خبط المحرك

رسم متحرك يوضح ظاهرة طرق المحرك.

تُعرف ظاهرة خبط المحرك^{(ملاحظة 1)} (أو القرقعة، أو الانفجار الضمني، أو النقر) في محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بالشرارة، بأنها الحالة التي لا يتم احتراق الخليط بالكامل عبر المسار الطبيعي، أي الانتقال التدريجي للهب الذي يبدأ من شمعة الاحتراق وينتشر بانتظام ، بل نتيجة انفجار جيب أو أكثر من الخليط خارج نطاق جبهة الاحتراق الطبيعية. ومن المفترض تقنياً أن يتم إشعال شحنة الوقود والهواء بواسطة شمعة الاحتراق حصراً، وفي لحظة زمنية دقيقة أثناء شوط المكبس؛ إلا أن الخبط يحدث عندما لا تبلغ عملية الاحتراق ذروتها في الوقت المثالي للدورة الرباعية الأشواط. وتؤدي موجة الصدمة الناتجة عن ذلك إلى إحداث صوت معدني مميز يشبه "الرنين"، مع ارتفاع هائل ومفاجئ في الضغط داخل الأسطوانة. تتراوح آثار هذه الظاهرة ما بين أضرار طفيفة إلى تدمير كامل للمحرك.

يجب التمييز بدقة بين خبط المحرك وظاهرة الإشعال المسبق، فهما حدثان منفصلان تماماً من الناحية الميكانيكية، وإن كان الإشعال المسبق قد يؤدي في بعض الأحيان إلى حدوث الخبط لاحقاً.

وُصفت ظاهرة الانفجار الضمني تاريخياً في نوفمبر 1914، عبر رسالة من "إخوة لودج" (وهم مصنعو شموع احتراق وأبناء السير أوليفر لودج) حسمت نقاشاً حول أسباب "الخبط" أو "الرنين" في الدراجات النارية. وذكروا في رسالتهم أن الإشعال المبكر قد يؤدي إلى انفجار الغاز بدلاً من تمدده المعتاد، وأن الصوت الناتج عن هذا الانفجار يشبه صوت الطرق على الأجزاء المعدنية بمطرقة. ولاحقاً، أجرى العالم "هاري ريكاردو" أبحاث وتجارب مكثفة بين عامي 1916 و1919 للتحقق من هذه الظاهرة، وذلك لاكتشاف أسباب تعطل محركات الطائرات في ذلك الوقت.

الاحتراق الطبيعي

تحدث عملية الاحتراق الطبيعي في محركات الاحتراق الداخلي، تحت ظروف التشغيل العادية، من خلال حرق خليط الهواء والوقود داخل الأسطوانة بأسلوب منظم ومتحكم فيه تماماً. يبدأ هذا الاحتراق بواسطة شمعة الاحتراق قبل وصول المكبس إلى "النقطة الميتة العليا" بنحو 10 إلى 40 درجة من دوران عمود المرفق، ويعتمد هذا التوقيت على عوامل عديدة تشمل سرعة المحرك والحمل الواقع عليه. ويسمح هذا التقديم في زمن الإشعال لعملية الاحتراق بتطوير أقصى ضغط ممكن في الوقت المثالي، مما يضمن استخلاص أكبر قدر من الشغل الميكانيكي الناتج عن تمدد الغازات.

تبدأ الشرارة المنبعثة من أقطاب الشمعة بتكوين نواة صغيرة من اللهب تقارب حجم فجوة الشمعة، ومع نمو هذه النواة، يزداد نتاجها الحراري، مما يسمح لها بالنمو بمعدل متسارع والانتشار بسرعة في غرفة الاحتراق. يعود هذا النمو إلى انتقال "جبهة اللهب" عبر خليط الوقود والهواء القابل للاشتعال، وإلى ظاهرة تُعرف بـ "عدم استقرار رايلي-تايلور" (الناتجة عن تمدد غازات الاحتراق الساخنة ومنخفضة الكثافة داخل خليط الوقود والهواء البارد والكثيف نسبياً)؛ حيث تعمل هذه الظاهرة على تمديد منطقة الاحتراق وتحويلها إلى مجموعة معقدة من "أصابع" الغاز المشتعل التي تمتلك مساحة سطح أكبر بكثير من مجرد كرة لهب بسيطة، وتزداد هذه العملية سرعةً بفعل الاضطرابات الموجودة مسبقاً في الخليط.

