엔진 노킹

Engine knocking
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스파크 점화 내연기관의 노킹(노크, 폭발, 스파크 노크, 핑킹 또는 핑킹도 가능)은 실린더 내 공기/연료 혼합물의 일부가 스파크 플러그에 의해 점화되는 화염 전면의 전파로 인해 발생하는 것이 아니라 하나 이상의 공기/연료 혼합물이 정상적인 외피 밖에서 폭발할 때 발생합니다.연소 전선연료-공기 충전은 스파크 플러그에 의해서만 점화되며 피스톤 스트로크의 정확한 지점에서 점화됩니다.노크는 연소 과정의 피크가 4행정 사이클의 최적 순간에 더 이상 발생하지 않을 때 발생합니다.충격파는 특유의 금속 "핑" 소리를 만들어 내고 실린더 압력은 급격히 증가합니다.엔진 노킹의 영향은 중요하지 않은 것부터 완전히 파괴적인 것까지 다양합니다.

노킹은 점화 전 이벤트와 혼동해서는 안 됩니다.두 가지 다른 이벤트입니다.그러나 사전 점화 후에는 노킹이 뒤따를 수 있습니다.

폭발 현상은 1914년 11월 로지 브라더스(스포크 플러그 제조업체와 올리버 로지의 아들들)가 보낸 편지에서 설명되었으며, 오토바이에서 "노크" 또는 "핑"의 원인에 대한 논의를 마무리했다.서한에서 그들은 초기 발화는 일반적인 팽창 대신 가스 폭발을 일으킬 수 있으며, 폭발에 의해 발생하는 소리는 금속 부품을 [1]망치로 두드린 것과 같다고 말했다.1916년과 1919년 사이에 수행된 실험 중에 항공기 [2]엔진의 고장 원인을 발견하기 위해 해리 리카도에 의해 더 자세히 조사되고 기술되었다.

정상 연소

이상적인 조건에서 일반적인 내연 엔진은 실린더 내의 연료/공기 혼합물을 질서정연하고 제어된 방식으로 연소시킵니다.연소는 엔진 속도 및 부하를 비롯한 여러 요인에 따라 크랭크축이 상단 사점(TDC)보다 약 10~40도 전에 스파크 플러그에 의해 시작됩니다.이러한 점화 진전은 연소 프로세스가 팽창하는 [3]가스에서 최대한의 작업 회수를 위해 이상적인 시점에 피크 압력을 발생시키는 시간을 허용합니다.

스파크 플러그의 전극을 가로지르는 스파크는 스파크 플러그 간격의 대략적인 크기만큼 작은 불꽃 알갱이를 형성합니다.크기가 커짐에 따라 열 출력이 증가하여 연소실을 통해 빠르게 팽창하면서 가속 속도로 성장할 수 있습니다.이러한 성장은 가연성 연료-공기 혼합 자체를 통한 화염 전선의 이동과 Rayleigh-Taylor 불안정성 때문입니다(상대적으로 차갑고 밀도가 높은 연료-공기 혼합으로 확장되는 고온, 저밀도 연소 가스의 결과). 연소 영역을 빠르게 연소 가스의 복잡한 손가락으로 확장합니다.단순한 구형 화염구보다 훨씬 더 큰 표면적을 가진다(후자의 프로세스는 연료-공기 혼합물의 기존 난류에 의해 강화되고 가속화된다).정상 연소 시 이 화염 전면은 연료/공기 혼합물을 통해 특정 혼합물에 대한 속도 특성으로 이동합니다.사용 가능한 연료가 거의 모두 소모되기 때문에 압력이 최고치로 부드럽게 상승한 다음 피스톤이 하강할 때 압력이 떨어집니다.최대 실린더 압력은 피스톤이 TDC를 통과한 후 몇 개의 크랭크축 도에 도달하여 피스톤에 가해지는 힘(피스톤의 윗면에 가해지는 증가 압력으로부터)이 크랭크축에서 피스톤의 속도와 기계적 이점이 힘의 최고의 회복을 제공할 때 정확하게 가장 강하게 누를 수 있도록 합니다.가스가 팽창하여 크랭크축으로 [3][4]전달되는 토크를 극대화한다.

