsam process, så den stadiga förbränningsfronten av en stationär blandning fortplantar sig inte snabbare än 0,2–0,3 m/sek, det vill säga vid subsonisk hastighet.
I en motor igång är blandningen inte stationär, den rör sig mycket snabbt och turbulent med hastigheter som är av samma storleksordning som hastigheterna för de associerade delarna (kolvar eller deras analoger). Därför fortplantar sig förbränningsfronten faktiskt från ljuset till periferin med en hastighet av storleksordningen några till tiotals meter per sekund (subsonisk hastighet). I detta fall ökar naturligtvis temperaturen och trycket i förbränningskammaren , men de ökar jämnt över hela volymen.
Under detonationen ökar också temperaturen och trycket i förbränningsfronten i början av utbredningen av förbränningsfronten, men detta hopp orsakar antändning av luft-bränsleblandningen inte längre av värmeledningsförmåga från flamfronten, utan från temperaturen och trycket hoppa själv (chockvåg), som rör sig med överljudshastighet (relativt ljudhastigheten i luften, i cylindern, tändning sker med ljudets hastighet i förbränningskammarens komprimerade och uppvärmda gas), så trycket ökar hinner inte spridas jämnt över hela volymen, utan är koncentrerad till stötvågsfrontens zon, där den når mycket stora värden som stödjer denna våg ytterligare. Hastigheten på stötvågsfronten är i storleksordningen hundratals och tusentals meter per sekund. Fenomenet liknar en explosion nära en explosion . Denna stötvåg, som träffar väggarna, skapar mycket stora lokala belastningar i metallen, ett karakteristiskt metalliskt ljud och kan med långvarig verkan orsaka allvarliga skador på motorn.
Detonationsförbränning uppstår om förbränningsfrontens hastighet av någon anledning ökar för mycket, vilket börjar självaccelerera och snabbt når överljudshastigheter. Sådana skäl kan vara överdriven uppvärmning av luft-bränsleblandningen (av olika skäl), såväl som egenskaper hos bränslet (både initialt och bildat under driftscykeln) som sänker dess antändningstemperatur (till exempel på grund av ackumulering av organiskt material). peroxider i den oförbrända delen av bränsleblandningarna). Detonationsförbränning uppstår när endast kompressionsfronten som kommer från det antända området är tillräcklig för antändning (det kan kallas ett tryckhopp som fortplantar sig från startpunkten för blandningen).
I praktiken är de faktorer som leder till detonation: för tidig antändningstid (tryck och temperatur är för höga); motor överhettning, otillräcklig detonationsmotstånd hos motorbränsle; minskning av detonationsmotståndet hos luft-bränsleblandningen med ett betydande inträngande av motorolja i förbränningskammaren; alltför stora avlagringar av sot, vilket kan öka kompressionsförhållandet .
Bränslens motståndskraft mot detonation ökas av anti-knackningsmedel (till exempel metyl - tert -butyleter - som är tillåten att använda, eller tetraetylbly, som är förbjudet för bilar, och andra tillsatser).
För att upptäcka knackningar i en förbränningsmotor är speciella knackningssensorer ( engelsk knacksensor ) placerade på cylinderblocket . Ofta spelas knacksensorns roll av ett piezoelektriskt element, som i själva verket är en akustisk mikrofon. Starka vibrationer som uppstår under detonation överförs genom cylinderblockets vägg till sensorn, och ju starkare vibration, desto större amplitud av den genererade elektriska signalen. Signalen från sensorn bearbetas av motorns elektroniska styrenhet (ECU) på motorer med bränsleinsprutningssystem . Om knackning upptäcks, minskar ECU :n tändningstiden (IG) till ett säkrare värde.
Den elektroniska styrenheten väljer den optimala UOS baserat på bränslets oktantal, motorbelastningen och de observerade knackningsförhållandena, vilket möjliggör den mest kompletta förbränningen av bränsle-luftblandningen i cylindrarna och en ökning av effekten.
Detonation bör inte förväxlas med en annan något liknande process som kallas glödtändning . Till skillnad från detonation, som inträffar under övergående motordrift under acceleration, uppstår glödtändning när motorn konstant går i ett läge nära full effekt. Dess symtom är något liknande - knackning i motorn, plötsliga fall i dragkraft under belastning. Dess natur är dock annorlunda och består i spontan självantändning av bränslet utan deltagande av en gnista vid kontakt med den termiska konen hos tändstiftsisolatorn uppvärmd till en temperatur av 850 ... I det här fallet inträffar ingen detonationsförbränning, utan endast en förskjutning i arbetsblandningens antändningsögonblick inträffar, ungefär som om tändningstiden var felaktigt inställd, liksom en kränkning av karaktären av flamfrontens utbredning i förbränningskammare som tillhandahålls av konstruktörerna (på grund av att den antänds vid en annan punkt) . I gränsen kan detta leda till motorskador - smältning av ljuset, överhettning av kolven, utbrändhet av avgasventilerna, men i allmänhet är glödtändning inte lika destruktiv som detonation. Förtändning elimineras genom att installera "kallare" tändstift (med högt glödtal, kort termisk kon och bra värmeavledning).
Detonation bör inte förväxlas med det ibland förekommande fenomenet på förgasarmotorer med spontan drift av motorn med instabil hastighet efter att tändningen stängts av (bränslesjälvantändning, "dieseling"). Dess kärna är självantändning av luft-bränsleblandningen som tillförs cylindern, vilket inträffar när vevaxeln roterar med en låg frekvens, fortsätter efter att tändningen stängts av av tröghet. Vid en så låg vevaxelhastighet och följaktligen kolvens hastighet, har bensinånga i cylindern ibland tillräckligt med tid för att spontant antändas i slutet av kompressionsslaget. Deras blixt trycker på kolven, som i sin tur vrider vevaxeln ytterligare några varv. Efter att ha saktat ner sin rotation är det möjligt att upprepa processen, som ett resultat av vilket det finns en illusion av att motorn fortsätter att fungera, även om tändningen faktiskt är avstängd och vevaxelns rotationsfrekvens är mycket lägre än vid tomgång, och dessutom är den inte konstant, eftersom blinkningarna i cylindrarna (eller till och med en enda cylinder) inträffar oregelbundet. Detta fenomen är särskilt troligt att inträffa på en ny eller nyligen reparerad motor med bra kompression, eller på en motor vars kompressionsförhållande, av tekniska skäl, skiljer sig något från passet och uppåt (det är i den övre gränsen för den tekniska toleransen). Detta fenomen har ingenting att göra med detonation eller glödtändning och är, till skillnad från dem, praktiskt taget ofarligt för motorn, även om det orsakar oro för föraren. Det mest radikala sättet att hantera det är att stänga av bränsletillförseln efter att ha stängt av tändningen på grund av ventilen i bränsleledningen.
Heywood JB Grundläggande förbränningsmotor. - McGraw-Hill, 1988. - 930 sid. - ISBN 978-0070286375 .
Wang Zhi, Liu Hui, Reitz R.D. Knackande förbränning i gnisttändningsmotorer // Progress in Energy and Combustion Science. - 2017. - Vol. 61. - S. 78-112. — ISSN 0360-1285 . - doi : 10.1016/j.pecs.2017.03.004 .