Nekontrolisano sagorevanje čest je uzrok oštećenja motora. V praksi su često u upotrebi nazivi poput lupajuće ili kucajuće sagorevanje, koji potiču od bukvalnih prevoda termina sa engleskog ili nemačkog jezika. Cesto se o njemu govori i kao o kliktanju ventila… Ipak, stručno ime ove pojave na našem jeziku je detonantno sagorevanje. U okviru ovog teksta pogledaćemo eksploziji pravo u oči.

Da bi smo analizirali pojavu detonacije unutar cilindra, najpre ćemo se osvrnuti na normalan proces sagorevanja u oto motorima. On se odvija na sledeći način:

1.Skok varnice.Kasno u taktu sabijanja, kada se klip približava spoljašnjoj mrtvoj tački pred sobom pritiskajući radnu smešu, dolazi do skoka varnice koja inicira proces paljenja. Neposredno pre toga, između elektroda svećice formirao se visok električni napon veličine 25-40 hiljada V, koji izaziva električno pražnjenje u vidu luka plazme. Temperatura ove užarene materije dostiže i do 60 hiljada °C, a čitava pojava traje ispod jednog hiljaditog dela sekunde.Skok plazme dug 0,7 do 1,7 mm dovoljan je da stvori jezgro progresivnog procesa sagorevanja – klicu ognjene stihije koja će ubrzo progutati sve što joj se nađe na putu. Energija varnice koja se generiše u komori sagorevanja veća je i po nekoliko stotina puta od neophodne za paljenje, jer se najveći deo gubi u procesu prenosa toplote.

2.Jezgro sagorevanja.Neposredno nakon nastanka električnog luka između elektroda svećice nastaje period u kome se, posmatrano spolja, vidno ništa ne događa. Temperatura i pritisak u cilindru ostaju isti kao da se varnica nije ni dogodila. Ovo je zapravo samo zatišje pred buru kada se smeša priprema za dramu koja će ubrzo uslediti. Promene se svakako dešavaju, ali je oblast zahvaćena procesi-ma sagorevanja isuviše mala da bi bila zna-čajna sa stanovišta oslobađanja energije. Sa druge strane, neposredna okolina ove zone znatno je niže temperature i u sebe apsorbuje svu oslobođenu toplotu. Na ovaj način, okolni slojevi smeše se zagrevaju i dovode u pogodno stanje da omoguće brz prenos fronta plamena. Ovo je faza pred-plamenih reakcija čija brzina zavisi uglavnom od svojstava goriva i sastava smeše.

3.Plamena lopta.Na početku, kada je zapremina smeše koja sagoreva mala, front plamena se sporo kreće, jer se iz male zapremine dobija mala toplotna energija. Ipak, ako je energija ubrizgana u cilindar skokom varnice dovoljna da podmiri početne toplotne troškove, uskoro se formira jezgro stabilnog sagorevanjakoje će se brzo proširiti kroz celu komoru sagorevanja. Poremećaj sagorevanja, koji se naziva front plamena, širi se sferično, formirajući plamenu loptu. Kada bi na čas zaustavili ovu pojavu u vremenu i pogledom prodrli u cilindar, ono što bi videli ličilo bi na usijanu ping pong lopticu (slika 1). Svuda oko nje bila bi smeša vazduha i goriva, unutar nje produkti sagorevanja, a njenu bi ljusku činio plamen, površina na kojoj se odvijaju burni procesi sagorevanja. U ovoj blještavoj ljusci, materija menja svoj oblik burno oslobađajući energiju.

Pri procesu sagorevanja oslobađa se velika količina toplote, te su produkti sagorevanja (tek sagorela smeša) visoke temperature, a stoga i visokog pritiska. Ovaj pritisak daleko prevazilazi pritisak okoline, te se produkti sagorevanja brzo šire ubrzavajući prostiranje fronta plamena i potiskujući nesagorelu smešu. Ovo je proces na osnovu koga pomenuta ping pong loptica rapidno povećava svoj prečnik i u sudaru sa glavom i zidom cilindra gubi svoj prvobitni oblik. Smer kretanja fronta plamena tada se pomera ka čelu klipa. Kako je ovo jedina pokretna stranica prostora u kom se odvija sagorevanje, klip biva potiskivan unazad, ka osi kolenastog vratila, silom brzo rastućeg pritiska.

5.Dodatno sabijanje.Zarobljena između širećih gasova i čela klipa   koji  se  relativno  sporo  pomera, nalazi se još nesagorela smeša. Ona se intenzivno sabija i njena temperatura posledično raste. Osim toga, temperatura ovog gasa se podiže i usled isijavanja toplote iz plamena. Podizanje pritiska i temperature smeše, direktno  znače  i  dodatno  ubrzavanje kretanja plamena jer se smeša lakše pali.

Dešavanja iza plamena

Pogledajmo malo i iza plamena. Užarena ljuska zrači na obe svoje strane, pa svoju porciju toplote dobijaju i produkti sagorevanja koji su unutar nje. Sagorevanje nove količine goriva, stoga, podiže i temperaturu sagorelih gasova koji se nalaze sa druge strane plamene zavese, a sve to zajedno dovodi do snažnog skoka pritiska u cilindru. U trenutku kada plamen zahvati poslednju količinu nesagorelog gasa, smeša je na tako visokoj temperaturi i pritisku, da je proces njenog samopaljenja neizbežan.

Za razliku od dizel motora, kod kojih je samopaljenje goriva deo principa rada, kod oto motora ovo je neželjena pojava, jer direktno vodi u opasno detonantno sagorevanje.

