Klepání motoru ( anglicky engine knock ) vzniká při rychlém (výbušném) spalování směsi paliva a vzduchu ve válci spalovacího motoru . Uchem je to vnímáno jako kovové „zvonění“ nebo klepání. Toto je nežádoucí režim provozu motoru, protože ve válci dochází ke zvýšenému tlaku a přehřívání a konstrukční prvky válce jsou vystaveny zvýšenému zatížení, pro které nejsou navrženy, klesá výkon motoru a zvyšují se emise škodlivých látek. Při vystavení intenzivní síle tato zatížení rychle vedou k poškození válců a selhání motoru.
Klepání v motoru se někdy nazývá detonace nebo detonační spalování směsi, ale tento název neodráží fyziku jevu. Spalování směsi ve válci motoru jak při zapálení jiskrou, tak při předčasném samovznícení směsi v horkých místech zpravidla není doprovázeno tvorbou detonačních vln . V souladu s amplitudou tlakových vln, které vznikají ve válci při rychlém spalování směsi, se rozlišuje režim normálního spalování (bez klepání) a režim, ve kterém dochází ke klepání. Druhý režim se zase dělí na konvenční klepání (angl. konvenční klepání ) různé intenzity a detonační klepání (angl. super-knock nebo deto-knock ) podle špičkových hodnot tlaku [1] . Klepání je zvláště nežádoucí, protože tlak vznikající při klepání spalovací vlny může okamžitě zničit válec.
Výskyt klepání je spojen s účinky abnormálního spalování směsi ve válci: samovznícení směsi před jejím zapálením jiskrou nebo zapálením blízko stěny horkými konstrukčními prvky nebo cizími částicemi ve válci [2] . Pravděpodobnost klepání se zvyšuje s rostoucím kompresním poměrem a zatížením motoru a také s poklesem oktanového čísla paliva. K zamezení klepání se používají elektronické systémy řízení zapalování a do paliva se přidávají antidetonační přísady jako MMA ( monomethylanilin ) nebo MTBE ( methyl terciární butylether ), v minulosti se pro tyto účely hojně používalo tetraetylolovo .
Při stlačení pístem se směs vzduchu a paliva výrazně zahřeje ( adiabatická komprese ), což zajišťuje její snadné zapálení elektrickým výbojem na zapalovací svíčce . Při normální povaze spalování ve válci se čelo zapalování šíří v náplni směsi vzduch-palivo v důsledku tepelné konvekce : čerstvé vrstvy směsi vzduchu a paliva se vznítí v důsledku zahřívání reakčním čelem, navíc spalování proces je iniciován volnými radikály - reakčními produkty v čele zážehu. Jedná se o relativně pomalý proces, takže stabilní spalovací čelo stacionární směsi se nešíří rychleji než 0,2–0,3 m/s, tedy podzvukovou rychlostí.
V běžícím motoru není směs stacionární, pohybuje se velmi rychle a turbulentně při rychlostech, které jsou řádově stejné jako rychlosti přidružených částí (pístů nebo jejich analogů). Fronta spalování se tedy ve skutečnosti šíří od svíčky k periferii rychlostí řádově několik až desítek metrů za sekundu (podzvuková rychlost). V tomto případě se přirozeně zvyšuje teplota a tlak ve spalovací komoře , ale rostou rovnoměrně v celém objemu.
Při detonaci počátek šíření čela spalování také zvyšuje teplotu a tlak ve spalovací komoře, ale tento skok způsobí vznícení směsi vzduch-palivo již ne tepelnou vodivostí z čela plamene, ale teplotou a tlakem. samotný skok (rázová vlna), který se pohybuje nadzvukovou rychlostí (vzhledem k rychlosti zvuku ve vzduchu, ve válci, vznícení rychlostí zvuku ve stlačeném a ohřátém plynu spalovací komory), takže vzrůst tlaku nemá čas se rovnoměrně rozprostřít po celém objemu, ale soustředí se v zóně čela rázové vlny, kde dosahuje velmi velkých hodnot, které tuto vlnu dále podporují. Rychlost čela rázové vlny se pohybuje v řádu stovek a tisíců metrů za sekundu. Tento jev je podobný výbuchu blízkému výbuchu . Tato rázová vlna narážející na stěny vytváří v kovu velmi velké lokální zatížení, charakteristický kovový zvuk a při delším působení může způsobit vážné poškození motoru.
K detonačnímu spalování dochází, pokud se z nějakého důvodu nadměrně zvýší rychlost čela spalování, které se začne samovolně zrychlovat a rychle dosahuje nadzvukové rychlosti. Takovými důvody mohou být nadměrné zahřívání směsi vzduch-palivo (z různých důvodů), stejně jako vlastnosti paliva (jak počáteční, tak vzniklé během provozního cyklu), které snižují jeho zápalnou teplotu (například v důsledku hromadění organických látek). peroxidy v nespálené části palivových směsí). K detonačnímu hoření dochází, když k zapálení stačí pouze čelo komprese vycházející ze zážehové oblasti (lze to nazvat tlakový skok šířící se od místa iniciace směsi).
