טכני: עניין של הספק

הספק. כוחות סוס. קילוואט. קודש הקודשים של כל מפרט טכני של אופנוע. הנתון שאותו כל רוכב שואף למקסם, ושמצליח לרגש כל כך הרבה. מספר הקסם שגורם לאנשים, מבינים בתחום או הדיוטות גמורים, להתפעל כל כך, על אף שלצורך שימושיות, דווקא נתון המומנט, או נכון יותר – עקומת המומנט, הוא החשוב יותר, אם כי הוא פחות זוהר ויוקרתי ממנו (על מומנט, הספק והקשר ביניהם – כאן). מה יש בו בנתון הזה שגורם לכולם להתרגש? למה כל יצרני הכלים הספורטיביים נמצאים במרדף אינסופי אחרי העצמה שלו ומהן הדרכים להגדיל אותו? על כל אלה ננסה לענות כאן.

ראשית – מהו הספק? בהגדרה הפיזיקלית הספק הוא עבודה לחלק לזמן, כלומר כמה עבודה הצליחה המכונה לבצע בזמן נתון. בפועל, ההספק קובע שני פרמטרים מאד חשובים בביצועי האופנוע. הראשון הוא התאוצה, שכן יחס ההספק למשקל יקבע את מידת התאוצה המקסימלית של האופנוע או כלי הרכב. ככל שהאופנוע יהיה קל יותר וההספק שלו יהיה גבוה יותר, כך התאוצה שלו תהיה חזקה יותר (ונעזוב כרגע את מגבלות האחיזה והנטייה להתרוממות הגלגל הקדמי, שפוגעות בתאוצה). זאת הסיבה למשל, שכל קטנוע 150 או 200 סמ"ק פשוט עם כ-15 כ"ס, מזנק ברמזורים טוב יותר ממכונית ממוצעת בעלת למעלה מ-100 כ"ס. יחס ההספק למשקל שלו טוב יותר משל המכונית.

הפרמטר השני הוא המהירות הסופית. ככל שההספק יהיה גבוה יותר, כך המהירות הסופית תהיה גבוהה יותר, כשהמרכיב הנוסף במשוואה הוא הגרר של הרכב, או במילים אחרות – האווירודינמיות וההתנגדות לרוח. כלים בעלי הספק גבוה וגרר נמוך יוכלו להגיע למהירויות סופיות גבוהות. זוכרים את הקטנוע והמכונית מהפסקה הקודמת? אז אחרי שהקטנוע האיץ טוב יותר מהמכונית, ההספק הגבוה יותר של המכונית בא לידי ביטוי, ולכן היא תגיע למהירות סופית גבוהה משמעותית מאשר של אותו הקטנוע.

אז איך דואגים שיהיה הספק גבוה? מהם המאפיינים הנדרשים ממנוע על מנת שניתן יהיה לסחוט ממנו הספקים גבוהים? ובכן, יש כמה וכמה מאפיינים שכאלה. בואו נראה מהם העיקריים מביניהם אשר קובעים את אופי המנוע.

המאפיין הראשון והבסיסי ביותר הוא שיטת פינוי החום מהמנוע. כדי שניתן יהיה לסחוט הספקים מהמנוע, מערכת הקירור חייבת לאפשר פינוי חום יעיל בכל מצב, ואולי יותר חשוב – לספק שליטה מוחלטת על טווח טמפרטורות העבודה. מערכת קירור אוויר למשל, גם אם נתמכת על ידי מערכת קירור שמן המנוע, לא מאפשרת שליטה על טמפרטורת העבודה. ביום חם בעבודה מאומצת ובמהירות איטית (למשל ברכיבת אנדורו תוך כדי טיפוס איטי של עלייה מדורדרת ותלולה בצהרי יום חמסין), פינוי החום גרוע וטמפרטורת העבודה עולה לערכים גבוהים מאוד. מהצד השני, בימים קרים במהירות גבוהה ובעומס נמוך (למשל כשיורדים מהחרמון בלילה מושלג באמצע החורף), טמפרטורת העבודה יורדת הרבה מתחת לרצוי.

ההפרש הגדול בין טמפרטורות העבודה מחייב לייצר את המנוע עם חופשים גדולים בין החלקים הנעים, וזאת על מנת שכשטמפרטורת העבודה עולה לערכים גבוהים מאוד, חלקי המנוע הנעים יוכלו להתרחב מבלי להיתפס. במערכת קירור נוזל ניתן לשלוט על טווח טמפרטורות העבודה במידה טובה מאוד, גם על ידי תרמוסטט, אשר מאפשר חימום מהיר של המנוע ומונע ירידה אל מתחת לטווח טמפרטורות העבודה, וגם על ידי המאוורר שעל הרדיאטור, אשר מונע חימום יתר אל מעל לאותו הטווח. השליטה על טווח טמפרטורות העבודה מאפשרת לייצר מנועים מדויקים יותר, עם פחות הפסדים ויותר יעילות.