이상 연소

주요 기사:시원한 불꽃

화염 전면 경계를 벗어난 미연소 연료/공기 혼합물이 일정 기간(사용 연료의 지연 기간을 초과) 동안 열과 압력의 조합에 노출되면 폭발이 발생할 수 있다.폭발은 화염 전면 외부에 있는 연료/공기 혼합물의 최소 한 포켓이 거의 순간적으로 폭발적으로 점화되는 것을 특징으로 합니다.각 포켓 주위에 국소 충격파가 생성되고 실린더 압력이 급격히 상승하여(아마도 설계 한계를 초과) 손상을 일으킬 수 있습니다.(디토네이션은 실제로는 디플로그보다 효율적이지만 엔진 구성 요소에 대한 손상 영향 때문에 일반적으로 피합니다.)

극단적인 조건이나 많은 엔진 사이클에서 폭발이 지속될 경우 엔진 부품이 손상되거나 파괴될 수 있습니다.가장 단순한 유해한 영향은 일반적으로 적당한 노킹으로 인한 입자 마모이며, 엔진 오일 시스템을 통해 추가로 유입되어 오일 필터에 갇히기 전에 다른 부품의 마모를 유발할 수 있습니다.이러한 마모로 인해 유압 캐비테이션에 의한 손상과 유사하게 침식, 마모 또는 "모래바람"이 발생한 것처럼 보입니다.노킹이 심할 경우 피스톤 또는 실린더 헤드를 통해 녹아서 밀어넣는 물리적 구멍(즉, 연소실 파열) 형태의 치명적인 고장이 발생할 수 있으며, 이 중 하나가 영향을 받는 실린더를 감압하고 오일 시스템으로 큰 금속 조각, 연료 및 연소 생성물을 유입시킵니다.과전류 피스톤은 이러한 충격파로 [4]인해 쉽게 파손되는 것으로 알려져 있습니다.

폭발은 다음 기술 중 하나 또는 모두를 통해 예방할 수 있습니다.

  • 점화 타이밍 지연
  • 연료의 연소 온도를 높이고 폭발 경향을 감소시키는 높은 옥탄 정격을 가진 연료의 사용
  • 연소 중 화학 반응을 변화시키고 연소 온도를 낮추며 폭발의 여유를 증가시키는 공연비 농축
  • 피크 실린더 압력 저감
  • 스로틀 개방 또는 부스트 압력을 줄임으로써 매니폴드 압력 감소
  • 엔진의 부하를 경감

압력과 온도는 강하게 연관되어 있으므로 압축비 감소, 배기 가스 재순환, 엔진의 점화 타이밍 일정의 적절한 보정, 엔진의 연소실 및 냉각 시스템 및 콘트라스트에 대한 신중한 설계를 통해 노크를 감쇠시킬 수도 있습니다.초기 흡기 온도를 올린다.

납과 탈륨과 같은 특정 물질을 첨가하면 특정 연료를 [citation needed]사용할 때 폭발을 매우 잘 억제할 수 있습니다.가솔린에 첨가된 수용성 유기물 화합물인 테트라에틸 납(TEL)의 첨가는 독성 오염의 이유로 중단되기 전까지 일반적이었다.또한 흡기 장입에 추가되는 납 분진 또한 다양한 탄화수소 연료에 의한 노크를 줄여줍니다.망간 화합물은 또한 가솔린 연료에 의한 노크를 줄이기 위해 사용됩니다.

추운 기후에서는 노크가 덜 흔합니다.애프터마켓 솔루션으로는 연소실 피크 온도를 낮추고 폭발을 억제하기 위해 물 주입 시스템을 사용할 수 있다.증기(수증기)는 추가 냉각이 공급되지 않더라도 노크를 억제합니다.

노크가 발생하기 위해서는 특정 화학적 변화가 먼저 일어나야 합니다. 따라서 특정 구조를 가진 연료는 다른 연료보다 쉽게 노킹되는 경향이 있습니다.분지 체인 파라핀은 노크에 저항하는 반면 스트레이트 체인 파라핀은 노크를 쉽게 하는 경향이 있다.납, 증기 등이 연소 중에 발생하는 다양한 산화 변화를 방해하여 노크를 감소시킨다는 이론이 제기되었습니다[citation needed].

앞서 말한 바와 같이 난류는 노크에 매우 중요한 영향을 미칩니다.난류가 좋은 엔진은 난류가 나쁜 엔진보다 덜 두드리는 경향이 있다.난류는 엔진이 흡입하는 동안뿐만 아니라 혼합물이 압축되어 연소될 때도 발생합니다.많은 피스톤은 점화 및 연소 시 "스퀴시" 난류를 사용하여 공기와 연료를 격렬하게 혼합하도록 설계되어 있어 미연소 혼합물의 연소 및 냉각 속도를 높여 노크를 크게 줄입니다.그 예로는 모두 현대적인 사이드 밸브 또는 플랫 헤드 엔진이 있습니다.헤드 공간의 상당 부분이 피스톤 크라운에 근접하여 TDC 근처에 난류가 많이 발생한다.사이드 밸브 헤드 초기에는 이 작업이 수행되지 않았으며 특정 연료에 훨씬 낮은 압축비를 사용해야 했습니다.또한 이러한 엔진은 점화 진전에 민감하여 출력이 [4]낮았다.

