טכני: על ראש מנוע, יחס דחיסה וצלצולים

את הנתון הזה אתם מכירים מכל טבלת נתונים של אופנוע: יחס הדחיסה. לנתון הזה ישנה חשיבות גבוהה בביצועי המנוע שלנו. ראשית נסביר כי מדובר ביחס שבין נפח הצילינדר כולל תא השריפה כשהבוכנה נמצאת בנקודה מתה תחתונה (נמ"ת), לבין נפח תא השריפה כשהבוכנה נמצאת בנקודה מתה עליונה (נמ"ע). או במילים פשוטות – כמה נדחסת התערובת שנכנסת לצילינדר. בנוסחה התרמודינמית לנצילות מנוע לנתון הזה יש חשיבות מכרעת, וככל שהוא יהיה גדול יותר – כך תגדל נצילות המנוע. ככל שיחס הדחיסה יהיה גבוה יותר, כך נקבל יותר הספק בגלגל מכל טיפת דלק שאנו שורפים, כלומר ננצל יותר מהדלק להנעת המנוע ופחות לחימום האטמוספרה. במנועי בנזין אגב, נצילות המנוע עומדת סביב 25%; נתון בהחלט לא מרשים. 75 האחוזים הנותרים נפלטים לאטמוספרה כחום. אמר מי שאמר שאנחנו רוכבים על תנורים – וצדק.

אז מה הבעיה אם כן? בואו נעלה את יחס הדחיסה על ידי ייצור תאי שריפה קטנים יותר, ובכך נשפר את הנצילות. מנועי דיזל מודרניים למשל, עובדים עם יחס דחיסה של 20:1 ואף יותר, אז למה מנועי בנזין לא עוברים את ה-14:1, וגם זה רק במנועים ספורטיביים סופר-קיצוניים? אם נעלה את יחס הדחיסה, גם נפיק יותר כוח וגם נזהם ונחמם פחות את האוויר. מה רע? אז זהו שזה שלא רע, אבל גם לא אפשרי. כמו כמעט בכל תחום, גם כאן יש אילוצים שמובילים לפשרות.

האילוץ העיקרי של יחס הדחיסה במנועי בנזין הוא הבנזין עצמו. לחומר החשוב הזה יש בעיה עיקרית – הוא נוטה להתלקחות ספונטנית כתוצאה מחום ולחץ. בזמן מהלך דחיסת התערובת במנוע, אלו בדיוק התנאים ששוררים בצילינדר – חום ולחץ. ההתלקחות הספונטנית הזאת של הבנזין גורמת למספר בעיות, שעליהן נרחיב בהמשך, אך לפני כן בואו נדבר עוד קצת על הדלק.

"95 מלא, בבקשה"

על מספר האוקטן של הבנזין כולכם שמעתם, בעיקר כי אנו נחשפים אל המספרים הללו בכל תדלוק בתחנת הדלק. בניגוד לדעה הרווחת, מספר האוקטן לא מציין אם הדלק טוב או נקי יותר, אלא משהו אחר לגמרי. מספר האוקטן מסמל את ההתנגדות של הבנזין לאותה הצתה עצמית כתוצאה מחום ולחץ. ככל שמספר האוקטן יהיה גבוה יותר, כך הדלק יהיה יציב יותר והנטייה להתלקחות ספונטנית – נמוכה יותר. כלומר, במנועים שבהם יחס הדחיסה יהיה גבוה, יש צורך להשתמש בדלק באוקטן גבוה. זה ברור, אבל זה לא הסוף.

מספר האוקטן של בנזין אשר מזוקק מנפט גולמי הוא לא גבוה במיוחד, ועומד על כ-40-50 בלבד. בבנזין כזה לא ניתן להשתמש במנועי בעירה פנימית, ובמקרה הטוב הוא יהיה יעיל להדלקת מנגל. על מנת להשתמש בבנזין במנועים, כך שיידחס ויתחמם מבלי להתלקח, יש צורך להעלות את מדד האוקטן שלו. איך? על ידי הוספת תוספים. בעבר נהגו להשתמש בתרכובת של אתיל-עופרת, אולם עם הזמן התברר שהתרכובת הזו מזהמת במיוחד ולכן הקטינו משמעותית את המינון של התוסף והחלו להשתמש בתוספים אחרים. דלקים אלו נקראים נטולי עופרת. את מספר האוקטן נוהגים למדוד בשתי שיטות – RON (ר"ת Research Octane Number) ו-MON (ר"ת Motor Octane Number). הראשונה היא שיטה שבה בודקים את הדלק בתנאים קבועים, והשנייה זו המדידה בפועל על מנוע שעובד בתנאים משתנים. מדד ה-RON יהיה גבוה יותר ממדד ה-MON, והוא זה שבו עושים שימוש בארצנו.

עניין של זמן

בין מהלך הדחיסה לבין מהלך העבודה של המנוע, יש זמן קצר שבו מתרחש תהליך שריפה. חשוב לזכור שמדובר בשריפה ולא בפיצוץ, שכן תהליך שריפה הוא איטי והדרגתי יותר (50-100 מטרים בשנייה) לעומת פיצוץ שמתרחש בפתאומיות (פי 20 מהר יותר). בסיום תהליך השריפה האנרגיה הכימית של הדלק הופכת לחום, ולכן בשלב זה הטמפרטורה בתא השריפה, ואיתה גם הלחץ – הגבוהים ביותר. על מנת לנצל את מלוא הלחץ הזה יש צורך לדאוג שתהליך השריפה יסתיים מיד אחרי שהבוכנה תגיע לנמ"ע, וכך הלחץ ינוצל באופן מקסימלי לעבודה יעילה. לשם כך, ובשל העובדה שהשריפה היא תהליך שלוקח זמן, יש צורך להתחיל את תהליך השריפה, כלומר לתזמן את הניצוץ, קצת לפני שהבוכנה מגיעה לנמ"ע. בשפה המקצועית זה נקרא קידום הצתה, והוא משתנה לפי עומס המנוע (מצב מצערת) ומהירות המנוע.

