על הקשר בין הספק המנוע ויחס הדחיסה

מתוך התבוננות בנתוני הספק של מנועים שונים, למדתי כי הגורם העיקרי והחשוב ביותר לעליית ההספק הוא שינוי יחס הדחיסה. במאמר זה אנסה להסביר את התיאוריה לפיה יחס הדחיסה הוא גורם משמעותי בהעלאת הספק המנוע ולהוכיח אותה.

התיאוריה

מהו יחס דחיסה? היחס בין נפח הבוכנה הגדול ביותר לקטן ביותר. בתמונה משמאל הצגה גרפית של המושג יחס דחיסה, copmpression ratio.

על מנת להעלות הספק יש להעלות בראש ובראשונה את יחס הדחיסה. כל הדברים האחרים שמבוצעים במנוע נועדו רק לעזור למטרה זו. חשוב לציין שיצרני המנועים אינם מבצעים שינויים מטוב ליבם אלא בעיקר בגלל דרישות משתנות של תקנות זיהום אוויר ודרישות שוק.

נתחיל מהוכחת הקשר בין יחס דחיסה להספק המנוע מתמטית:

נצילות המנוע במערכת אידיאלית, בתלות ביחס הדחיסה Rv:

הנצילות התרמודינמית כתלות בעבודה בבוכנה אחת Wi:

תלות העבודה המושקעת על בוכנה אחת בכמות חום המושקעת:

הלחץ האפקטיבי הינו פרופורציוני להספק האינדיקטורי:

במערכת אידיאלית, התלות של לחץ אפקטיבי הינה בעבודה המושקעת נטו:

מכאן מתקבל שיש יחס ישיר בין הלחץ האפקטיבי הממוצע ליחס דחיסה Rv:

הצבת הנוסחאות מביא אותנו להוכחה שההספק המנוע הינו פונקציה של יחס דחיסה:

הגדלת מספר הצילינדרים, הגדלת הנפח, או הגדלת החום המושקע, יגדילו גם הן את ההספק, אבל כאשר מעוניינים לא להגדיל את נפח המנוע או להוסיף צילינדרים, והחום המושקע חסום מראש על ידי נתוני הדלק, הפרמטר היחיד אותו ניתן לשנות על מנת להגדיל את הספק המנוע, הוא יחס הדחיסה.

חשוב לזכור שבמערכת אידיאלית

 אבל פרקטית זה שונה:

אחרי כל האותיות והנוסחאות, עדיין לא השתכנעתם? (אף אחד לא משתכנע מאותיות יווניות - המערכת) אז ננסה לבדוק את הטענה כי רובו המוחלט של השיפור בהספק נובע משינוי יחס הדחיסה, באמצעות מקרה מבחן.

כמקרה מבחן, נבדוק את הנתונים של מנוע שלא השתנה משמעותית מאז שנות ה30 של המאה ה20-  מנוע ה2 ליטר המפורסם של אלפא רומיאו. המנוע שניזון בעבר מקרבוראטורים, עבר להזרקה מכאנית, לרב-נקודתית וכיום הוא מוצע בהזרקת דלק ישירה. חשוב לשים לב שרוב הדגמים המאוחרים באו עם מערכת הצתה כפולה (Twin Spark) דגמים אלו מצויינים בצמד האותיות TS.

נתוני המנועים:

הצגה גרפית: ניקח את הנתונים החשובים לנו, הספק ויחס דחיסה, ונציב אותם על גבי גרף.

לכאורה קיים שיפור ממנוע למנוע, ככל שהטכנולוגיה מתקדמת. ניתן לראות גם, כי במקביל לעליית ההספק המתמידה, ישנה עלייה ביחס-הדחיסה. נציג גם את השינוי בהספק הנפחי:

השוואה ראשונה: נשווה בין מנוע ה - OHTC הראשון, ליורש שלו, עם ה-TS. הטבלה מראה שהשינוי באחוזים בין ההספקים זהה כמעט לחלוטין לשינוי ביחס-הדחיסה.

שימו לב כי המנוע החדש נהנה ממערכת הצתה כפולה שאמורה להיות יתרון בהספק המנוע.

השוואה שנייה: כעת ניקח שני מנועים הרחוקים טכנולוגית שנות דור, האחד מוזן ע"י ארבעה קרבורטורים והשני על-ידי מערכת הזרקת דלק ישירה, המילה האחרונה בטכנולוגיית המנועים.

שוב, ההבדל ממש לא גדול...

מסקנת ביניים: יחס הדחיסה הוא הגורם העיקרי להעלאת הספק במנוע.

תהיות נוספות: מדוע אם כן לא העלו יחס דחיסה קודם לכן? למה העדיפו לעלות בנפח? מדוע ההתפתחות בעצם לא קידמה את מנוע הבעירה הפנימית?

נראה כי התשובה לכך מורכבת מכמה סיבות.

• עליית איכות הדלק הנפוץ, המאפשר עמידות גבוהה יותר בפני הצתה עצמית (אוקטן גבוה יותר).

• ירידה בעלויות ייצור שיבוב מדוייק.

• התפתחות האלקטרוניקה שמאפשרת היום דיוק וגמישות טובה יותר של מערכות ההצתה.

• היה פשוט יותר לקבל תוספת הספק על-ידי העלאת נפח.

• עליית הדרישה למכוניות "ירוקות" יותר, מזהמות פחות.

שינויי מגמה?

ניתן לראות כי כיום שואפים בראש ובראשונה למנועים "נקיים" יותר וידידותיים לסביבה יותר כגון מנועי השריפה הענייה. כיוון זה יאלץ את היצרנים לשפר את המילוי הנפחי של המנועים בכדי לעמוד בתחרות עם מנועי הדיזל, לכן כפי הנראה, בעתיד הנראה לעין מנועי בנזין מסוג בעירה ענייה יוצעו עם מגדישי-על מסוג כלשהו, ככל הנראה מסוג טורבו.

השפעת הגדישה על יחס הדחיסה:

סיכום:

על מנת לשפר הספק יש להעלות יחס דחיסה. אם רוצים להעלות הספק בצורה טובה יותר, יש לשפר את המילוי הניפחי של הצילינדרים, קרי גידוש.