פורום ג'יפולוג 4X4 - על קירור ומניפות בג'יפים

הרצאה של קיד על מניפת המצנן ומבוא למערכת הקירור בכלל. פאנים חשמליים, מכאניים, יתרונות וחסרונות, ובונוס נתיחת גופה לפאן-קלאץ'. (Photographs: )

בראשית יצר האדם מנועי בנזין דלי הספק, בעלי בלוק מנוע עצום. מנועים אלה יצרו מעט חום, שכן, כמה חום כבר יכול לייצר מנוע של 7 כ"ס? הבלוק העצום נבע ממחסור בטכנולוגיות ייצור בנושא יצקות. המשמעות של מעט חום ובלוק גדול היא שרוב החום נפלט דרך פני השטח של המנוע. עם העלייה בהספק המנוע, היה צורך לבנות מערכת להפגת החום אל הסביבה בדרך מאולצת. למתכננים היו שתי ברירות: קירור ישיר (השבת אויר על המנוע), או קירור עקיף דרך מחליף חום (כאשר נוזל משמש כמסיע החום אל מחליף החום). דרישות המערכת היו פשוטות מאוד לכאורה, אך במבט שני כמעט בלתי אפשריות עקב ניגודיות:

1. שמירה על טמפרטורה עבודה קבועה.

2. קירור המנוע במאמץ מרבי (הספק מרבי).

3. קירור המנוע בזמן עמידה (אין רוח חיצונית).

4. חלוקת חום סימטרית על פני בלוק המנוע.

5. חימום מהיר של המנוע לאחר התנעה.

6. התאמה לאזורי אקלים שונים.

7. אי תלות במזג האוויר.

8. חיסכון בהספק להפעלת מערכת הקירור.

9. מניעת ירידת טמפרטורת העבודה של המנוע בתנאי פעולה של קור, רוח, רטיבות.

יש הבדל רב בין דרישות הקירור ביום חם ויבש (אוויר יבש מוליך מעט מאוד חום) באזור ים המלח, לבין יום מושלג בשוויץ. מהר מאוד הובן שמערכת קירור ישירה ע"י השבת אויר עונה על חלק מועט מהדרישות, ומנגד אינה תואמת כלל חלק רב מהדרישות. השמירה על טמפרטורת מנוע קבועה , לא רק שאינה אפשרית, אלא רחוקה מלהיות ישימה. גרועה מכל היא העובדה שהיא עולה בבזבוז אנרגיה עצום. מניפת הקירור עובדת תמיד במלוא ההספק, גם כאשר אין כל צורך בכך. שני יצרנים גדולים (דגש על יצרנים גדולים) בלבד, יצרו מנועי רכב בעלי קירור אויר ישיר, והם VW, DEUTZ. שניהם מן הסתם יועדו בתחילה לשוק הגרמני.

כעת נתפנה לעסוק במערכת קירור עקיפה. מערכת קירור עקיפה היא מערכת בה החום של המנוע מוסע ע"י נוזל אל מחליף חום, המרוחק מהמנוע. במחליף החום אויר חיצוני גורע את החום מהנוזל.

מערכת עקיפה מורכבת מהחלקים הבאים:

1. נוזל קירור. לרוב מים + תוסף מתוחכם נגד קורוזיה, קיפאון, הקצפה, מניעת רתיחה.

2. משאבת סחרור. קיימות משאבות המונעות ע"י רצועת האביזרים, גלגל שיניים של רצועת התזמון, משאבות חשמליות.

3. מחליף חום, בעברית מקרן, בלעז רדיאטור.

4. מניפה המפיחה רוח על המקרן. מופעלת חשמלית או ע"י רצועת האביזרים.

5. התקן לשמירה על חום המנוע. תרמוסטט מכני.

6. התקן לחסכון באנרגיה מכנית. מצמד למניפה מכנית או מתג-חיישן חום למניפה חשמלית.

כבר בתחילת הדרך, המערכת הנ"ל עבדה מצוין. משאבת מים צנטריפוגלית הסיעה את נוזל הקירור דרך תעלות בבלוק ובראש המנוע. משם דרך תרמוסטט מכני, אל המקרן, ולאחר צינון, בחזרה אל הבלוק. היתרונות היו עצומים על פני שיטת הקירור הישירה. ואם נחזור אל הטבלה הראשונה, נוכל לסמן V ברוב הסעיפים:

1. שמירה על טמפרטורה עבודה קבועה. כן, ע"י תרמוסטט.