في الاحتراق الطبيعي، تتحرك جبهة اللهب عبر كامل الخليط بمعدل ثابت يميز ذلك الخليط تحديداً، فيرتفع الضغط بسلاسة حتى يصل إلى ذروته مع استهلاك كامل الوقود المتاح تقريباً، ثم يبدأ الضغط في الانخفاض مع نزول المكبس. ويتم الوصول إلى أقصى ضغط داخل الأسطوانة بعد تجاوز المكبس للنقطة الميتة العليا ببضع درجات من دوران المرفق؛ لضمان أن القوة المسلطة على سطح المكبس تعطي أقوى دفع ممكن في اللحظة التي تتوافق فيها سرعة المكبس مع أفضل ميزة ميكانيكية لعمود المرفق، مما يحقق أقصى قدر من العزم المنقول.

الاحتراق غير الطبيعي

عندما يتعرض خليط الوقود والهواء غير المحترق الموجود خارج نطاق لهب الخليط المتجانس لمزيج من الحرارة والضغط لفترة زمنية معينة (تتجاوز فترة التأخير الخاصة بالوقود المستخدم)، قد يحدث انفجار صاعق. ويتميز هذا الانفجار باشتعال انفجاري فوري تقريباً لجيب واحد على الأقل من خليط الهواء والوقود بعيداً عن لهب الخليط المتجانس الأساسي، مما يتسبب في تولد موجة صدمة موضعية حول كل جيب، وارتفاع حاد ومفاجئ في ضغط الأسطوانة قد يتجاوز حدودها التصميمية، مما يؤدي إلى وقوع أضرار جسيمة. (ومن الناحية العلمية، يُعد الانفجار الصاعق أكثر كفاءة من الاحتراق السريع، ولكن يتم تجنبه عادةً بسبب آثاره التدميرية على مكونات المحرك).

إذا سُمح باستمرار هذا الانفجار تحت ظروف قاسية أو عبر دورات عديدة للمحرك، فقد تتعرض الأجزاء الميكانيكية للتلف أو الدمار الكامل. وتتمثل أبسط الآثار الضارة في تآكل الأجزاء الدقيقة الناتج عن الخبط المتوسط؛ حيث تنتشر الجزيئات الناتجة في نظام زيت المحرك، مما يسبب تآكلاً كاشطاً لأجزاء أخرى قبل أن يتم احتجازها في مرشح الزيت. ويعطي هذا التآكل مظهراً يشبه التآكل الكيميائي أو الخدش أو مظهر "السطح المرشوش بالرمل"، وهو ما يشبه الضرر الناتج عن التكهف الهيدروليكي.

أما الخبط الشديد، فيمكن أن يؤدي إلى فشل كارثي يتمثل في انصهار ثقوب في المكبس أو رأس الأسطوانة (أي اختراق غرفة الاحتراق)؛ مما يؤدي إلى فقدان الضغط في الأسطوانة المتضررة ودخول شظايا معدنية كبيرة ووقود ونواتج احتراق إلى نظام الزيت. ومن المعروف أن المكابس المصنوعة من سبائك الألومنيوم عالية السيليكون، لذا تكون عرضة للكسر بسهولة نتيجة موجات الصدمة هذه.

يمكن منع حدوث الانفجار الصاعق من خلال اتباع واحدة أو أكثر من التقنيات التالية:

• تأخير توقيت الإشعال لضمان عدم وصول الضغط إلى ذروته في وقت مبكر جداً.
• استخدام وقود ذي رقم أوكتان مرتفع والذي يؤدي إلى زيادة درجة حرارة التفاعل الذاتي للوقود وتقليل نزعته للانفجار التلقائي.
• زيادة غنى خليط الهواء والوقود مما يؤدي إلى تغيير التفاعلات الكيميائية أثناء الاحتراق، وخفض درجة حرارة اللهب، وبالتالي توفير هامش أمان أكبر ضد الانفجار.
• تقليل الضغط الأقصى داخل الأسطوانة.
• خفض ضغط مجمع السحب عن طريق تقليل فتحة الصمام الخانق أو خفض ضغط الشحن التوربيني.
• تخفيف الحمل الواقع على المحرك.
• إضافة مواد مانعة للخبط إلى الوقود في رفع رقم الأوكتان الفعلي وتعزيز مقاومة المحرك للانفجار الضمني.

ونظراً للارتباط الوثيق بين الضغط ودرجة الحرارة، يمكن أيضاً تخفيف الخبط من خلال السيطرة على درجات الحرارة القصوى داخل غرفة الاحتراق. ويتحقق ذلك عبر خفض نسبة الانضغاط، أو استخدام تقنية إعادة تدوير غاز العادم، والمعايرة الدقيقة لجدول توقيت الإشعال في المحرك. كما يلعب التصميم الهندسي المحكم لغرف الاحتراق ونظام التبريد، بالإضافة إلى التحكم في درجة حرارة الهواء الداخل للمحرك، دوراً جوهرياً في منع هذه الظاهرة.

طالع أيضاً

• مانع خبط

هوامش

ملاحظة 1 تسمى الظاهرة أيضاً قرقعة أو دق أو طرق.