V praxi jsou faktory vedoucí k detonaci: příliš brzké načasování zážehu (tlak a teplota jsou příliš vysoké); přehřívání motoru, nedostatečná detonační odolnost motorového paliva; snížení detonačního odporu směsi vzduch-palivo se značným vniknutím motorového oleje do spalovací komory; nadměrné usazeniny sazí, které mohou zvýšit kompresní poměr .
Odolnost paliv proti detonaci zvyšují antidetonační látky (například methyl - terc -butylether - který je povolený nebo tetraetylolovo, které je zakázáno pro automobily, a další přísady).
Pro detekci klepání ve spalovacím motoru jsou na bloku válců umístěny speciální snímače klepání ( anglicky knock sensor ) . Roli snímače klepání často hraje piezoelektrický prvek, kterým je ve skutečnosti akustický mikrofon. Silné vibrace, které vznikají při detonaci, se přenášejí přes stěnu bloku válců na snímač a čím silnější jsou vibrace, tím větší je amplituda generovaného elektrického signálu. Signál ze snímače zpracovává elektronická řídicí jednotka motoru (ECU) u motorů se systémem vstřikování paliva . Pokud je detekováno klepání, ECU sníží časování zapalování (IG) na bezpečnější hodnotu.
Elektronická řídicí jednotka volí optimální UOS na základě oktanového čísla paliva, zatížení motoru a pozorovaných podmínek klepání, což umožňuje nejúplnější spalování směsi paliva se vzduchem ve válcích a zvýšení výkonu.
Detonace by neměla být zaměňována s jiným poněkud podobným procesem zvaným zážehové zapálení . Na rozdíl od detonace, ke které dochází při přechodném chodu motoru při akceleraci, dochází k doutnavému zážehu, když motor neustále běží v režimu blízkém plnému výkonu. Jeho příznaky jsou poněkud podobné – klepání v motoru, náhlé propady trakce při zatížení. Jeho povaha je však odlišná a spočívá v samovznícení paliva bez účasti jiskry při kontaktu s tepelným kuželem izolátoru zapalovací svíčky zahřátým na teplotu 850 ... V tomto případě nedochází k detonačnímu hoření, ale dochází pouze k posunu okamžiku zážehu pracovní směsi, přibližně jako by bylo nesprávně nastaveno časování zážehu, a také k narušení charakteru šíření čela plamene v spalovací komora navržená konstruktéry (vzhledem k tomu, že se zapaluje v jiném místě) . V limitu to může vést k poškození motoru - roztavení svíčky, přehřátí pístu, vyhoření výfukových ventilů, ale obecně doutnavka není tak destruktivní jako detonace. Předběžné zapalování je eliminováno instalací "studenějších" zapalovacích svíček (s vysokým žhavicím číslem, krátkým tepelným kuželem a dobrým odvodem tepla).
Detonaci nelze zaměňovat s občasným jevem samovolného chodu motoru s nestabilními otáčkami po vypnutí zapalování u karburátorových motorů (samozápal paliva, „vznětování“). Jeho podstatou je samovznícení směsi vzduch-palivo přiváděné do válce, ke kterému dochází při nízké frekvenci otáčení klikového hřídele, pokračující po vypnutí zapalování setrvačností. Při takto nízkých otáčkách klikového hřídele, a tedy i rychlosti pístu, mají benzínové páry ve válci někdy dostatek času, aby se na konci kompresního zdvihu samovolně vznítily. Jejich záblesk tlačí píst, který následně otočí klikovým hřídelem o několik dalších otáček. Po zpomalení jeho otáčení je možné proces opakovat, v důsledku čehož existuje iluze, že motor pokračuje v práci, ačkoli ve skutečnosti je zapalování vypnuto a frekvence otáčení klikového hřídele je mnohem nižší než při volnoběhu a kromě toho není konstantní, protože záblesky ve válcích (nebo dokonce v jednom jediném válci) se vyskytují nepravidelně. Tento jev se vyskytuje zejména u nového nebo nedávno opravovaného motoru s dobrou kompresí, případně u motoru, jehož kompresní poměr se z technologických důvodů mírně liší od pasového výše (je v horní hranici technologické tolerance). Tento jev nemá nic společného s detonací nebo doutnavým zážehem a na rozdíl od nich je pro motor prakticky neškodný, ačkoliv řidiče znepokojuje. Nejradikálnějším způsobem, jak se s tím vypořádat, je vypnout přívod paliva po vypnutí zapalování kvůli ventilu v palivovém potrubí.
Heywood JB Základy spalovacího motoru. - McGraw-Hill, 1988. - 930 s. - ISBN 978-0070286375 .
Wang Zhi, Liu Hui, Reitz R.D. Klepání spalování v zážehových motorech // Pokrok ve vědě o energii a spalování. - 2017. - Sv. 61. - S. 78-112. — ISSN 0360-1285 . - doi : 10.1016/j.pecs.2017.03.004 .