2. קירור המנוע במאמץ מרבי (הספק מרבי). כן, ע"י מקרן בעל שטח פנים גדול.

3. קירור המנוע בזמן עמידה (אין רוח חיצונית). כן, ע"י מניפה.

4. חלוקת חום סימטרית על פני בלוק המנוע. כן, ע"י מעבר המים ראשית בבלוק, ורק לאחר ספיחת החום של הבלוק, מעבר אל הראש החם יותר.

5. חימום מהיר של המנוע לאחר התנעה. כן, ע"י התרמוסטט וע"י ניתוק המניפה.

6. התאמה לאזורי אקלים שונים. לכל רכב הותאמו דגמי מקרנים שונים בהתאם לארץ היעד.

7. אי תלות במזג האוויר. יכולת הולכת החום של המים טובה פי 25 מאשר הולכת החום של האוויר, לכן אפילו מפל טמפרטורה של 10 מעלות בין המים למנוע, מאפשר הולכת חום סבירה.

8. חיסכון בהספק להפעלת מערכת הקירור. כן, ע"י דימום המניפה.

9. מניעת ירידת טמפרטורת העבודה של המנוע בתנאי פעולה של קור, רוח, רטיבות. כן, אויר קר ורטוב כמעט ואינו זורם ישירות על המנוע.

היות וההרצאה היא על מניפות קירור, לא אכנס לנושא קירור שמן המנוע. אם נתקדם מהמנועים הראשונים באירופה שהיו בעלי הספק נמוך, עד שנות השישים, נגיע אל שוק הבנזין הגואה אשר מעבר לאטלנטי. מנועי הרכב האמריקאים היו בעלי הספק עצום, ותחום סיבובי מנוע נמוך. מנועים אלה היו קלאסיים למניפה המחוברת באופן תמידי לגל הארכובה. מנועים שישבו בהתאם לציר האורך של השלדה, רק חיכו לרצועת אביזרים, יחס מסירה מהיר, ומניפת פלדה גדולה. מניפות אלה הסתובבו יחסית לאט, ערב כופל סל"ד נמוך של המנועים הגדולים. מנועים אלה עבדו עד 3000 סל"ד, ולכן לא היה צורך לנתק את המניפה, מה עוד שממש לא היה מחסור בהספק זמין, ולא הזיז לאף אחד בזבוז ההספק.

שני תהליכים קרו בעולם במקביל. הראשון, בארה"ב דרשו הספק רב יותר, ולכן היה צורך במערכת לניתוק המניפה. התהליך השני הוא בניית מנועים רוחביים ביפן ואירופה. מנוע רוחבי אינו יכול לספק סיבוב למניפת מנוע קדמית, ולכן התפתחו המניפות החשמליות.

רגע של פיסיקה: מפוח מסוג מדחס צירי, הפועל ע"י מניפה שדוחפת / מושכת את האוויר במקביל לציר המניע, אינו אוהב התנגדות בצד המוצא. משפט מסובך! אסביר: מניפה רגילה, כמו שיש לכולנו ברכב, מספקת לאוויר כוח, תנועה, תנופה....בשני כיוונים. הכיוון הראשון הוא קדימה לאורך הציר המניע, הכיוון השני הוא בניצב לציר המניע. שני כיוונים אלה מתגבשים יחד לזרימה קדימה היוצאת ממרכז המניפה ונוטה להתפזר לכיוון היקף המניפה. זה קורה משום שאין מדובר על לבה של מדחף של מטוס/מסוק על פרופיל כנף, אלא על כנף מפותלת. כנפיים מסוג זה מקנות לאוויר כוח צנטריפוגלי רב. כאשר יש חסימה במוצא האוויר, מהירות הזרימה יורדת. האוויר נוטה לזרום אל היקף הלהבים, ולעבור אל צידם האחורי. משום כך מניפות מסוג זה, יעילות יותר כאשר הם מושכות את האוויר מהמקרן, מאשר כשהן צריכות לדחוף את האוויר אל תוך המקרן. תוסיפו לכך את העובדה שברכב מודרני 5 מקרנים (מים, שמן גיר, מצנן בינים של המגדש, מעבה מזגן, שמן מנוע), והרי לכם מתכון בטוח לשיבוש הפעולה של מניפה דוחפת. מכאן ניתן להבין שמדחס צירי ברכב = מניפה מושכת בתוך כונס גדול = יעילות.

