ناک زدن موتور ماشین چیست؟ دلایل و روش رفع آن

در سال‌های اخیر با ورود خودروهای مدرن‌تر چینی و وارداتی بین‌المللی به کشور، واژه ناک زدن بیشتر و بیشتر به گوش می‌خورد. واژه‌ای که از آن به عنوان یک فاکتور منفی و عامل خطرناک در پیشرانه یاد می‌شود و بعضا نگرانی بسیاری از مالکان این خودروهای جدید را به دنبال دارد.

اما ناک زدن موتور ماشین چیست؟ چرا ایجاد می‌شود؟ علائم پیدایش آن چیست و چه تاثیری بر عملکرد پیشرانه و قطعات درونی آن دارد؟ مهم تر از همه این‌ها، چگونه می‌توان از بروز پدیده ناک جلوگیری کرد؟

ناک و ناک زدن چیست و چرا این نام را دارد؟

در ادبیات انگلیسی، کلمه Knock در ساختار فعل به معنای در زدن و در ساختار اسم به معنای ضربه یا صدایی است که هنگام ضربه زدن ایجاد می‌شود. در نتیجه Knocking Sound معنایی برابر با «صدای تق تق» در ادبیات پارسی دارد.

دلیل انتخاب این واژه (ناک) برای خطاب کردن پدیده Knocking در صنعت خودروسازی نیز از صدای تق تق ایجاد شده بر اثر این پدیده بوده است. بنابراین نام پدیده ناک از صدایی که ایجاد می‌کند، الهام گرفته شده است.

مفهوم احتراق سالم

پیش از آن‌که بتوانیم در خصوص پدیده مخرب ناک زدن موتور ماشین، دلایل پیدایش، تاثیرات و راه حل آن صحبت کنیم، بسیار حیاتی است که اول با مفهوم ابتدایی احتراق سالم در داخل پیشرانه‌های احتراق داخلی پیستونی آشنا شویم.

احتراق سالم به انفجار صحیح، پیوسته و پیش‌رونده مخلوط سوخت و هوای مناسب در داخل محفظه سیلندر گفته می‌شود. این انفجار از مخلوط کاملا مناسب متشکل از مقدار معینی از سوخت و هوا حاصل می‌شود که در زمانی کاملا کنترل‌شده و مطلوب به کمک جرقه شمع منفجر می‌شود.

ترکیب مناسب سوخت با هوا یا همان نسبت هوا به سوخت (AFR) به صورت استاندارد برابر با ۱۴.۷:۱ (۱۴.۷ قسمت هوا به ۱ قسمت بنزین) است. اما توجه داشته باشید که AFR مورد نیاز پیشرانه در سناریو‌های مختلف با یکدیگر تفاوت داشته و بر حسب نیاز پیشرانه ممکن است غلیظ‌تر یا رقیق‌تر باشد.

زمان مناسب و دقیق اعمال جرقه در خودروسازی تحت عنوان اصطلاح ایگنیشن تایمینگ (Ignition Timing) شناخته می‌شود. ایگنیشن تایمینگ تعیین‌کننده زمان دقیق اعمال جرقه در شمع‌ها به منظور دستیابی به بالاترین بازده ممکن پیشرانه بر حسب سناریو لحظه‌ای است.

با داشتن AFR صحیح و زمان‌بندی جرقه کاملا کنترل‌شده، انفجار درون سیلندر یک احتراق سالم خواهد بود که به کمک جرقه شمع و از سر شمع آغاز شده و با انبساط بسیار شدید در فرایند سوختن، به سر پیستون می‌رسد. یک‌دست بودن، آغاز به موقع شعله و حرکت پیوسته و منظم آن از سر شمع تا تاج پیستون، دقیقا همان احتراق مناسبی است که برای دست‌یابی به بالاترین بازده به آن نیاز داریم.

