سنسور ناک چیست و چه وظیفه‌ای در خودرو دارد؟

سنسور ناک (Knock Sensor) یا حسگر ضربه، قطعه‌ای در سیستم مدیریت موتور است که وظیفه دارد ارتعاشات ناشی از احتراق نامناسب (پدیده ناک) را در موتور تشخیص داده و آن را به ECU خودرو گزارش دهد. این اطلاع‌رسانی به‌موقع نقشی حیاتی در حفظ سلامت قطعات داخلی موتور احتراق داخلی ایفا می‌کند.
سیستم‌های مدیریت الکترونیکی موتور (ECU) با تکیه بر حسگرهای هوشمند، شرایط لحظه‌ای احتراق را پایش کرده و با تنظیم دقیق عملگرها، راندمان موتور را به حداکثر می‌رسانند؛ سنسور ناک یکی از مهم‌ترین این حسگرهاست. در این مقاله جامع، به بررسی دقیق وظیفه سنسور ناک، انواع ساختار و اجزای داخلی آن می‌پردازیم. آشنایی دقیق با ساختار و عملکرد این‌گونه سنسورها یکی از مهارت‌هایی است که در دوره‌های برق خودرو ایمگ دانشگاه شریف به‌صورت عملی آموزش داده می‌شود. اگر با نشانه‌های نقص این قطعه مواجه شده‌اید، می‌توانید راهنمای تخصصی علائم خرابی سنسور ناک و روش‌های تست آن را مطالعه کنید.

پدیده ناک (Knock ) در موتور چیست و چرا اتفاق می‌افتد؟

کلمه از نظر لغوی ناک به معنی ضربه است. هنگامی که به هر دلیلی فرایند احتراق در سیلندر به‌صورت نامناسب انجام شود، حرکت پیستون در سیلندر به‌صورت ضربه‌ای خواهد بود. این حالت در موتور را Knocking می‌نامند. شکل 1 این حالت را نشان می‌دهد.

1- شمع 2- سوپاپ 3- پیستون 4- سیلندر 5- اتاق احتراق 6- سوپاپ
A: احتراق طبیعی B: بروز پدیده ناک
شکل 1- مقایسه حالت احتراق عادی و بروز پدیده ناک

همانطور که در شکل 1 مشاهده می‌شود پدیده knocking در موتور به حالتی گفته می‌شود که هم‌زمان و یا کمی بعد از ایجاد جرقه در شمع در محل دیگری جبهه آتش تشکیل شده و گسترش می‌یابد. فیلم 1 این موضوع را نشان می‌دهد.

فیلم 1- مقایسه احتراق عادی و پدیده ناک در موتور

تداخل جبهه آتش حاصل از جرقه شمع با جبهه‌های آتش ناخواسته تعادل فشار در سیلندر را از بین می‌برند، شکل 2 این حالت نوسانی را نشان می‌دهد

A: احتراق طبیعی
B: احتراق به همراه پدیده ناک
شکل 2- منحنی تغییرات فشار در سیلندر بر اساس کورس کاری

این اتفاق سبب تغییر نیروی های وارده بر روی پیستون شده و در نتیجه نیروی وارده میل‌لنگ نیز نامتعادل خواهد بود. نامتعادل کارکردن میل‌لنگ سبب افزایش نوسانات این بخش و به‌صورت کلی نوسانات موتور خواهد شد.

بررسی عوامل اصلی بروز پدیده ناک (Knocking)

شکل 3 عوامل مؤثر بر ایجاد پدیده ناک در موتور را معرفی می‌کند.

شکل 3- عوامل اصلی بروز ناک در موتور

شکل 3 عوامل اصلی knocking در موتور را معرفی می‌کند. هرکدام از این عوامل خود می‌تواند به دلیل مختلفی ایجاد شود. به‌عنوان‌مثال کنترل نامناسب جرقه می‌تواند در اثر مشکل در شمع / وایر شمع / کویل / دسته سیم کویل و ECU موتور به وجود بیاید و یا کنترل نامناسب سوخت خود می‌تواند حاصل وجود مشکل در انژکتور / ریل سوخت / رگولاتور فشار سوخت /دسته سیم انژکتور و یا ECU موتور باشد به‌صورت کلی هر عاملی که سبب ایجاد اختلاط نامناسب سوخت و هوا شود می‌تواند عامل ناک در موتور باشد علاوه‌برآن کربن گرفتگی در سوپاپ‌ها و یا سیلندر نیز می‌تواند با بروز نقطه داغ در سیلندر احتراق ناخواسته ایجاد کند. شکل 4 ارتباط بروز پدیده ناک در موتور را با فشار و نسبت هوا و سوخت نشان می‌دهد.

تفاوت پدیده ناک با احتراق پیش‌رس (Pre-ignition)

A: محدوده مخلوط سوخت و هوا با نسبت استوکیومتری پایین (رقیق)
B: محدوده مخلوط سوخت و هوا با نسبت استوکیومتری بالا (غنی)
شکل 4- بروز پدیده ناک بر اساس منحنی نسبت هوا و سوخت/فشار هوا

همانطور که در شکل مشاهده می‌شود بروز این پدیده در حالت استوکیومتری بالا که حالت غنی بودن سوخت را بیان می‌کند بیشتر اتفاق می‌افتد. اگر می‌خواهید اطلاعات بیشتری در مورد مفهوم استوکیومتری هوا و سوخت داشته باشید به مقاله سنسور اکسیژن — بخش 1 مراجعه کنید. نکته دیگر ارتباط فشار با بروز این پدیده است. هر چه فشار بیشتر باشد احتمال ایجاد ناک در سیلندر بیشتر میشود. بهر حال به هر دلیلی ناک در موتور ایجاد شود، ارتعاشات موتور تغییر خواهد کرد.
در کنار پدیده ناک، دو حالت تقریباً مشابه دیگر نیز سبب ایجاد ارتعاش در موتور شود.
اولین حالت را Pre-ignition یا احتراق پیش‌رس می‌نامند در این حالت می‌تواند به دلیل گرمای بیش از حد در موتور، تایمینگ نامناسب سوپاپ یا کیفیت مناسب سوخت رخ دهد. در این حالت قبل از اینکه شمع جرقه بزند، در اثر فشار تراکم و دمای کاری موتور احتراق پیش‌رس انجام می‌شود. دومین حالت تایمینگ نامناسب در جرقه است به‌عبارت‌دیگر اگر جرقه ریتارد شود احتمال ایجاد خودسوزی یا احتراق نامناسب در سیلندر وجود خواهد داشت.

سنسور ناک (Knock Sensor) چیست؟

وظیفه سنسور ناک چیست؟

وظیفه سنسور ناک بررسی بروز احتراق نامناسب در موتور و اطلاع‌رسانی آن به واحد مدیریت سوخت و جرقه موتور ECM (یا ECU موتور ) است. همانطور که پیش‌تر اشاره شد این روش با استفاده از بررسی ارتعاشات موتور انجام می‌شود. سنسورهای ارتعاشی ناک به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شوند که در شکل 5 نشان‌داده‌شده است.

شکل 5- انواع سنسور ناک

سنسورهای القایی (Inductive resonant) و پیزوالکتریک – رزونانسی (Piezoelectric reonant) از یک صفحه ارتعاشی تشکیل شده‌اند که هنگامی که ضربه رخ می‌دهد، صفحه به حداکثر دامنه ارتعاش خود می‌رسد که از طریق یک اثر القایی الکترومغناطیسی یا یک اثر پیزوالکتریک به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. حسگرهای تشدید تنها می‌توانند فرکانس خاصی از ضربه موتور را به دلیل ویژگی‌های پاسخ باند باریک خود تشخیص دهند.
از سوی دیگر، نوع پیزوالکتریک غیر رزونانسی (Piezoelectric non-reonant) از یک سیستم فنری جرم برای اندازه‌گیری مستقیم ارتعاش استفاده می‌کند و بنابراین پهنای باند وسیع‌تری دارد (معمولاً از حدود 5 کیلوهرتز تا 15 کیلوهرتز) ازآنجایی‌که فرکانس ضربه ممکن است کمی با سرعت موتور متفاوت باشد، سنسورهای غیر رزونانسی نسبت به سنسورهای رزونانسی عملکرد بهتری دارند. سنسورهای ضربه‌ای مبتنی بر لرزش به‌طورکلی بر روی بلوک موتور یا سرسیلندر نصب می‌شوند. سنسورهای مورداستفاده در خودروهای سواری عموماً از نوع پیزو هستند، شکل 6 سنسورهای ناک از نوع پیزو و اجزا داخلی آن را نشان می‌دهد.