המניפה החשמלית: מנוע חשמלי חסר סלילים (באופן המוכר). עקב הרצון לחסוך בגודל המנוע, העוגן בנוי ממוליכי נחושת היוצאים מהמרכז והחוצה, להבדיל מסלילים אורכיים לאורך ציר העוגן במנועי DC רגילים. למעשה כל העוגן הוא דסקה דקה שבה מוליכים יוצאים מהמרכז הקדמי, בו נמצא ה"קולקטור" הראשון, יוצאים אל הקוטר החיצוני, עוברים אחורה וחוזרים את המרכז האחורי אל ה"קולקטור" השני. יתרונות: הפעלה וניתוק מיידים ע"י מתג (אוטומט תרמי, מחשב, מתג ידני), עובי דק, אין מערכות עזר. חסרונות: הספק מכסימלי נמוך, דוגמא: מניפה הצורכת זרם היסטרי של 40A במערכת של 12V, מייצרת רק 12*40=480W, שהם אפילו לא מגיעים ל3/4 כ"ס. קשה לדרג את הספק המניפות משום שלא ניתן לשנות את מהירות מנוע DC. שינוי המהירות מתבצע ע"י פיצול המנוע לשתי דיסקות. על מנת ליצור דרוג בהספק הקירור, יש לפצל את המנועים או לפצל את המערכת לשתי מניפות או שלוש, כאשר כל שלב מופעל באופן עצמאי ע"י חיישן חום משלו. כאשר המניפה מותקנת כמניפה מושכת, המנועים החשמליים סובלים מחום רב, המקצר את חייהם. חסרון נוסף הוא בלוגיקה של שיטת ההפעלה. לדוגמא רכב יפני נוסע בכביש ישראלי באמצע אוקטובר עם מזגן דולק במהירות של 100 קמ"ש. לוגית, הפעלת המזגן תפעיל את כל מניפות הקירור הקיימות במלוא ההספק, על למנוע לחץ גבוה בראש מדחס המזגן. הגיונית, אנו לא צריכים כלל את המניפות. הלא באמצע אוקטובר לא כל-כך חם בחוץ, ומעבר לכך הרוח הנכנסת את המעבה במהירות של 100 קמ"ש מספיקה בהחלט. הפתרון: הוספת שליטה ממוחשבת על פעולת מניפות הקירור. חסרונה של שיטה זו הוא אי היכולת לשנות את הפרמטרים להפעלת המניפה.

דוגמא: רכב נוסעים דיזל נפוץ, בעל שתי מניפות חשמליות ופיקוד מניפות ממוחשב. המניפה הראשונה נועדה גם לקירור המנוע וגם לקירור מעבה המזגן, מניפה זו מופעלת על סמך טמפרטורת המים, וכאשר המניפה השנייה מופעלת. המניפה השנייה מופעלת רק כאשר בקרת האקלים דורשת את הפעלת מדחס המזגן. כעת אנו עולים מסדום לכיוון ערד ביום חם מאוד. המצב הלוגי היחיד שבו נוכל לאלץ את שתי המניפות לפעול על מנת ששתיהן יקררו את המנוע, הוא נסיעה במזגן דולק. גם נפסיד הספק בעליה, וגם נכביד על המנוע ע"י החום הרב שמופק ממעבה המזגן. האוויר נכנס אל מעבה המזגן בטמפ' של 45 מעלות, ויוצא משם בטמפ' של 55 מעלות. משם הוא עובר במצנן הביניים של המגדש, וצובר עוד 15 מעלות. עכשיו אל המקרן של המנוע נכנס אויר בטמפ' של 70 מעלות C. אבל מה לעשות, אנחנו עם דוושת המצערת דבוקה לרצפה, וחום המנוע מטפס אל עבר האדום. הפעולה הבסיסית של כיבוי המזגן, אכן תוריד את טמפ' האוויר הנכנס אל המקרן, ואפילו תחסוך בהספק המנוע, אך תכבה 50% מאספקת הרוח אל המקרן. באמת מלכוד 22.

