המנוע - אוטו

המנוע

התשובות לשאלות – מה הם נצילות, הספק, מומנט, רצועת כוח, ראשי התיבות של קג"מ ועוד

הכתבה פורסמה במגזין אוטו בגיליון 243. בסוף הכול קם ונופל על המנוע. הרכב יכול להיות גרוטאה חלודה עם צמיגים משופשפים, בלמים שחוקים והגה חופשי, אבל מה שיעניין אותנו בבדיקת הרכב לפני קנייתו הוא המנוע. ולא בגלל שמדובר בהחלטה רציונאלית, כי מנוע אפשר להחליף בחדש/ משומש/ משופץ בעלות יחסית קטנה לעומת, למשל, פחחות וצבע, החלפת בולמים, צמיגים ועוד כהנה וכהנה. אבל אולי הסיבה העיקרית למצב היא שללא המנוע, הרכב המפואר שלנו לא שווה יותר מאשר עגלה ללא סוסים. המנוע הוא המערכת המורכבת ביותר במכונית וזו שעומדת במאמצים הרבים ביותר. הדרישות המשתנות ממנו, תנאי העבודה הקשים בקיץ, בחורף ובכל התנעה, בהחלט מצדיקים את העניין בו. קטר קיטר קיטור משחר ההיסטוריה חיפש האדם דרכים להקל על מלאכותיו, אך עד למאה ה- 18 השינוי לא היה גדול: שימוש בבהמות להנעת משאבות השקייה, משיכת עגלות, שימוש בקפיצים לפעולות קצרות (כולל שעונים) היו הדברים המתוחכמים ביותר בתחום ההנעה שהאנושות הגתה כבר לפני אלפי שנים, אך ניתן לומר שקפיצת המדרגה בוששה לבוא. המאה – 18 הייתה הפתיח ההכרחי למהפכה התעשייתית של המאה ה- 19 ובה הומצא המנוע הראשון. לא, לא היה זה ג'יימס וואט שהמציא את מנוע הקיטור, כמקובל לחשוב בטעות, אלא תומס ניוקומן ב-1705, אך עד שוואט הכניס ידיו לנושא, המנועים לא היו יעילים. העיקרון המוביל במנוע הקיטור הוא השריפה החיצונית. הפיזיקאים של אז למדו כי האוויר מתפשט בחימום ואם הוא נתון בנפח קבוע לחצו עולה. באותה תקופה התגלה כי חימום מים בלחץ גבוה יוצר קיטור – כלומר המים לא רק מתאדים, אלא האד נוצר בלחץ גבוה ואותו ניתן לכוון להנעת בוכנה. העיקרון הזה, אגב, נכון גם במנועי השריפה הפנימית של היום, אבל עליהם נעמוד מאוחר יותר. מנועי הקיטור הראשונים (עד וואט) השתמשו בצילינדר כתא החימום והקירור של הקיטור והדבר הביא לחוסר יעילות משווע של המנועים, שכן הוא חייב קצב תנועה איטי להחריד של הבוכנה והספק, כפי שנראה בהמשך, תלוי במהירות. וואט הצעיר, סקוטי חסר השכלה פורמלית בנערותו ובוגר מכון ללימודים גבוהים בלונדון בבגרותו, מיקם את תא הלחץ מחוץ למנוע: הקיטור נוצר באמצעות חימום מים בדוד נפרד ואז הוזרם הקיטור לתוך הצילינדרים על מנת לדחוף את הבוכנה. כדי לשמור על לחץ הקיטור נדרש להסיק את התנור שחימם את המים באופן קבוע וחומר הבעירה העיקרי היה הפחם. ברור כי גודל מנוע כזה, בתוספת דוד הקיטור, מיכל המים ומאגר הפחם להסקה היה המכשול העיקרי למיקום מנוע כזה ברכב. מנועי הקיטור שירתו בנאמנות ספינות, רכבות ומכונות תעשייתיות לאורך שנים וגם היום כל תחנות הכוח (גם הגרעיניות) בנויות על עיקרון מנוע הקיטור: חימום מים, היוצרים קיטור, המוזרמים לעבר טורבינה. פגיעת הקיטור בלהבי הטורבינה גורמת לסיבובה וכפועל יוצא – לסיבוב גנרטור היושב על ציר הטורבינה. היתרון העיקרי של מנוע קיטור ביחס למנועי השריפה הפנימית בהם נעשה שימוש היום הוא היכולת למחזר את הקיטור