압축 스트로크가 끝날 무렵에 연료가 고압축 공기로 분사되는 디젤 엔진에서는 노킹이 거의 불가피합니다.연료가 분사되고 연소가 시작되는 시간 사이에 짧은 지연이 있습니다.이때 연소실에는 이미 연료량이 존재하며, 이 연료량은 완전한 전하가 연소되기 전에 산소 밀도가 높은 영역에서 먼저 점화됩니다.이러한 급격한 압력 및 온도 상승으로 인해 독특한 디젤 '노크' 또는 '딸깍' 소리가 발생하며, 이 중 일부는 엔진 설계에서 허용해야 합니다.

인젝터 펌프, 연료 인젝터, 연소실, 피스톤 크라운 및 실린더 헤드를 신중하게 설계하면 노크를 크게 줄일 수 있으며, 전자식 커먼 레일 분사를 사용하는 최신 엔진의 노킹 수준은 매우 낮습니다.간접 분사를 사용하는 엔진은 연소실 내 산소 분산이 크고 분사 압력이 낮아 연료와 공기의 완벽한 혼합이 가능하기 때문에 일반적으로 직접 분사 엔진보다 노크 수준이 낮습니다.디젤은 불안정한 연소가 아닌 매우 빠른 압력 상승 속도 때문에 가솔린 엔진과 정확히 같은 "노크"를 겪지 않는다.디젤 연료는 실제로 가솔린 엔진이 노킹될 가능성이 매우 높지만, 디젤 엔진에서는 연료가 팽창 사이클 동안에만 산화되기 때문에 노킹이 발생할 시간이 없습니다.가솔린 엔진에서는 연료가 스파크 전에 압축되는 동안 항상 천천히 산화됩니다.이를 통해 고온/[4]압력의 매우 중요한 시기 이전에 분자의 구조/구성에 변화가 발생할 수 있습니다.

노크 검출

연료 품질, 대기압 및 주변 온도에 큰 차이가 있을 뿐만 아니라 오작동 가능성 때문에, 모든 최신 연소 엔진에는 노킹을 감지하고 방지하는 메커니즘이 포함되어 있습니다.

컨트롤 루프가 하나 이상의 노크 센서(진동을 전기 신호로 변환할 수 있는 일반적으로 압전 센서)의 신호를 영구적으로 모니터링합니다.노킹 연소의 특징적인 압력 피크가 검출되면 점화 타이밍을 몇 도 늦춘다.제어된 연소를 나타내는 신호가 정상화되면 엔진이 최상의 작동 지점(일명 "노크 한계")으로 유지되는 것과 동일한 방식으로 점화 타이밍이 다시 진행됩니다.최신 노크 제어 루프 시스템은 모든 실린더에 대해 개별적으로 점화 타이밍을 조정할 수 있습니다.특정 엔진에 따라 부스트 압력이 동시에 조절됩니다.이렇게 하면 성능이 최적으로 유지되는 동시에 옥탄가 [5]낮은 연료로 주행할 때 발생하는 노크로 인한 엔진 손상 위험을 대부분 제거할 수 있습니다.터보차지 Saab H 엔진에서는 엔진 노킹이 발생할 경우 [6]부스트 압력을 줄이기 위해 자동 성능 컨트롤이라는 시스템이 사용되었습니다.

노크 예측

노킹 연소를 피하는 것이 개발 엔지니어에게 매우 중요하기 때문에 노킹이 발생할 것으로 예상되는 엔진 설계 또는 작동 조건을 식별할 수 있는 다양한 시뮬레이션 기술이 개발되었습니다.이를 통해 엔지니어는 높은 열효율을 유지하면서 노킹 연소를 완화하는 방법을 설계할 수 있습니다.