לכן, היות ולרובנו מנועים אורכיים, ניתן לדון במניפה המופעלת ע"י רצועת האביזרים. מניפה מסוג זה היא לעולם מניפה מושכת - אלה אם איזה אידיוט עשה לעצמו חור ברדיאטור, ומיקם את המניפה מלפנים- לכן מניפה זו הינה יעילה ביותר. מניפות אלה יכולת להפיק הספק עצום של רוח היות שרצועת V ברוחב B בג'יפ CJ סטנדרטי, יכולה להעביר מעל 5 כ"ס מבלי להניד עפעף. למניפה מכנית ניתן למצוא את הקשר בין הספק מנוע דרוש גדול, סיבובי מנוע גבוהים ומהירות מניפה גבוהה = הספק קירור גדול. למעשה גם במנוע אמריקאי טורי משנות השישים, רצון הנהג לקבל כוח הוא בעצם סיבובי מנוע מהירים יותר, בהתאמה מהירות מניפה גדולה יותר, ומבלי להשקיע טכנולוגיה, גם יכולת קירור גדולה יותר.

כעת, לפרק על מצמדים למניפה מכנית. בסדר, אז לכולנו מניפה המונעת ע"י רצועת האביזרים, אבל כיצד ניתן לכבות את המניפה כאשר אין צורך במלוא תפוקת הקירור? הלא זה ממש מתבקש לחסוך בדלק וברעש.

מצמד קפיץ: זהו מצמד בעל דיסק חיכוך קטן, וקפיץ לחיצה. לחיצת הקפיץ אל הדיסקה מחברת בין לב המניפה אל החלק האחורי שהוא גלגל הרצועה. הפרדת המצמד נעשית ע"י בוכנה פנאומטית או בוכנת שמן זעירה המפוקדת ע"י ברז חשמלי (סולנואיד). ניתן לראות מצמדים מסוג זה אפילו בימינו במנועים של חברת "קמינס". מצמד זה אינו יכול לווסת את מהירות ההפעלה.

מצמד אלקטרומגנטי: על לב המניפה רוכבת פלטת פח. מאחורי גלגל הרצועה מותקן אלקטרו מגנט חזק. הפעלת המגנט מושכת את הפחית את גלגל הרצועה ויוצרת הצמדה. מצמד זה אינו יכול לווסת את מהירות ההפעלה.

מצמד ויסקוזי: זהו בעצם מצמד זרימה, המורכב ממשאבה (רוטור) וטורבינה, ג'ל סמיך ושסתום. גלגל הרצועה מסובב את החלק הפנימי שהוא הרוטור. זהו בעצם דיסק אלומיניום בעל חריצים היוצאים מהמרכז בצורת "ציקלואיד" (ציקלואיד הינו המסלול שעושה נקודה המקובעת על גלגל בזמן שהוא מתגלגל על מישור.) הג'ל מותז בכח על הטורבינה שהיא בעצם המעטפת החיצונית של הדיסק. מעטפת זו מורכבת משני לוחות המחוברים ביניהם ע"י ברגים. הלוח הקדמי אליו מחוברת המניפה. הלוח האחורי במרכזו יש חור שדרכו נכנס הציר המניע את הרוטור, הלוח מצויד במחזיר שמן למניעת בריחת הג'ל. בלוח הקדמי מותקנת מחילה שתפקידה להחזיר את הג'ל את מרכז הרוטור. למעשה יש כאן משאבה צנטריפוגלית הפועלת במחזור סגור. ויסות המהירות של המניפה מתבצע ע"י הרעבת הרוטור. שסתום זעיר הממוקם בלוח הקדמי, סוגר את מעבר הג'ל בין המחילה לבין מרכז הרוטור ע"י פין. סגירת המחילה אל מאפשרת כניסת ג'ל אל הרוטור, כל הג'ל מצטבר בהיקף, אין מעבר כוח בין הרוטור לטורבינה, והמניפה נעצרת. בחזית הלוח מותקן קפיץ העשוי שתי מתכות (בימטאל), עליית הטמפרטורה של הקפיץ, גורמת לכיפופו ולמשיכת הפין הסוגר את המחילה. עם פתיחת מעבר הג'ל אל מרכז הרוטור, הטורבינה צוברת מהירות והמניפה חוזרת להסתובב.