تغییر در ماهیت احتراق

حالا که می‌دانیم احتراق سالم چیست، باید بدانیم که در صورت بروز تغییر در سلامت احتراق، چه کاری برای بهبود شرایط و بازگرداندن سلامت به احتراق درون سیلندر از دست ما برمی‌آید.

با توضیحات بیان شده، برای بهبود سلامت و بازده احتراق داخل سیلندر، ۲ کار متمایز به صورت دائمی و پیوسته در داخل پیشرانه در حال انجام است. اول تغییر در تناسب AFR و دوم تغییر در زمان اعمال جرقه.

زمانی که کامپیوتر پیشرانه تصمیم به تغییر در AFR بگیرد، یا میزان بنزین ورودی را افزایش می‌دهد یا کاهش. زمانی که بنزین ورودی به پیشرانه افزایش یابد، AFR غلیظ‌تر شده و به آن ترکیب Rich AFR یا نسبت غلیظ (با بنزین بیشتر) گفته می‌شود. اگر از حجم بنزین ورودی به پیشرانه کاسته شود، این ترکیب رقیق‌تر شده که به آن Lean AFR یا نسبت رقیق (با بنزین کمتر) گفته می‌شود.

تصویر 02: جدول AFR در ECU خودرو. سیستم زمان بندی احتراق نیز دارای جدولی مشابه است.

از روی دیگر گفتیم که زمان اعمال جرقه یک زمان ثابت و همیشگی نیست و با تغییر در رفتار پیشرانه یا در سناریو‌های مختلف رانندگی، این زمان نیز تغییر می‌کند. اگر جرقه زودتر از موعد مورد نیاز اعمال شود، به آن اَدونس شدن تایمینگ (Advanced Timing) و اگر جرقه دیرتر زده شود به آن ریتارد شدن تایمینگ (Retard Timing) گفته می‌شود.

با کنترل دو فاکتور AFR و زمان‌بندی جرقه (Timing) از سوی ECU، پیشرانه سعی می‌کند تا همواره در شرایط ایدئال کاری قرار گرفته و از احتراق سالم بهره بگیرد. حالا که فهمیدیم احتراق سالم چیست و نقش AFR و زمان بندی در دستیابی به احتراق سالم چقدر مهم است، بیایید بررسی کنیم که ناک چیست و چگونه ایجاد می‌شود.

تفاوت ناک و پیش احتراق

از زمان ورود مخلوط سوخت و هوا به پیشرانه تا پس از خروج دود از اگزوز، اتفاق‌های بسیار زیادی در درون سیلندر به وقوع می‌پیوندد. دو اتفاق بسیار بد که مهندسان، مالکان و رانندگان از آن فراری هستند وقوع پدیده پیش احتراق (Pre-Ignition) و پدیده ناک (Knock) با نام دیگر انفجار (Detonation) است. جالب است بدانید که در عین مشابه بودن این دو پدیده به یکدیگر، آن‌ها از یکدیگر جدا هستند و هر یک بر اثر دلایلی خاص به وجود می‌آیند.

پیش احتراق (Pre-Ignition)

پدیده‌ای است که عموم افراد جامعه و حتی مکانیک‌ها، کمتر در جریان آن قرار دارند و عموما نمی‌دانند که این پدیده با ناک تفاوت دارد. حتی در مواجهه با آن ممکن است از آن تحت عنوان ناک یاد کنند. مهم‌تر آن که پدیده پیش احتراق، خود یکی از اصلی‌ترین عواملی است که به بروز پدیده ناک و ناک زدن خودرو می‌انجامد.

پدیده پیش احتراق همان‌طور که از نامش پیدا است، به احتراق ناخواسته و زودهنگام مخلوط سوخت و هوا پیش از بروز جرقه کنترل‌شده شمع گفته می‌شود. این حالت زمانی اتفاق می‌افتد که یک بخش بیش از حد داغ (Hot Spot) در داخل سیلندر حظور داشته باشد که بتواند موجب احتراق زود هنگام مخلوط شود. این بخش داغ می‌تواند الکترود سر شمع، یک تکه از رسوب کربن (Carbon Deposite/دوده) یا قطرات ریز بخار روغن باشد که بر سر پیستون چسبیده و تحت فشار پیوسته رانندگی سرخ شده است.