이후 막 노크를 할 무렵은 in-cylinder 압력, 온도와 자동 발화 화학은 연소실 내에 있는 지역 혼합물 구성과 관련된에 민감한 모든 이러한 aspects[7]의를 차지하는 시뮬레이션 가장 효과적이고, 엔지니어들을 가능하게 노크 운영 제한 결정의. 결정하는 것으로 밝혀졌다세인트적절한 운용 전략

노크 컨트롤

노크 컨트롤 전략의 목적은 엔진을 노크 손상으로부터 보호하는 것과 엔진의 출력 토크를 극대화하는 것 사이의 균형을 최적화하는 것입니다.노크 사건은 독립적인 랜덤 [8]공정입니다.결정론적 플랫폼에서는 노크 컨트롤러를 설계할 수 없습니다.도달하는 노크 이벤트의 무작위 특성 때문에 단일 시간 이력 시뮬레이션 또는 노크 제어 방법의 실험은 컨트롤러의 성능을 반복 측정 할 수 없습니다.따라서 원하는 균형은 엄격한 통계 특성을 가진 다양한 노크 제어 전략 성능을 설계하고 평가하는 데 적합한 환경을 제공할 수 있는 확률적 프레임워크에서 이루어져야 한다.

레퍼런스

  1. ^ Lodge Brothers & Co., The Motor Cycle, 1914년 11월 12일, 528페이지
  2. ^ "Aviation fuels abadan world war 1951 2155 Flight Archive". Archived from the original on 18 March 2016. Retrieved 16 March 2016.
  3. ^ a b Jack Erjavec (2005). Automotive technology: a systems approach. Cengage Learning. p. 630. ISBN 978-1-4018-4831-6.
  4. ^ a b c d H.N. Gupta (2006). Fundamentals of Internal Combustion Engines. PHI Learning. pp. 169–173. ISBN 978-81-203-2854-9.
  5. ^ www.wirth-horn.de, Wirth & Horn-Informationssysteme GmbH-. "Modern Automotive Technology - Fundamentals, service, diagnostics". www.europa-lehrmittel.de. Europa-Lehrmittel.
  6. ^ "Turbocharger with a brain". Popular Science. Bonnier. 221 (1): 85. July 1982.
  7. ^ "Advanced simulation technologies". cmcl innovations, UK. Archived from the original on 9 April 2011. Retrieved 12 June 2010.
  8. ^ Jones, J. C. Peyton; Frey, J.; Shayestehmanesh, S. (July 2017). "Stochastic Simulation and Performance Analysis of Classical Knock Control Algorithms". IEEE Transactions on Control Systems Technology. 25 (4): 1307–1317. doi:10.1109/TCST.2016.2603065. ISSN 1063-6536. S2CID 8039910.

추가 정보

  • Laganá, Armando A.M.; Lima, Leonardo L.; Justo, João F.; Arruda, Benedito A.; Santos, Max M.D. (2018). "Identification of combustion and detonation in spark ignition engines using ion current signal". Fuel. 227: 469–477. doi:10.1016/j.fuel.2018.04.080. S2CID 104060623.
  • Di Gaeta, Alessandro; Giglio, Veniero; Police, Giuseppe; Rispoli, Natale (2013). "Modeling of in-cylinder pressure oscillations under knocking conditions: A general approach based on the damped wave equation". Fuel. 104: 230–243. doi:10.1016/j.fuel.2012.07.066.
  • Giglio, Veniero; Police, Giuseppe; Rispoli, Natale; Iorio, Biagio; Di Gaeta, Alessandro (2011). "Experimental Evaluation of Reduced Kinetic Models for the Simulation of Knock in SI Engines". SAE Technical Paper Series. Vol. 1. doi:10.4271/2011-24-0033.
  • Di Gaeta, Alessandro; Giglio, Veniero; Police, Giuseppe; Reale, Fabrizio; Rispoli, Natale (2010). "Modeling Pressure Oscillations under Knocking Conditions: A Partial Differential Wave Equation Approach". SAE Technical Paper Series. Vol. 1. doi:10.4271/2010-01-2185.
  • "소형" 직접 분사 스파크 점화 엔진의 예측 연소 시뮬레이션: 2010년 6월에 소개된 사전 점화("메가 노크"), 실화, 소멸, 화염 전파 및 기존의 "노크" (cmcl 혁신) 솔루션을 위한 것입니다.
  • 엔진의 기본: 폭발과 점화 전, 앨런 W. 클라인은 2007년 6월에 접속했다.
  • Giglio, V.; Police, G.; Rispoli, N.; Di Gaeta, A.; Cecere, M.; Ragione, L. Della (2009). "Experimental Investigation on the Use of Ion Current on SI Engines for Knock Detection". SAE Technical Paper Series. Vol. 1. doi:10.4271/2009-01-2745.
  • Taylor, Charles Fayette (1985). The Internal-combustion Engine in Theory and Practice: Combustion, fuels, materials, design. ISBN 9780262700276.

외부 링크