על ידי קירורו ועיבויו מחדש למים. אלא שלא תמיד מוחזרו המים. במנועי הקטרים הראשונים הקיטור נפלט לאוויר בצורת אד לבן, מלווה בשריקה חזקה, והקטרים היו נאלצים למלא את מיכלי המים בכל תחנה. מילון מונחים צר לי, אךכדי להתחיל אנו חייבים להבין כמה מושגים פיזיקליים ותרמודינמיים. תרמודינמיקה, אגב, היא המדע העוסק באנרגיית חום לצורך קבלת תנועה, אך לא רק – מנועים, טורבינות, מחליפי חום, רדיאטורים וגם דודי שמש, כולם ^תוצרי^ מדע זה. תכלית המנוע היא להמיר אנרגיה כימית, האצורה בחומר הדלק, לאנרגיית תנועה (אנרגיה קינטית). המרה זו מתרחשת באמצעות שריפת חומר הדלק וקבלת חום. חום מבוטא ביחידות של אנרגיה ולכן לחום יכולת לבצע עבודה, שגם היא אנרגיה. מסיבה זו כל המנועים הם בעצם ^מכונות חום^. בכל חומר דלק אצורה אנרגיה כימית, שהיא המרבית הניתנת להפקה מחומר זה באמצעות שריפתו. לשם הדוגמא, האנרגיה המרבית הניתנת להפקה מעץ עומדת על 3.7 קילוואט לק^ג, בעוד שבבנזין היא עומדת על 11.8 קילוואט לק^ג. מלך האנרגיה הוא המימן, המכיל כ- 33 קילוואט לק^ג אחד של גז. האמת היא שערכים אלה מתארים הספק, אך על כך נרחיב מיד. כאשר יש לנו מכונת חום, האמורה להמיר את האנרגיה, הנתון החשוב ביותר בה הוא הנצילות – כמה אנרגיה מתוך זו האצורה בחומר באמת מנוצלת לצרכי ההנעה במקרה של מנוע מכונית? הנתונים למנועי הרכב הם עלובים-משהו: המנועים היעילים ביותר בקושי מגרדים היום את 30 אחוזי הנצילות. כלומר יותר משני-שלישי האנרגיה הטמונה בחומר אובדת במהלך שריפת הדלק. ואם כבר הזכרנו את הערכים הללו, אין מנוס מלהסביר את יחידות מדידת העבודה. יחידת המידה לצורך חישוב אנרגיה נמדדת בשתי שיטות שונות כמו מידות אורך, טמפרטורה ומשקל. השיטה האחת היא השיטה המטרית, בה נעשה שימוש ברוב העולם והיא מבוססת על השיטה העשרונית. בשיטה זו האנרגיה נמדדת בג'אול, שמשמעותו העבודה המבוצעת על ידי הפעלת כוח של ניוטון אחד לאורך מטר אחד. השיטה השניה נקראת השיטה הבריטית, שהבסיס לה הוא חלוקה ב-12 דווקא, והיא המשתמשת במידות מרחק של אינץ', רגל ויארד, מידת משקל של ליברה (פאונד) וטמפרטורה של מעלות פרנהייט. העולם ההנדסי מפוצל בין שתי תפישות אלה והדבר האלמנטרי ביותר שלומדים בלימודי ההנדסה הוא המרות הערכים משיטה אחת לשניה על מנת שלא יתרחשו תקלות (שקרו לא פעם) של תדלוק מטוס בליטרים (עשרוניים) במקום בגאלונים (אמריקאים), חישוב מידות שגוי וכיוצא באלה. בשיטה הבריטית יחידת העבודה נקראת BTU – British Thermal Unit, יחידה תרמית בריטית. אלא שערכי העבודה אינם מספיקים כשאנו דנים במנועים. במנוע חשוב לנו יותר ההספק: היכולת לבצע עבודה בזמן נתון. ברור כי ככל שאעשה יותר עבודה בזמן נתון ההספק שלי יהיה גדול יותר. ככל שאעשה יותר מחזורי עבודה בזמן נתון ההספק יהיה גבוה יותר. הואיל והעבודה במחזור פעולה אחד של המנוע קבועה, הרי ככל שנעשה יותר מחזורים בדקה ההספק יהיה גבוה יותר. יותר מחזורים בדקה? לזה אנו קוראים סל^ד – סיבובים לדקה. משום כך ברור כי ככל שנצליח לתכנן את המנוע ליותר סל^ד ההספק יעלה. אך זה לא כל כך פשוט ואנו משלמים בדברים אחרים. את ההספק מודדים בוואט בשיטה המטרית והוא שווה לג'אול בשניה. הואיל ומדובר במספרים גדולים, כשמדובר במנוע נעשה שימוש בקילוואט – 1000 וואט. זוהי אמת המידה להספק המקובלת היום להצגת הספק מנוע בעלוני יבואני הרכב. בשיטה הבריטית נעשה שימוש בכוחות סוס. כוח סוס הוא הספק השווה ל- 746 וואט ולכן אם ברצוננו להמיר כל נתון של כוחות סוס שיש לנו לקילוואט עלינו לכפלו ב- 0.746. המרה מקילוואט לכוח סוס תיעשה על ידי חלוקת הערך של הקילוואט ב- 0.746. הספק ומומנט מומנט הוא כוח הפיתול המופעל על גל הארכובה. ככל שזרוע המומנט, קרי רדיוס גל הארכובה גדול יותר, או ככל שמופעל יותר כוח על-ידי שריפת התערובת, יתקבל מומנט גדול יותר. מומנט הוא בעצם היכולת של המנוע ^לסחוב^ בעליה – היכולת לסובב את המנוע למול התנגדות העליה והתנגדות משקל המכונית עצמה. המומנט נמדד ביחידות של כוח (ק^ג) כפול מרחק (מ') ועל כן היחידות הן קג^מ – קילוגרם-מטר, בדומה ליחידות העבודה שהוזכרו למעלה. בשיטה הנהוגה היום, בעיקר על-ידי הגרמנים, המומנט מוצג ביחידות של ניוטון-מטר, שהן בערך עשירית מקילוגרם-מטר. כלומר אם קיבלנו בעלון של ב.מ.וו נתון של 300 ניוטון-מטר, הערך הקג^מי עומד בקירוב על כ- 30 קג^מ. במכוניות אמריקאיות מוצג המומנט ביחידות של ליברה-אינץ' ומקדם המרתן לקג^מ הינו לחלק ל- 100 בקירוב. ההספק הוא היכולת של המנוע לבצע עבודה ביחידת זמן – ככל שההספק גדול יותר, המנוע מסוגל להביא יותר עבודה לידי ביטוי בזמן נתון. הדוגמא הבולטת ביותר להספק היא בנתון ^אפס למאה^ וב^כמה היא סוגרת^ – נתון המהירות המרבית. הקשר בין המומנט להספק נתון בקשר הבא: הספק = מומנט X מהירות סיבוב המנוע. כלומר שני הפרמטרים, ההספק והמומנט, תלויים בסיבובי המנוע ותלויים זה בזה ביחס ישר. לכן מוצגות תמיד עקומות ההספק והמומנט זו בצד זו, כשרוצים לתאר את התנהגות המנוע. ככל שהמנוע מסוגל לטפס לסל^ד גבוה יותר, ההספק יהיה גבוה יותר. נהוג להגדיר את המרחק בין שיאי המומנט וההספק כ-רצועת הכוח והוא מעיד על ^גמישות המנוע^ – ככל שהטווח יהיה גדול יותר, המנוע יוכל לבצע יותר עבודה בטווח זה. למרות זאת, יכול להיות מצב שמנוע יהיה ^גמיש^ מאד, למרות שהוא בעל רצועת כוח צרה, שכן אם עקומת המומנט שלו שטוחה דיה ומירב המומנט מגיע כבר בסל^דים נמוכים, המנוע יהיה גמיש ובעל יכולת תגובה טובה גם לפני רצועת הכוח. עם זה, אין היום פרמטר מקובל הקובע כמה אחוזים משיא המומנט כבר יכולים להיחשב לצורך רצועת הכוח. מנוע מכונית שמכוון להשגת הספק מרבי על חשבון המומנט, כדוגמת מנועי הפורמולה 1, יסתובב בסל^ד אדיר, בעוד שמנוע המכוון ליותר מומנט, כמו מנוע המאפיין רכב כבד או רכב שטח, יסתובב בסל^ד נמוך בהרבה. מנועים אמריקאיים מפורסמים במומנט הבשרני שלהם, הבא על חשבון ההספק הנמוך יחסית לנפחם. על מנת לקבל מנוע שיהיה גם בעל הספק גבוה וגם בעל מומנט עליו להיות רב-בוכנות (לפחות שש) וחתך תנועת הבוכנה צריך להיות קרוב לרבוע.
     

תגובות גולשים:

לכתבה זו התפרסמו תגובות