יש לציין כי הפעולה של השסתום ליניארית, וניתן לקבל מגוון הספקי הצמדה. יש להבהיר כי אני מדבר על הספקי הצמדה ולא על מהירות, משום ששילוב של 100% ב1000 סל"ד שווה לשילוב של 50% ב2000 סל"ד או שילוב של 25% ב4000 סל"ד. בכל המקרים המניפה תדרוש את אותו ההספק מהמצמד הויסקוזי. למעשה בדוגמא זו בתחום של 4000 סל"ד שסתום המצמד יהיה פתוח בשיעור של 100%, אך ההספק הדרוש מהצמד יהיה מעל יכולתו של המצמד, ולכן תהיה החלקה בין הרוטור לטורבינה.

כאן המקום להסביר חלק מהמושגים כמו מצמד HEAVY DUTY, מתנתק, משתלב וכד' : האופיין של פעולת המצמד תלוי בקוטר המצמד, בגודל השסתום, ובכיוון מהמפעל של דו-מתכת של שסתום המחילה. שסתום המחילה מכויל להתחיל להיפתח בטמפ. מסוימת. ברגע בו טמפ. האוויר עולה ערך מסוים, השסתום מתחיל להיפתח, ומתחילה הצמדה.

קוטר המצמד קובע באופן ישיר את הספק המניפה. נניח שהמניפה של ג'יפ סופה דיזל תוכננה לעבוד לאט (סל"ד נמוך), ולכן בעלת כנפיים ענקיות. המצמד של מניפה זו יהיה גדול משמעותית ממצמד של ג'יפ סופה בנזין בו המניפה קטנה יותר. ההספק שמניפת הדיזל תצרוך ב3000 סל"ד יהיה גבוה משמעותית מההספק הנדרש ע"י מניפת הבנזין באותם הסיבובים. לכן יש צורך במצמד בעל קוטר גדול יותר. מצמד זה עשוי להיקרא HEAVY DUTY. התקנת מצמד כזה על רכב שאינו זקוק לו, תגרום לסיבוב המניפה מהר יותר מהדרוש, ולכן לבזבוז דלק.

גודל שסתום ההפעלה קובע את קצב גידול המהירות של המניפה. שסתום גדול יגרום עליה מהירה במהירות המניפה שלא לצורך. שסתום קטן, בדומה למאייד בעל לוע קטן, יאפשר שליטה מדויקת במהירות המניפה. שינוי חום קטן יגרור שינוי זעיר במעבר הג'ל במחילה, ועליה הדרגתית בהספק המניפה. ככלל, ככל שקוטר המצמד גדל, כך יש להקטין את השסתום, על מנת לאפשר שליטה במהירות המניפה ע"י הקפיץ, דו-מתכת. חסרונו של שסתום קטן, הוא שבעת סיבובי מנוע גבוהים, נוצרת הרעבה של הרוטור, ולמעשה יש הרגשה שהמניפה מתנתקת. המניפה לא באמת התנתקה, היא פשוט דורשת המון הספק מהמצמד, ואילו הרוטור נשאר מיובש ואינו יכול להעביר תא התנועה אל הטורבינה. התוצאה היא ירידה במהירות המניפה (שנשמעת כמו כיבוי המניפה) עד למצב בו יש שיויון בין ההספק הנצרך להספק המועבר.

הדור הבא (קיים מאז 2002) של המצמדים הויסקוזיים מצויד בשסתום זרימה בעל הפעלה חשמלית. הפעלת השסתום הינה כנגד קפיץ ע"י אות ריבועי בעל תדר קבוע, אך אי סימטריות בין זמן ON לבין זמן OFF. למעשה השסתום רוטט לאט פנימה והחוצה, כאשר תדר הריטוטים קבוע, אך הזמן בו השסתום שוהה במצב הפתוח או הסגור נותן לשינוי. הפעלה זו מאפשרת לבקר מחשב, שליטה מלאה במהירות המניפה ברזולוציה של +- 50 סל"ד.

מצמד מניפה דולף, מחוזק על ידי שלושה ברגי איסכורית: