מומנט הספק ושיפורי מנוע - הרצאה!
הרצאה מספר 2035
הספק, מומנט, שיפורי מנוע ומה שבינם.
לאור הבלבול הרב שקיים בין המושגים הספק ומומנט, החלטתי לכתוב כתבה בנושא שיפורי מנוע. הכתבה תכלול רקע מתמתי על מנת להקנות את הבסיס לדיון, ולאחר מכן אסביר את המגבלות הטכניות והמכנות של המנועים, ובסוף אסביר מהם שיפורים למנוע.
ראשית נעשה סדר במושגים. מנוע (מנוע דיזל או בנזין) מייצר רק מומנט. מנוע לא מייצר הספק. את ההספק מייצר השעון. מנוע שמסתובב מייצר מומנט טהור, קרי כוח כפול אורך זרוע. לדוגמא: קג"כ (קילוגרם כוח) * מטר, ניוטון * מטר, ליברה * רגל. המנוע מצדו יודע רק להסתובב, ואין לו ממש מושג על הזמן שחולף בזמן סיבובו. הספק הוא מדד הכרוך בזמן, מכאן, שהוא מדד משני התלוי בפרמטר אחר. לדוגמא: לקחתי את חפירה וחפרתי 100 בורות בחצר בגודל 10*10*10 ס"מ. העבודה שעשיתי: 100 בורות בנפח 1 ליטר. נניח שהזמן שלקחה לי העבודה הוא יום 200 דקות, אזי, ההספק שלי הוא 0.5 בור בדקה בנפח 1 ליטר.
אם נבדוק את יחידות ההספק, נראה שאיך שלא מסובבים אותם, מגיעים ליחידה תלויית זמן. לדוגמא: W (וואט) הוא יחידת הספק חשמלי המוגדרת בשניות או בשעות, או המדד הקלאסי של כוח סוס, הנפת 33000 ליברות לגובה 1 רגל בזמן של 1 דקה. לכל המדקדקים יש שוני בין כו"ס אנגלי לגרמני. היחידה הגרמנית היא הנפת 75 קג"כ לגובה מטר בזמן של שנייה = 735.49W. כדי לסתום את הגולל על נושא יחידות כוח סוס, המדד המקובל הוא
1 hp = 745.69987158227022 W.
נחזור לרגע למומנט. הקשר בין מומנט להספק מובא במשוואה הבאה:
P=M*n/716.2
P הספק כ"ס
M מומנט קג"כ*מטר
n סל"ד
מהמשוואה הנ"ל, ניתן לראות שיש שני גורמים המשפיעים ההספק. הראשון הינו המומנט שהמנוע מייצר. השני, הסל"ד האפקטיבי של המנוע.
תרגיל: לטויוטה היילקס מומנט מקסימלי של 19.6 קג"כ ב-3000 סל"ד .
מכאן שההספק הוא:
19.6*3000/716.2 = 82 כ"ס.
אבל היצרן אומר שיש לרכב 89 כ"ס ב-3800 סל"ד.
נחזור למשוואה:
19.6*3800/716.2 = 104 כ"ס????? למה?
המומנט של מנוע זה, נמוך משמעותית ב-3800 סל"ד מאשר ב-3000 סל"ד. מכאן שאם נזין בנוסחה את ההספק האמיתי, נוכל למצוא את המומנט ב-3800 סיבובים.
89*716.2/3800 = 16.7 קג"מ.
שימו לב למה שראינו בדוגמא, שני הגורמים, סל"ד ומומנט משפיעים במידה זהה על חישוב ערך ההספק. אך יש לזכור שצריך למצוא את נקודת האיזון בין מירב המומנט למירב ההספק. חשוב לזכור, מומנט גבוה מושג בסל"ד יחסית נמוך! למה? שיקולים של נצילות טכנית של המנוע. עם עליית הסל"ד, מורע המילוי הניפחי של הצילינדרים.
לפני שלם החישובים המתמטיים, אני מעוניין לעשות סדר בעוד נושא אחד. הנושא הוא כוח ההתמד. למעט במצב בו המנוע מסתובב לאט, קרי סל"ד סרק, התמד הוא לא דבר טוב. אולם ההתמד לא מייצר הספק או מומנט. כוח ההתמד גורע מומנט, ומוריד את ההספק האפקטיבי עקב העובדה שהוא מעכב את עליית סיבובי המנוע. גלגל התנופה דרוש על מנת לעזור למנועים לעבור נקודות מטות במומנט, ויש כאלה בעיקר במנועי 4 פעימות (שיקולי גאומטריה), ועוזר לנהג כמשכך תנודות במערכת ההנע, למשל בזמן עזיבת במצמד.
כוח ההתמד מוגדר כמכפלת המסה בתאוצה. לכן כאשר הסל"ד יציב, אין למשקל חלקי המנוע, כל השפעה על כוח ההתמד. עלית סל"ד פתאומית, מייצרת תאוצה קווית, בקצה של כל חלק סובב. מכאן, שמסתו של החלק, וקוטרו קובעים את כוח ההתמד שהוא מפתח. למי שלא עקב, תאוצה קווית של חלק סובב, תלויה ברדיוסו, שהוא הפתח לחישוב המהירות הקווית- מהירות זויתית. אני בכוונה לא נכנס לשיקוי מרכז כובד (יסלחו לי נמרוד ואסף). יש לשים לב להבדל בין התמד של ציריה לבין התמד של תוף בלם. הציריה לדוגמא, משקלה עצום (יחסית לדיסק), אבל קוטרה קטן, לכן מייצרת מעט התמד (הסבר גיאומטרי לכך מצוי בכיתה יא'). תוף הבלם, מירב מסתו מצויה סמוך לחלקו החיצוני. הקוטר החיצוני הוא זה שעושה את הדרך הארוכה ביותר, ולכן סובל את התאוצה הגדולה ביותר, ומכאן, מייצר את כוח ההתמד הגדול ביותר.
למי שעדיין לא הבין, גלגלי הרכב, מייצרים את מירב כוח ההתמד. גם משקל הגומי רב, וגם קוטר המעגל גדול. אבל עוד נחזור לכוח ההתמד בהמשך.
מתמטיקה:
באופן גס, נהוג לחשב מחזור תרמי של מנוע בנזין (לא מוזרק) כך: 32% מהחום מנוצל לעבודה מכנית, 28% מהחום עובר למי הקירור, 40% נפסד עם פליטת גזי השריפה החוצה לאגזוז (למישהו יש רעיון להשתמש באנרגיה זו?).
האנרגיה הנוצרת עקב שרפת 1 ליטר של תערובת תקינה! = 390 ק"ג מ'. נניח שאנו מדברים על מנעו איכותי בעל 38% נצילות תרמית, 390*0.38=148.2 ק"ג*מטר לכל ליטר תערובת.
הנצילות התרמית אינה קבועה בכל רצועת הסל"ד ובהחלט תלויה גם בעומס על מנוע.
שני גורמים עיקריים משפיעים על נצילות המנוע (להבדיל מהנצילות התרמית). הראשון: שריפה בלתי מושלמת של התערובת. השני: חיכוך חלקי המנוע הנעים (בוכנות, שסתומים וכד'), וכן חיכוך זרימת התערובת וגזי הפליטה בסעפת ובראש המנוע.
נניח כי נצילות השריפה היא 0.88. והנצילות המכנית היא 0.86.
סך כל האנרגיה היעילה שנוציא מהמנוע יהיה:
148.2קג"מ לליטר * 0.88 * 0.86 = 112.1 ק"ג מטר לליטר תערובת.
ניקח מנוע בנפח 2 ליטר ב-2400 סל"ד.
נצילות נפחית 0.8
נצילות תרמית 0.38
נצילות שריפה 0.88
נצילות מכנית 0.86
2400 סל"ד במנוע 4 פעימות = 1200 פעימות עבודה בדקה = 20 פעימות (מילוי ניפחי) בשניה.
בהתאם לנצילות הנפחית נקבל 2 ליטר *0.8 = 1.6 ליטר בלבד.
1.6 ליטר * 20 = 32 ליטר תערובת תינק בשניה.
מהאנרגיה של 390 קג"מ לליטר * 0.38 (נצילות תרמית) = 148.2 קג"מ לליטר.
לאחר הפסדי שריפה יישארו: 148.2 * 0.88 = 130.4 קג"מ לליטר.
במשך שניה אחת, ישרוף המנוע 32 ליטר תערובת * 130.4 קג"מ לליטר = 4173.
N ההספק = 4173 ק"ג * מטר חלקי שניה. שימו לב ליחידות!
אם נתרגם את ההספק לכוחות סוס:
4173/75 = 55.6 כוחות סוס. זהו כמובן ההספק התאורטי של המנוע (הספק אינדיקטורי).
55.6 * 0.86 נצילות מכנית = 47.8 כוחות סוס.
אני כבר שומע שמישהו אומר: זה לא יכול להיות.......
בוודאי שזה יכול להיות. אם נבדוק את החישוב עבור 6000 סל"ד, נקבל הספק של 119.5 כו"ס. בהחלט ערך מתאים למנוע מאייד, ללא טכנולוגיות עזר, בהם נדון בהמשך.
נקודה אחרונה בחלק זה של ההרצאה, היא ייצור המומנט במנוע.
הבוכנה במנוע, דוחפת טלטל, לבוכנה רכיב כוח קווי בלבד. תנועתה הקוית של הבוכנה, דרך הטלטל, הופכת לתנועה מעגלית.
היות שמומנט מוגדר ככוח * דרך, והכוח בבוכנה הוא קבוע למנוע מסויים, הגדלת קוטר גל הארכובה, תגדיל את הזרוע – הדרך- ומכאן שגל בעל קוטר גדול, ייצר יותר מומנט.
הלחץ הפועל על שטח הבוכנה, נותן רכיב כוח טהור .
רכיב הכוח על הטלטל לפי אורך הארכובה, נותן מומנט טהור.
מומנט הנמדד ביחידות N*M. (Nכוח טהור בניוטוןM. אורך הזרוע (במנועים הוא לפי תלות בקוסינוס זוית הארכובה. מעבר לכך יש לזכור את הנתונים הבאים: הלחץ הגבוה ביותר על הבוכנה הוא מיד אחרי נמ"ע, אך אז הזרוע שואפת ל-0 לפי קוסינוס של 90 מעלות). הזרוע הארוכה ביותר היא כאשר הטלטל באמצע הדרך (קוסינוס של 0 מעלות שווה ל-1, אך אז כבר הלחץ בחלל הצילינדר ירד באופן משמעותי.
מכאן שהמומנט של המנוע הוא רכיב קשה לחישוב אך בהחלט ניתן לחיזוי, בהתאם למידותיו הגיאומטריות של גל הארכובה.
יש להבין ששני דברים קובעים את גודל המומנט: המידות הגיאומטריות של גל הארכובה, הלחץ תא השריפה.
הלחץ בתא השריפה, תלוי בנצילות של המנוע. כל שיפור שנכניס, וישפר את נצילות השריפה, יעלה את המומנט, ובהתאם יעלה את ההספק.
הגדלת קוטר גל הארכובה, תיצור בעיות מכניות רבות + כוחות התמד גבוהים, לכן הדבר מוגבל.
המשך ההרצה, יכלול 3 חלקים.
1) שיפור השריפה, או איך לשרוף יותר דלק בנפח נתון.
2) אופטימיזציה של המידות הגיאומטריות של המנוע.
3) התאמת טכנית של חלקי המנוע, לעבודה בסל"ד גבוה מאוד.
המשך יבוא.
קיד.