בסל"ד סרק קידום ההצתה נע לרוב סביב 8-10 מעלות של גל הארכובה לפני שהבוכנה מגיעה לנמ"ע. הקידום המקסימלי מתרחש בסל"ד גבוה בלי עומס, והוא עשוי להגיע עד 35-40 מעלות של גל הארכובה. בין לבין הוא משתנה – ככל שהמצערת נפתחת ההצתה מתאחרת, וככל שמהירות המנוע עולה – ההצתה מוקדמת.

למי צלצלו השסתומים?

צריך אבל לזכור דבר נוסף. בזמן תהליך השריפה הבוכנה עדיין עושה את דרכה לנמ"ע כשהיא ממשיכה לדחוס, ולכן הלחץ בתא השריפה גדל. במקביל, חזית הלהבה שנוצרה מהניצוץ מתפשטת, הדלק נשרף, ואיתו עולים הטמפרטורה והלחץ. היות והבנזין אינו יציב בחום ובלחץ, עלולה להיווצר בעיה – דטונציה. כאשר הטמפרטורה והלחץ בתא השריפה עולים, עלולה להיווצר במקום אחר בתא השריפה חזית להבה נוספת, שנוצרה עקב הצתה ספונטנית של הבנזין בגלל התנאים – שוב, חום ולחץ.

כעת, כאשר שתי חזיתות להבה נעות אחת לכיוון השנייה, נוצרות שתי בעיות משנה: ראשית, פגיעה של חזית להבה אחת בשנייה יוצרת פיצוץ שגורם לאימפקט. שנית, תהליך השריפה מסתיים לפני שהבוכנה מגיעה לנמ"ע, ולכן על הבוכנה פועלים כוחות גדולים בעודה עדיין דוחסת. תופעה של דטונציה תגרום לצלצולים מהמנוע תחת עומס בטמפרטורה גבוהה, והפתרון הוא למצוא את גורם ההצתה המקבילה ולפנות אותו. הגורם עלול להיות פיח בפינות תא השריפה או על המצת, מצת בדרגת חום לא מתאימה, או עליית יחס הדחיסה כתוצאה מהורדת שטח מראש המנוע או כתוצאה מפיח רב בתא השריפה. כאמור, דלק באוקטן גבוה יותר עשוי למנוע את הדטונציה, אולם זהו טיפול בסימפטום ולא בבעיה עצמה.

בעיה נוספת, שגם בה הסימפטום יהיה צלצולים מהמנוע, תהיה הצתה מוקדמת כתוצאה מגורם אחר שאינו הניצוץ. הגורמים זהים לאלו של הדטונציה, אולם במקרה של הצתה ספונטנית מוקדמת שמגיעה לפני הניצוץ, עשוי להיות במנועי קרבורטור גם סימפטום נוסף – המנוע ימשיך לעבוד באופן לא סדיר גם אחרי דימום מערכת החשמל על ידי מתג ההצתה. בכל אופן, שני המקרים, גם דטונציה וגם הצתה מוקדמת, עלולים לגרום לנזק רב למנוע – הרס הבוכנה, הרס הטלטל וגל הארכובה, הרס מסבים וכו', ולכן עלינו להימנע מהם לחלוטין.

גם למערכות הקירור יש תפקיד חשוב במניעת דטונציה והצתה מוקדמת. במנועים מכווני ביצועים, על מערכות הקירור לדאוג לפינוי חום יעיל מכל חלקי המנוע העליון על מנת שלא ליצור מוקדי חום שעלולים לגרום לדטונציה. מערכת קירור נוזל לא מספיקה כאן מכיוון שהיא לא מגיעה לכל חלקי המנוע, ולכן גם למערכת השמן תפקיד חשוב בפינוי החום מאזורים אלה. אחד התנאים למנוע בנזין בעל יחס דחיסה גבוה יהיה מערכת קירור נוזל יעילה, שכן במערכת כזו, בניגוד לקירור אוויר, ניתן לשלוט על טווח טמפרטורות העבודה ולמנוע מצב של התחממות יתר, שמצידה עלולה לגרום לדטונציה. במנועים בעלי קירור אוויר, בגלל חוסר היכולת לשלוט על טמפרטורת העבודה בתנאים קיצוניים, יחס הדחיסה מוכרח להיות נמוך על מנת למנוע דטונציה, ולכן ערכים של 10:1 כבר נחשבים גבוהים במנועים כאלו, ובדרך כלל הערך אף נמוך יותר.

אז הנה, גם כאן נקשרים הרבה נושאים יחדיו ומאלצים את המתכננים לבצע פשרות בהתאם לייעוד המנוע. אם רק יכולנו להגדיל משמעותית את יחס הדחיסה, אולי היינו מקבלים מנועים חזקים יותר מנפחים קטנים הרבה יותר, וגם היינו מזהמים הרבה פחות. עד אז, נמשיך לרכב בידיעה שכ-75% מהדלק שאנו רוכשים נשרף כדי לחמם את הסביבה ולא באמת מניע אותנו.