پدیده پیش احتراق دارای یک احتراق ناهماهنگ و ناهمسان است که وقتی با احتراق مخلوط از سوی شمع همراه می‌شود، موجب برخورد دو موج انفجار به یکدیگر شده و با صدای دینگ با فرکانس پایین (صدای برخورد دو فلز محکم به یکدیگر) همراه می‌شود که بسیار شبیه به صدای ناک است. اگر پدیده پیش احتراق امتداد یابد می‌تواند به دلیل ایجاد حرارت بسیار زیاد، خیلی زود به ذوب و سوراخ شدن سر پیستون، ذوب شدن بخشی از دیواره پیستون، سوختن نشیمن سوپاپ (سیت سوپاپ) و بر هم خوردن آب‌بندی سوپاپ منجر شود که همگی آسیب‌هایی خطرناک و هزینه‌بردار خواهند بود.

ناک (Knocking)

تصویر 03: احتراق سالم (چپ) در مقایسه با انفجار همزمان ناک و احراق شمع در حالت ناک (راست).

پدیده ناک یا ناک زدن موتور ماشین زمانی محقق می‌شود که سوخت احتراق‌شده به صورت یکدست و یکپارچه از سر شمع تا سر پیستون منفجر نشود. در این حالت به محض احتراق ترکیب سوخت و هوا بر اثر جرقه در سر شمع، یک بخش دیگر از مخلوط در جایی دورتر درون محفظه احتراق نیز منفجر می‌شود. درست همانند پیش احتراق، برخورد موج انفجار حاصل از این دو یا چند احتراق همزمان اما ناپیوسته، با صدایی شبیه به صدای پیش احتراق همراه است.

نوع انفجارهای به‌وقوع پیوسته در هنگام بروز پدیده ناک به اندازه پیش احتراق داغ نیست، اما خلا شدید حاصل از انفجارهای ناک می‌تواند به جدا شدن تکه‌های ریز از متریال روی پیستون یا سرسیلندر آلومینیومی منجر شود که در درازمدت تضعیف ساختاری قطعات و ترک خوردن آن‌ها را در پی خواهد داشت. اثر ناک پیوسته به صورت سطوح ناهموار و فرورفتگی‌های ریز بر روی پیستون و سرسیلندر رویت می‌شود.

تفاوت ناک زدن با دامن پیستون

بسیاری از افراد صدای دامن پیستون (Piston Slap) را با پدیده ناک اشتباه می‌گیرند. اگرچه صدای ناک، پیش احتراق و دامن پیستون بسیار شبیه به یکدیگر است، اما صدای دامن پیستون بسیار واضح و بسیار بلندتر است و حتی از فاصله چند متری وسیله نقلیه به‌سادگی شنیده می‌شود. در حالی که صدای ناک یا پیش احتراق را نمی‌توان به سادگی متوجه شد.

صدای دامن پیستون زمانی شنیده می‌شود که دنده منتخب راننده بسیار سبک‌تر از دنده مورد نیاز باشد یا به اصطلاح فنی، دنده مرده باشد. در نتیجه با فشردن پدال گاز پیشرانه تلاش می‌کند تا گشتاور مورد نیاز برای به حرکت درآوردن خودرو در دنده نامناسب را تولید کند، اما سرعت دورانی چرخ‌ها (و متعلقات درونی پیشرانه که به چرخ متصل است) با میزان فشار وارده بر پدال گاز هماهنگ نیست. در نتیجه با بروز احتراق، پیستون نمی‌تواند به سمت پایین حرکت کند، بر اثر فشار احتراق اندکی در جای خود کج شده و دامن پیستون با دیواره سیلندر برخورد پیدا می‌کند و صدای تق تق می‌دهد.