אבל למנועים בעלי מערכת קירור נוזל יש יתרון נוסף, משמעותי מאוד, שמאפשר לסחוט מהם הספקים גבוהים. בגלל השליטה על טווח טמפרטורות העבודה ומניעת חימום יתר של המנוע, ניתן לייצר את המנועים עם יחס דחיסה גבוה יותר. מה הקשר ליחס הדחיסה? מאוד פשוט. במשוואת הנצילות התרמודינמית של מנוע בעירה, נתון יחס הדחיסה הוא הגורם החשוב ביותר להגדלת הנצילות. או במילים פשוטות, ככל שיחס הדחיסה יהיה גבוה יותר, כך נצילות המנוע תהיה גבוהה יותר. כלומר, על כל טיפה של דלק שנשרפת בתוך המנוע, נקבל יותר עבודה יעילה, כלומר יותר כוח, יותר מומנט ויותר הספק, ופחות חימום של האטמוספרה. וזה גם הגיוני, שכן אם הלחץ בתא השריפה לפני תהליך השריפה יהיה גבוה יותר, אז גם אחרי השריפה הוא יהיה גבוה יותר בהתאמה, מה שאומר יותר כוח על הבוכנה ויותר מומנט על גל הארכובה – יותר הספק.

הנצילות במנועי בנזין עומדת על נתון די עלוב של כ-25%, מה שאומר שאנחנו משתמשים רק ברבע מהדלק בשביל לדחוף את האופנוע שלנו. שאר ה-75% של הדלק נפלטים לאטמוספרה בצורה של חום. כבר אמרנו שאנחנו רוכבים על תנורים ומחממים את הבתים במנועים, נכון?

אם נחזור לענייננו, אז מה הקשר בין מערכת הקירור לבין יחס הדחיסה? ובכן, מערכת קירור נוזל שבה ניתן לשלוט על טמפרטורת העבודה המקסימלית, מאפשרת להגיע ליחסי הדחיסה הגבוהים ביותר. עם מערכת קירור אוויר, בגלל חוסר השליטה על טמפרטורת המקסימום, חייבים להשאיר טווח עבודה, שכן עם יחס דחיסה גבוה מדי בשילוב של טמפרטורת עבודה גבוהה מדי ולא נשלטת, המנוע עלול להגיע מהר מאוד למצב של דטונציה הרסנית. יש יוצאים מן הכלל, אולם לרוב מנועים בעלי מערכת קירור נוזל יהיו עם יחס דחיסה גבוה יותר ממנועים מקבילים בעלי מערכת קירור אוויר, ותמיד מנועים המכוונים לביצועים יהיו מקוררי נוזל ובעלי יחס דחיסה גבוה.

שיטה נוספת להגדלת ההספק המקסימלי היא העלאת הסל"ד שבו מושג טווח המומנט הגבוה. קודם כל חשוב לזכור שהספק הוא למעשה מכפלה של המומנט בסל"ד. כלומר, כדי להשיג הספק גבוה יותר יש צורך להעלות את המומנט שמפיק המנוע, או לחלופין, להעלות את טווח הסל"ד בו מתקבל שיא המומנט, דהיינו להזיז את שיא המומנט גבוה יותר על גרף הסל"ד. היות וממנוע אטמוספרי (ללא עזרי דחיסת אוויר חיצוניים כמו טורבו) בנפח נתון לא ניתן לסחוט הרבה יותר מומנט, מה שנשאר ליצרנים לעשות זה להזיז את שיא המומנט גבוה יותר במעלה הסל"ד ובכך לקבל הספקים גבוהים יותר. הזזת המומנט מתבצעת על ידי שינוי משטר הזרימה ביניקה ובפליטה וכיוונו כך שהמילוי הנפחי המקסימלי יתקבל בתחומי סל"ד גבוהים יותר, ואת זה עושים על ידי גלי זיזים אחרים, מעברי יניקה ופליטה, קוטרי שסתומים ועוד כמה שיטות.