Detonantno sagorevanje

U okviru normalnog rada oto motora, kontrola procesa sagorevanja obavlja se slcokom varnice svećice koja generiše jezgro sagorevanja. Sva ostala smeša pali se nailaskom fronta plamena.

U slučaju pojave novih jezgara sagorevanja ispred fronta plamena, dolazi do formiranja novih loptica plamena koje utiču na svoju okolinu na isti način kao i lopta glavnog procesa sagorevanja. Budući da ove brzošireće pojave egzistiraju na prilično malom prostoru, veoma brzo dolazi do njihovog sudaranja i sabiranja njihovih dejstava. Talasi pritiska tada se kreću brzinama i do 2500 m/s, što je skoro sto puta brže od kretnja fronta plamena pri normalnom procesu sagorevanja! To dovodi do bitnih poremećaja u izjednačavanju pritiska unutar prostora sagorevanja i do naglih udara talasa pritiska u njegove zidove. Ovo je način na koji pro ces sagorevanja dospeva izvan kontrole i, u nepovoljnom maniru oscilovanja pritiska, oslobađa veliku količinu energije za kratak vremenski period – sagorevanje unutar cilindra uzima oblik eksplozije (detonacije), slika 2.

Pri detonantnom sagorevanju, predaja sile pritiska gasova klipu toliko je burna, da se to u odnosu na normalan rad može porediti sa udarom čekića u čelo klipa. Pored toga, trenutno sagorevanje većih količina smeše dovodi do naglog oslobađanja velikih količina toplote i do naglog skoka temperatura zona produkata sagorevanja. Prenos toplote od gasova na zidove tada se povećava i do 7 puta! U kombinaciji sa dejstvom oscilacija pritiska gasa ovo dovodi do povećanog odavanja toplote zidovima prostora sagorevanja i termičkog opterećenja koje motor nije u stanju dugo da izdrži. Pregrevanja delova cilindarskog sklopa tada su neizbežna.

Posledica ovakvog rada je nedopustivo toplotno i mehaničko naprezanje motora koje prati zvonki zvuk, sličan udaru metala o metal. Pored toga, visoke lokalne temperature dovode do razlaganja ugljovodonika i produkata sagorevanja na početne komponente, to rezultuje stvaranjem čađi, povećanom emisijom štetnih materija kao i značajno većom potrošnjom.

Da bi se izbegle negativne posledice ovog nekontrolisanog oslobađanja energije, neophodno je da front plamena prođe kroz najveći deo smeše pre nego to istekne period kašnjenja paljenja i dođe do pojave novih jezgara sagorevanja. Iz tog razloga, neophodno je korišćenje goriva određene otpornosti na pojavu detonantnog sagorevanja.

Oktanski broj

Otpornost goriva na detonaciju karakteriše oktanski broj. Sto je on veći, smeša goriva i vazduha se može jače sabiti bez opasnosti od pojave detonacija u prostoru sagorevanja.

Slično, kao i kod cetanskog broja, pri određivanju oktanskog broja traži se etalonsko gorivo koje poseduje istu otpornost na pojavu detonantnog sagorevanja kao ispitivano. Etalonsko gorivo se dobija takođe od dva ugljovodonika: izo-oktana, koji ima visoku otpornost, i heptana, sa malom otpornošću na detonaciju. Kada je gorivo ekvivalentnih osobina dobijeno, procentualni udeo izo-oktana u njemu predstavlja oktanski broj koji se dodeljuje ispitivanom gorivu.

Oktanski broj može biti i veći od 100 ali se on tada dobija računskim putem. Kako je broj 100 dogovorno dodeljen izo-oktanu, sva goriva veće otpornosti na detonantno sagorevanje od njega, dobijaju srazmerno veće oktanske brojeve.

Uticaj vrtloženja svežeg punjenja

Proces sagorevanja u cilindru zgodno je prikazati kao rast ping pong loptice, ali ovakvo objašnjenje ne uzima u obzir mnoge uticajne parametre. Najuticajniji faktor koji je ovde izostavljen jeste vihorenje svežeg punjenja koje ostaje očuvano i u toku odvijanja procesa sabijanja.

Turbulentno kretanje gasa vazduha i para goriva značajno deformiše našu lop-ticu već pri njenom začetku. Ona tako gubi svoj sferični oblik poprimajući znat-no kompleksniju formu. Kako je lopta geometrijsko telo sa najmanjom površi-nom (za istu zapreminu), svaki drugi oblik donosi veću površinu fronta plamena. Logično, razvlačenje površine zahvaćene procesima sagorevanja znači i više goriva koje oslobađa energiju u istom trenutku. Rezultat je brži rast pritiska u cilindru i generisanje većeg obrtnog momenta na kolenastom vratilu, jer se više energije oslobodi dok je klip u zoni bliskoj spoljašnjoj mrtvoj tački. Brzina sagorevanja je ipak značajno niža od brzine detonantnog sagorevanja (oko 40 m/s), pa je ovakav sled zbivanja u cilindru poželjan.

Zaključak

Opasnost od nekontrolisanog odvijanja procesa sagorevanja ograničava stepene kompresije oto motora na značajno niže vrednosti u odnosu na konkurente iz ta-bora dizela.

Da bi izbegli pojavu detonantnog sagorevanja, oto motori moraju da rade sa benzinom koji ima oktanski broj jednak ili veći u odnosu na zahtevan. Ukoliko se pri modifikovanju motora koiti’ presiona komora smanji, to dovodi do povećanja stepena kompresije i lake pojave gubitka kontrole nad sagorevanjem. Zona rada motora visokog rizika tada je veliko opterećenje (bogata smeša) na niskim brojevima obrtaja, jer su to uslovi koji pogoduju razvijanju nekontrolisanog sagorevanja.