دلایل ناک زدن موتور ماشین

پدیده ناک به هیچ عنوان یک اکتشاف جدید نیست. به عبارت بهتر، اولین بار پیش از آن که نام ناک برای این پدیده انتخاب شود، در سال ۱۹۱۴ میلادی مالکان شرکت شمع‌سازی لاج (Lodge Sparkplugs)، یعنی برادران لاج، در نگارش نامه‌ای به گمانه‌زنی در خصوص دلایل ایجاد صدای تق تق در پیشرانه موتورسیکلت‌های قرن بیستم پرداختند. آن‌ها در این نامه گفته بودند که احتراق زودتر از موقع می‌تواند موجب انفجار سوخت در زمان زودتر از مقرر شود. صدای تق تق نیز صدای حاصل از بروز همین انفجار بی‌موقع است.

این موضوع بین سال‌های ۱۹۱۶ تا ۱۹۱۹ از سوی مهندس، محقق صنعتی و طراح پیشرانه، هری رالف ریکاردو روی پیشرانه هواپیماها مورد بررسی و تایید قرار گرفت.

پس ناک زدن ماشین، پدیده جدیدی نیست. اما چرا در سال های اخیر موضوع ناک زدن خودرو مخصوصا در بازار ایران تا این اندازه داغ‌تر و رایج‌تر شده است؟ دلیل آن است که بروز پدیده ناک به چند عامل مهم بستگی دارد که در ادامه بررسی می‌کنیم.

ضریب تراکم بالا

پیشرانه‌های جدید کوچک امروزی، حجم کم خود را با افزایش تراکم محفظه احتراق جبران می‌کنند تا به احتراق قدرتمندتر دست یابند. تراکم بالاتر به معنای حرارت بیشتر و افزایش احتمال پدیده ناک است.

استفاده از سیستم پرخوران

پیشرانه‌های دارای سیستم پرخوران (توربوشارژر یا سوپرشارژر) به صورت ذاتی از ضریب تراکم پایین استفاده می‌کنند، اما وجود توربو به معنای افزایش راندمان نهایی احتراق و افزایش دمای محفظه احتراق است که می‌تواند احتمال ناک زدن موتور ماشین را بیشتر کند.

سوخت بی کیفیت

بنزین کم‌کیفیت تولیدی ایران به دلیل داشتن سطح اکتان بسیار پایین، در پیشرانه‌های تراکم بالای امروزی بسیار مستعد ایجاد پدیده پیش احتراق و ناک است.

سوخت رسانی تزریق مستقیم

سیستم سوخت‌رسانی نسبتا جدید GDI یا پاشش سوخت مستقیم، به دلیل ایجاد یک ترکیب سوخت و هوای یکدست تحت تراکم بالا، در ترکیب با کیفیت بسیار بد سوخت تولیدی کشور، شرایط مناسب برای ناک زدن خودرو را فراهم می‌کند.

حرارت زیاد پیشرانه

حرکت طولانی تحت فشار پیوسته با خودرو، دمای پیشرانه و قطعات داخلی آن را به شدت بالا می‌برد. افزایش حرارت داخل محفظه احتراق از اصلی‌ترین عوامل بروز پیش احتراق است که به ناک زدن ماشین منجر می‌شود.