את המהלך הזה ניתן לראות בבירור במנועי 600 סמ"ק 4 צילינדרים של אופנועי ספורט בעשור וחצי האחרונים. לדוגמה, אם ה-ZX6R הוציא בשנת 95 כ-105 כ"ס שהושגו ב-12,500 סל"ד, הרי שב-2010 הוא הפיק כ-130 כ"ס שמגיעים ב-14,000 סל"ד. ערך המומנט אגב, כמעט לא השתנה. שיאו רק זז מ-10,000 ל-12,000 סל"ד. דוגמה קיצונית יותר תהיה ה-R6, שבו שיא ההספק מגיע ב-14,500 סל"ד פסיכיים. ואם כבר מדברים על העלאת הסל"ד אי אפשר שלא להזכיר את החיסרון הגדול של הפעולה, והיא פגיעה קשה בסל"ד הנמוך והבינוני. תעלו על 600 ספורטיבי מלפני 15 שנה ותגלו שיש חיים גם ב-4,000 או 5,000 סל"ד. היום, באופנועי ספורט מודרניים, מתחת ל-7,000 סל"ד אין אף אחד בבית והאורוות ריקות. אין ארוחות חינם, תזכרו.

אבל להעלות את מהירות המנוע במנועי בעירה פנימית, שמונעים על ידי בוכנה שמבצעת תנועה קווית, זה לא דבר של מה בכך, שכן אחת הבעיות העיקריות של מנוע בוכנה היא אותה התנועה הקווית, שמאלצת את החלקים הנעים קדימה ואחורה להאיץ, להגיע לשיא מהירות, להאט, להיעצר, לשנות כיוון וחוזר חלילה. התאוצות והתאוטות האלו גורמות לכוחות גדולים שפועלים על החלקים המאיצים, כוחות שבסופו של דבר מגבילים את מהירות המנוע. זו הסיבה העיקרית למשל, שמנועים שמסתובבים על ציר ואינם מבצעים שום תנועה קווית אלא רק סיבובית, יכולים להסתובב מהר יותר ממנועי בוכנה ולכן הספקם גבוה יותר ביחס לנפחם. מנוע ואנקל הוא הדוגמה הטובה ביותר לכך.

אז איך מקטינים את הכוחות האלה שפועלים על החלקים הנעים בתנועה קווית ועל ידי כך מגבירים את מהירות המנוע? גם לכך יש כמה דרכים, כשרובן מתנקזות בסופו של דבר לפעולה אחת – הקטנת מסת החלקים הנעים בתנועה קווית. למשל על ידי הגדלת מספר הצילינדרים. אם ניקח למשל מנוע 600 סמ"ק בעל צילינדר בודד לעומת 4 צילינדרים, הרי כל חלק הנע בתנועה קווית במנוע מרובה הצילינדרים יהיה קטן וקל באופן משמעותי מאשר של חלקי המנוע בעל הצילינדר הבודד. זה נכון שהמשקל הכללי של מרובה הצילינדרים יהיה גבוה יותר משל הסינגל, אולם לצורך מהירות המנוע המקסימלית מסתכלים על מנוע 4 צילינדרים כעל 4 מנועים המחוברים ביניהם, ולכן כל אחד מהם יכול להסתובב מהר יותר מאשר הסינגל בעל החלקים הכבדים.

ועכשיו, כאשר תצורה מסוימת כבר קיימת ורוצים לשכלל אותה כך שתעבוד מהר יותר, מה עושים? גם לזה התשובה פשוטה, אבל היישום מסובך או יקר: מייצרים חלקים קלים יותר, כשהכוונה היא לחלקים הנעים בתנועה קווית, קרי בוכנות ושסתומים. כל מי שהחזיק ביד בוכנה של מנוע ספורטיבי, כביש או שטח, ודאי שם לב שחצאיות הבוכנה בו קצרות במיוחד בהשוואה לבוכנות של מנוע 'עממי' יותר ופחות ספורטיבי. השאיפה להוריד משקל מהחלקים הנעים גורמת לחלקים האלה להיות אנורקטיים במיוחד. לפעמים רואים את זה גם במעבר בין דגמים – אם במעבר בין דגמים אתם שומעים שהבוכנה השילה ממשקלה 3 גרם (כמו למשל במעבר בין דגם 2008 לבין 2009 של ההונדה CBR600RR), אל תזלזלו בזה. המשמעות של 3 גרם בבוכנה, שכאמור מבצעת תנועה קווית, זה תוספת של 500 סל"ד, ועם הכיוונים הנכונים עוד כ-5 כ"ס.

כאשר לא ניתן יותר להוריד חומר מהחלקים הנעים, שכן אז הם הופכים להיות חלשים מדי והאמינות והעמידות נפגעות, ורוצים לסחוט מהמנוע עוד מהירות ועוד הספקים, עוברים להשתמש בחומרים וטכנולוגיות יצור מסובכים ויקרים יותר. שסתומי טיטניום למשל, שעליהם ודאי שמעתם. היתרון היחיד של שסתומי טיטניום על פני שסתומי פלדה הוא משקלם הנמוך משמעותית. היות והשסתומים מבצעים גם כן תנועה קווית, שסתומים קלים יותר יאפשרו להעלות את מהירות המנוע לערכים גבוהים יותר, בלי לחשוש מציפת שסתומים – מצב בו השסתום לא מספיק להיסגר בגלל מהירות המנוע הגבוהה וגורם לירידת הספק במקרה הטוב ולפגיעה בבוכנה ונזק סופני למנוע במקרה הרע. זוכרים שאין ארוחות חינם? לשסתומי טיטניום יש גם שני חסרונות עיקריים: המחיר, הגבוה פי כמה וכמה משסתומי פלדה, שכן טיטניום היא מתכת אקזוטית ויקרה, וכך גם תהליך הייצור, וכן העמידות, שכן טיטניום רך יותר מפלדה ונשחק מהר יותר. אם אתם לא רייסרים שמבלים את זמנם על קצה סקלת הסל"ד ברוב הזמן, שסתומי טיטניום יהיו מיותרים עבורכם. תשאלו כל בעלים של CRF450R שהחליף את שסתומי הטיטניום הבלויים לכאלו מפלדה.

חומרים וטכנולוגיות יצור מתקדמים משמשים גם לייצור בוכנות של אופנועים ספורטיביים. כבר הרבה זמן שהבוכנות האיכותיות עשויות מסגסוגות אלומיניום איכותיות ויקרות שמאפשרות משקל סביר מצד אחד ועמידות לבלאי גבוהה יחסית מצד שני. בכלים ספורטיביים יותר איכות החומרים גבוהה יותר, אבל לא רק, אלא גם תהליכי הייצור. במנועי קצה תוכלו למצוא הרבה פעמים בוכנות מחושלות. תהליך החישול מאפשר להגיע לחוזק מבני מסוים עם פחות חומר מאשר בתהליך יציקה רגיל, ולכן אפשר על ידי תהליך חישול לקבל בוכנות קלות יותר וחזקות יותר מבוכנות יצוקות. לדוגמה ניקח את הק.ט.מ 525 עד 2007. הדגם שהגיע ארצה, האנדורו (EXC) הוא בעל בוכנה יצוקה, אולם אחיו, דגם המוטוקרוס (SX) עשה שימוש בבוכנה מחושלת, זאת משום שהוא צפוי לעבוד בסל"ד גבוה יותר. חשוב לציין גם ששני הכלים השתמשו באותו הצילינדר בדיוק.

ואיך עוד מאפשרים למנוע להסתובב מהר? שוב, על ידי הקטנת הכוחות שפועלים על החלקים הנעים. אז את הורדת המסה כבר ציינו, אפילו בהרחבה, אבל יש דרך נוספת, והיא הקטנת מהלך הבוכנה. על בוכנה שמבצעת מהלך קטן יותר פועלים בסל"ד נתון כוחות קטנים יותר, שכן יש לה מרחק קטן יותר לעבור ולכן התאוצות והתאוטות קטנות יותר. המשמעות היא מנוע שמסוגל לעבוד בסל"ד גבוה יותר, ושוב, להפיק הספקים גבוהים יותר. זוכרים שאין ארוחות חינם? אז מנוע עם מהלך בוכנה קצרצר יתאפיין במומנט נמוך יחסית, וזאת משום שמהלך הבוכנה הוא פעמיים רדיוס הארכובה (זרוע הארכובה, המרחק שבין מרכז פין הטלטל לבין מרכז גל הארכובה), וככל שרדיוס הארכובה קטן יותר, כך גם המומנט על גל הארכובה יהיה נמוך יותר.

אלו עיקרי הדברים והבסיס על קצה המזלג. ההספק, אותו הנתון שעושה לנו כאופנוענים וחובבי מוטוריקה כל כך טוב על הלב, ימשיך להיות אחד הנתונים החשובים בטבלת נתונים של אופנועים בפרט וכלי רכב בכלל, והיצרנים ללא ספק ימשיכו במשימה האינסופית להשיג אותו בצורה גבוהה, רחבה, קלה וזולה יותר. אנחנו כמובן נמשיך ליהנות ממנו. לפחות עד שמנועי הבעירה ייכחדו מהעולם ויוחלפו על ידי מנועים חשמליים, שם כל עניין ההספק שונה לגמרי.