Detonantno sagorevanje: metalno kliktanje koje može uništiti motor

Kod savremenih turbobenzinaca važno je sprečiti opasne detonacije, podešavanjem ugla paljenja i količine ubrizganog goriva, a ključan je senzor detonacija, koji radi na principu dotorskog stetoskopa

Ako ste naglim dodavanjem gasa, pri nižim opterećenjima i visokim opterećenjima izazvali metalni zveket motora benzinskog (Ottovog) motora, budite sigurni da ga niste usrećili. Čuli ste udarce klipova i karika o zidove cilindara, koji su posledica detonacija, odnosno detonantnih sagorevanja. Reč je o prevremenom, nepravilnom i eksplozivnom sagorevanju, koje nastaje lokalno ispred brzoširećeg sloja plamena te izaziva drastične, brze promene pritiska  sagorevanja. Taj dinamički pritisak stvara sile i udare koji ‘napadaju’ najzagriejanije delove, posebno ugrožene, jer im visoke temperature smanjuju tvrdoću i čvrstoću.

Paljenje benzinskih motora osiguravaju svećice. Pri završetku drugog takta (kompresije) sabijena smesa goriva i vazduha pali se iskrom, koja preskače između elektroda. Ponekad pre preskakanja iskre dolazi do samozapaljenja smese, odnosno do nekontrolisane eksplozije. Još je opasnije ako dođe do detonacija  nakon tačke paljenja, što može poprimiti ekstremne, razmere. Tada se naglo oslobađa velika količina toplote, a brzina sagorevanja raste na više od 500 m/s, desetak puta više od normalnog.

Nastaje veliko lokalno zagrevanje cilindara, klipova i ventila, koje može prouzrokovati trajna oštećenja. Dovoljno je nekoliko minuta takvog rada, da se odlomi deo klipa i ventila, probije čelo klipa, pukne klipnjača, zdrobi ležaj, ošteti kolenasto vratilo…, uništi motor. Dakle, to nije nimalo bezazleno. Detonacije često nastaju kod male brzine vrtnje i velikog opterećenja (primerice, kad u drugom stepenu krenemo strmom serpentinom). Dobro je što ih tada čujemo te možemo reagovati – smanjiti gas i uključiti niži stepen prenosa.

Senzor detonacija ugrađuje se u gornji deo bloka motora, funkcioniše kao doktorski stetoskop , a izveden je kao širokopojasni senzor vibracija, koje se kroz blok motora šire brzinom zvuka.

Opasnije su detonacije pri visokim okretajima, koje ne čujemo zbog buke motora i guma te šuma vetra. Tada ne možemo reagovati i u kratkom vremenu može nastati veliko zlo. Kako bi ga sprečili, na blok motora, sa strane usisa, ugrađuje se senzor detonantnog sagorevanja (senzor kliktanja ili lupanja). Maleni sklop, koji izgledom podsjeća na doktorski stetoskop, precizno registruje prve naznake detonacija u cilindrima. Dojavljuje ih u središnju upravljačku jedinicu, koja hitro menja radne parametre motora. No, krenimo redom…

Na detonantno sagorevanje najviše utiče stepen kompresije, oktanska vrednost goriva i opterećenje motora. S povećanjem stepena kompresije povećava se efikasnost i ekonomičnost motora. Snaga mu raste, a potrošnja pada. Zbog toga savremeni benzinci imaju stepen kompresije i veći od 11. Opterećenje, a i iskoristivost termodinamičkog postupka povećava prednabijanje turbopunjačem, koji kod savremenih benzinaca sve više postaje obveza.

Oktanska vrednost benzina, odnosno oktanski broj, određuje otpornost na detonantno sagorevanje. Veća oktanska vrednost znači i veću otpornost. Kod određenog stepena kompresije i goriva doći će pre do detonantnog sagorevanja ako je veće opterećenje motora, viša temperatura usisne smeše, veći ugao pretpaljenja, manji broj obrtaja, viša temperatura rashladne tečnosti, bogatija smeša (više goriva), manji sadržaj vlage u vazduhu i povećan sadržaj gareži u motoru.

Na pojavu detonacija utiče nehomogenost smeše. Užareni produkti sagorevanja šire se veoma brzo, stvarajući val pritiska brzine zvuka, pa se  neizgorela smeša zagreva dvostruko – toplinom sagorevanjem i rastom pritiska.

To potiče stvaranje izvora (jednog ili više) naglog, eksplozivnog sagorevanja, na mestima najviše temperature (blizu izduvnih ventila i nakupina gareži). Naglo povišenje prtiska i temperatura najopasnije je za aluminijske klipove, jer imaju znatno niže temperaturu topljenja od čelika (655 do 710°C) i manju čvrstoću na povišenim temperaturama. Problem povećava otežano hlađenje klipova, jer im se toplina odvodi samo preko prstena i mlazom ulja s donje strane.

Budući da brzinu obrtanja i opterećenje motora bira vozač, a temperature usisne smeše i rashladne tečnosti te nakupljanje gareži zavise od  uslova vožnje, na detonantno sagorevanje može se uticati s dva preostala parametra: podešavanjem ugla paljenja i količine goriva u smeši. Kod pojave detonantnog sagorevanja trenutak paljenja se, pomiče prema ranijim ili kasnijim vremenima, mereno po uglu na kolenastom vratilu. U drastičnim slučajevima smanjuje se i količina ubrizganog goriva.

Za prepoznavanje opasne pojave služe ‘senzori lupanja’, koji rade poput zvučnih mikrofona. Zvučni talasi izazivaju vibracije keramičkog prstena, koji je promenjivim strujnim kontaktom povezan s priključkom. Napon na priključku direktno zavisi od frekvenciji i amplitudi vibracija, stvorenih talasom pritiska  eksplozivnog izgaranja. Kod četverocilindarskih motora u pravilu se postavlja jedan senzor na ivicu bloka, a kod višecilindarskih dva.

Podešavanje detonantnog sagorevanja omogućava povećanje stepena kompresije, poboljšanje performansi i smanjenje potrošnje, čak i s benzinom niže oktanske vrednosti, uz blago smanjenje snage, ali bez opasnosti oštećenja vitalnih delova.

Tako radi senzor detonacija

– senzor detonantnog sagorevanja  vijkom je pričvršćen na usisnu stranu bloka motora

– funkcioniše kao stetoskop doktora, a izveden je kao širokopojasni senzor vibracija, koje se kroz blok motora šire brzinom zvuka

– u njegovom jezgru je piezo-kristal, koji vibracije pretvara u električne impulse

– šalju se u središnju upravljačku jedinicu, koja određuje i potom menja radne parametre motora, prvenstveno smanjuje uga pretpaljenja