“با مطالعه این دلایل و در کنار هم چیدن پازل، شاید ناگهان برایتان روشن شود که چرا در دهه اخیر، بروز پدیده ناک در خودروهای بازار ایران بسیار رایج‌تر شده و تقریبا همه مالکان خودروهای جدید از بروز این پدیده گلایه و ترس دارند. دلیل آن است که خودروهای وارداتی و تولید داخل بازار ایران در دهه گذشته، همگی دارای پیشرانه‌های تراکم بالا، مجهز به سیستم پرخوران و پاشش سوخت تزریق مستقیم هستند که به منظور کاهش هرچه بیشتر آلاینده‌ها برای کارکرد در دمای بالا ستاپ شده و از قضا تقریبا همه آن‌ها از بنزین معمولی بسیار بی‌کیفیت تولید داخل استفاده می‌کنند. در نتیجه بیشتر خودروهای امروزی بازار کشور تمامی شرایط مورد نیاز برای بروز پدیده پیش احتراق و ناک را در اختیار دارند. سوال این است که هم اکنون راه حل مناسب چیست؟”

روش های پیشگیری از ناک زدن موتور ماشین

روش‌های متعددی برای پیش‌گیری از بروز پدیده ناک زدن وجود دارد که برخی از آن‌ها مربوط به مهندسی و طراحی فنی پیشرانه و قطعات مربوط به آن است و برخی دیگر به عنوان راه‌کارهای پس از تولید خودرو توصیه می‌شوند. متاسفانه همه این راه‌کارها در ایران قابل اجرا نخواهند بود.

ناک سنسور

تقریبا تمام پیشرانه‌های انژکتوری که پس از دهه ۱۹۸۰ میلادی تولید شدند، به سنسور حساس به فرکانس تحت عنوان سنسور ناک (Knock Sensor) مجهز هستند. این سنسور فرکانس‌های حاصل از تلاقی انفجارهای مربوط به پیش احتراق و ناک را متوجه شده و به منظور کاهش فشار محفظه احتراق، زمان جرقه را ریتارد می‌کنند. اما ریتارد کردن زمان جرقه یک حد مشخص دارد. عبور از این حد می‌تواند با مشکلات متفاوتی همراه شود.

کاهش بوست

کاستن از بوست (فشار مثبت سیستم پرخوران) یکی دیگر از روش‌های پیش‌گیری از ناک زدن پیوسته است. کاستن از بوست به معنای کاستن از توان احتراق داخل سیلندر و کاهش دمای احتراق است که احتمال بروز پیش احتراق و ناک را کم می‌کند. بسیاری از خودروهای پیشرفته در صورت داغ شدن بیش از حد پیشرانه یا دریافت اخطارهای متوالی از سنسور ناک، به‌صورت اتوماتیک از بوست پرخوران کاسته و موجب افت موقت توان و گشتاور پیشرانه می‌شوند تا مالک ندانسته و ناخواسته باعث آسیب دیدن پیشرانه نشود.

کاستن از دمای پیشرانه

توجه پیوسته به دمای سیستم خنک‌کاری، تنظیم سنسور دما برای روشن شدن زودهنگام فن رادیاتور برای خنک نگه‌داشتن پیشرانه و عدم اعمال فشار بیش از حد بر پیشرانه مخصوصا در آب و هوای گرم، می‌تواند تا حد زیادی از بروز پدیده پیش احتراق و ناک زدن موتور ماشین جلوگیری کند.

استفاده از AFR غلیظتر

تغییر در جدول AFR کامپیوتر خودرو (ECU) برای افزایش مقدار سوخت ورودی به پیشرانه (غلیظ کردن یا Rich کردن مخلوط) می‌تواند از بروز ناک جلوگیری کند. دلیل آن است که بیشتر شدن سوخت ورودی ضمن خنک کردن محفظه احتراق باعث کاهش حساسیت مخلوط نسبت به دما و تراکم می‌شود و از بروز پیش احتراق جلوگیری می‌کند.

استفاده از ترکیبات سرب

تا پایان دهه ۱۹۶۰ میلادی، استفاده از مشتقات فلز سرب نظیر تتراتیل سرب (Tetraethyl Lead) به عنوان مکمل افزاینده اکتان برای جلوگیری از بروز ناک بسیار رایج بود. افزودن این ماده به بنزین از دهه ۱۹۲۰ میلادی تا ابتدای ۲۰۰۰ به تولید بنزین سرب‌دار انجامید. اما این نوع بنزین به دلیل تولید گازهای مسموم و بسیار خطرناک برای انسان و محیط زیست ممنوع اعلام شد تا بنزین بدون سرب (Unleaded Fuel) جایگزین آن شود.