A: غیر رزونانسی B: رزونانسی
1-وزنه فولادی 2- عایق 3- صفحه پیزو 4- مقاومت اتصال کوتاه 5- صفحه پیزو 6- صفحه ارتعاشی
شکل 6- انواع سنسور ناک از نوع پیزو

همانطور که در شکل 6 نشان‌داده‌شده است در هر دو نوع صفحه پیزو وجود دارد. ارتعاشات از طریق بدنه یا صفحه ارتعاشی به صفحه پیزو منتقل می‌شود. این ارتعاشات سبب تولید جریان برق AC (سیگنال) خواهد شد. واحد مدیریت موتور از طریق بررسی این سیگنال به بروز حالت ناک در موتور پی می‌برد و دستورهای اصلاحی را صادر می‌کند.
اطلاع از ساختار و عملکرد میتواند در روش عیب یابی بسیار موثر باشد. 1- سنسور ناک 2- وزنه فولادی 3- واشر پلاستیکی 4- واشر مسی بالایی 5-صفحه پیزو 6- واشر پلاستیکی
7- بدنه برنجی 8- بدنه فولادی (مدل‌های جدیدتر) 9- واشر مسی پایینی 10- ترمینال‌ها 11- مقاومت
12- واشر فنری
شکل 7- اجزا داخلی سنسور پیزو از نوع غیر زونانسی

همانطور که مشاهده می‌شود ترمینال‌ها به واشرهای مسی تماسی متصل هستند صفحه پیزو در اثر ارتعاشات فرکانس تولیدی خود را به این دو صفحه مسی منتقل کرده و این صفحات این و ولتاژ تولیدی را از طریق ترمینال‌ها به خارج از سنسور منتقل می‌کنند. مقاومت قرار گرفته بین دوپایه کانکتور برای تشخیص حالت قطع‌شدگی در سنسور استفاده شده است. (شکل 8)

1- مجموعه پیزو و صفحات کنترلی آن 2-مقاومت اتصال کوتاه 3- پایه شیلد
شکل 8- نحوه قرارگرفتن مقاومت در مدار سنسور ناک

به‌صورت عادی سنسور ناک پیزو – غیر رزونانسی از نوع دوپایه است اگر در مدلی 3 پایه برای این سنسور در نظر گرفته شده باشد. پایه سوم به‌عنوان شیلد و برای کاهش تأثیر پارازیت‌ها روی سیگنال خروجی این سنسور استفاده می‌شود. نیروی اعمال شده روی واشر فنری (شکل 7- شماره 12) بر روی عملکرد این سنسور بسیار مؤثر است؛ بنابراین گشتاور بسته‌شدن پیچ سنسور ناک یکی از مهم‌ترین نکات در باز کردن و بستن این سنسور از روی موتور است.

سوالات متداول

سنسور ناک چیست؟

سنسور ناک قطعه‌ای در سیستم مدیریت موتور است که ارتعاشات ناشی از احتراق نامناسب (پدیده ناک) را تشخیص داده و به ECU خودرو اطلاع می‌دهد تا زمان‌بندی جرقه اصلاح شود.

سنسور ناک چند نوع دارد؟

سنسورهای ناک به سه دسته تقسیم می‌شوند: القایی (Inductive resonant)، پیزوالکتریک-رزونانسی و پیزوالکتریک غیررزونانسی. نوع پیزوالکتریک غیررزونانسی به دلیل پهنای باند وسیع‌تر، عملکرد بهتری دارد و در بیشتر خودروهای سواری استفاده می‌شود.

سنسور ناک روی چه قسمتی از موتور نصب می‌شود؟

سنسورهای ناک به‌طور کلی روی بلوک موتور یا سرسیلندر نصب می‌شوند، جایی که بتوانند ارتعاشات ناشی از احتراق را به بهترین شکل دریافت کنند.

نویسنده : مهندس بهروز خطیبی