تزریق آب یا الکل

تزریق آب به محفظه احتراق یکی از روش‌های خنک کردن محفظه احتراق و جلوگیری از بروز پیش احتراق و ناک زدن ماشین است. اما این روش تنها در خودروهای اسپرت نادر و تولید محدود به کار می‌رود و به دلیل افزایش پیچیدگی سیستم، هزینه تولید و فراموشی مالکان در پر کردن مخزن، در میان خودروهای تولید انبوه روزمره جایگاهی ندارد.

استفاده از مکمل بنزین مناسب

افزودن مکمل یا به اصطلاح عمومی اکتان به بنزین، می‌تواند تاثیر قابل توجهی بر بهبود رفتار بنزین بی‌کیفیت تولید داخل و در نتیجه کاهش احتمال بروز پدیده ناک داشته باشد. اما یافتن مکمل مناسب و اعتماد به آن نیز کار دشوار و هزینه‌برداری خواهد بود.

استفاده از بنزین باکیفیت

بهترین و منطقی‌ترین روش، به‌کارگیری بنزین با اکتان و کیفیت پالایش بسیار زیاد است. بنزینی‌های تولیدی داخل ایران، حتی نمونه سوپر آن به هیچ عنوان منطبق بر استانداردهای روز دنیا و سازگار با پیشرانه‌های مدرن امروزی نیستند.

نتیجه گیری

آیا با توجه به مسائل بیان شده می‌توانیم بگوییم که بروز پدیده ناک یک موضوع طبیعی و رایج است؟ رایج بله، اما طبیعی هرگز.

ناک و پیش احتراق هر دو پدیده‌های طبیعی و البته آسیب‌زا هستند که بر اثر دلایلی چون تحت تراکم زیاد پیشرانه، حرارت زیاد بلوک و سرسیلندر، استفاده از بوست زیاد سیستم پرخوران، فشار آوردن‌های پیاپی به پیشرانه، ادونس بودن زمان جرقه و استفاده از سوخت بی‌کیفیت ایجاد می‌شوند. اما آیا خودروسازان تراز اول جهان برای پیشگیری یا رفع این مشکل استفاده از سیستم پرخوران، سیستم پاشش سوخت تزریق مستقیم، افزایش تراکم محفظه احتراق و دمای کاری زیاد پیشرانه را کنار گذاشتند؟ خیر. این موارد بیان‌شده همگی در راستای بهبود راندمان پیشرانه، کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندگی انجام گرفته است. در نتیجه کنار گذاشتن این همه مزیت منطقی نیست.

آنچه خودروسازان برتر جهان در پیش گرفته‌اند، استفاده از سوخت بسیار باکیفیت است که در تناسب با نیازهای خودروسازان و محیط زیست و بدون مکمل‌های آلاینده و خطرناک به تولید می‌رسد. در نتیجه همان‌طور که بیان شد، برای جلوگیری از بروز این دو پدیده مخرب، باید با پیشرفته‌تر شدن پالایشگاه‌های نفت خام کشور، بر کیفیت بنزین تولیدی افزود تا با خودروهای نوین امروزی هماهنگ و در تناسب باشد.

در غیر این صورت مالک این خودروها باید به روش‌هایی چون استفاده از بنزین سوپر، کاهش بوست، کاهش دمای رادیاتور، رانندگی سبک و کم فشار یا تغییر در جدول AFR روی آورند. تغییراتی که اعمال بیشتر آن‌ها باعث ابطال گارانتی شرکتی و بروز مشکلات جدید خواهد شد.

نویسنده: شهاب انیسی