אוקטובר
08
תגיות
26-453 חוזרת מן המתים: פרק מאה ושניים – הכפילים (ד)
הפעם נעסוק במערכת ההצתה, וליתר דיוק במפלג. נתחיל במערכת המקורית, מפלג לוקס DYK4A, ונבחן מה מגבלותיו וחסרונותיו, נדון בהשפעתם על התנהגות המכונית, ונעבור ל“כפילים” האלקטרוניים המוצעים כיום כדי להתגבר על החסרונות הללו. הרובר אינה מכונית ספורט, אינה מתיימרת להיות כזאת, וגם לא תוכל להיות כזאת – ואי לכך חלק מהתועלת שיכול להביא מפלג אלקטרוני משוכלל יתבזבז עליה – אך לא כך יהיה עם קצת תוספת ידע, לא?
ראשית אשוב ואסקור במינימום מתמטיקה את עקרון יצור הניצוץ (שכבר נידון כאן: http://wp.me/pXLKy-rc )
נתבונן תחילה במעגל חשמלי פשוט הכולל מצבר, מפסק וסליל.
חוק פאראדיי קובע כי המתח על הסליל יחסי לקצב שינוי הזרם דרכו. או בצורה סמלית:
V=-L ΔI/ΔT
כאשר V הוא המתח, ΔI הוא השינוי בזרם, ו ΔT הוא פרק הזמן בו התחולל השינוי בזרם. במעגל שלמעלה פירוש הדבר כי מרגע סגירת המפסק ילך הזרם ויגדל, לינארית, עם הזמן – ותמיד יתחיל מאפס.
מסקנה חשובה היא גם חוק רציפות הזרם. אם ננסה לשנות את ערך הזרם במעגל שלמעלה בבת אחת, למשל על ידי פתיחת המפסק באפס זמן (ΔT=0) יעלה המתח על הסליל לאין–סוף! מכיון שלא יתכן דבר כזה בטבע, יהיה תמיד מנגנון שיגביל את עליית המתח על הסליל, ואי–לכך גם יגביל את קצב השתנות הזרם דרכו. בהעדר אלטרנטיבה יהיה זה הניצוץ – קשת חשמלית המתרחשת בין שני קצוות הסליל.
אם נשרטט עכשיו את תולדות המתח והזרם על הסליל במעגל הפשוט שלמעלה, בפרק הזמן T בין סגירת המפסק לפתיחתו, נקבל את השרטוט הבא:
מרגע סגירת המפסק עולה הזרם בסליל בהדרגה והמתח עליו נשאר קבוע. ברגע פתיחת המפסק תתרחש קפיצה ענקית במתח שעל הסליל, ובקוטביות הפוכה למתח הסוללה שהזינה אותו (כי ΔI הפך מחיובי לשלילי).
על ההתנהגות הזו של סליל תחת מתח מבוססת מערכת ההצתה של הרובר, ושל כמעט כל המכוניות האחרות.
לפני שנמשיך אזכיר גם מעגל חשמלי טיפונת יותר מסובך, המכיל גם הוא סליל:
במעגל הזה מחובר נגד בטור לסליל. במציאות מובנה תמיד הנגד הזה בכל סליל (פרט אולי לסלילים העשויים ממוליך על…), והוא ההתנגדות של החוט ממנו מלופף הסליל. במקרים אלה יעלה הזרם בסליל עד שיגיע לערך V/R. הזרם יגיע לכ 66% מערך זה תוך הזמן L/R – ומכאן שקצב העליה שלו יהיה גדול יותר ככל שהנגד הטורי יהיה גדול יותר.
הבה נכניס קצת מספרים לביטויים הנ“ל, וניקח את הרובר לדוגמה.
המתח הוא 12V, והזרם המירבי כשהמגעים סגורים הוא 4 אמפר. מכאן גם שההתנגדות הפנימית של סליל ההצתה היא 3 אוהם.
האנרגיה הנומינלית להצתה היא 60 מילי–ג’אול והיא גם מקיימת
E=(1/2)LI^2
ולכן השראות הסליל היא 7.5 מילי–הנרי. ומכאן שקבוע הזמן הוא 7.5/3 כלומר 2.5 מילישניות. זה הזמן הדרוש כדי להגיע ל66% מהזרם המירבי. לזרם מלא מגיעים אחרי 5 קבועי זמן כלומר אחרי 12.5 מילישניות. קצב פתיחת וסגירת המגעים הוא כפליים מקצב סיבובי המנוע ולכן ב 1000 סל“ד הוא יהיה בן 33.3 אירועים לשניה כלומר 30 מילישניות בין פתיחה לפתיחה. אי–לכך, מ-80 אירועים לשניה ומעלה (2600 סל“ד ומעלה) לא יצליח הסליל להטען למלוא האנרגיה שלו, וכתוצאה מכך הניצוץ ילך ויקטן ככל שמהירות המנוע תעלה. כמובן שבמנועי 6 ו 8 צילינדרים המצב חמור בהרבה. יתר על כן – המצב בפועל עוד יותר גרוע, מכיוון שברבע מהזמן המגעים פתוחים כך שהזמן בו יכול הסליל להיטען בזרם אפילו קטן מהנקוב למעלה.
אחת השיטות העתיקות להתמודד עם הבעיה, שיטה נפוצה מאד במכוניות אמריקאיות ישנות, הייתה להשתמש בסליל של 6 וולט (במכונית של 12 וולט) ולחבר אליו בטור נגד השווה להתנגדותו הפנימית. זה קיצר את זמן טעינת הזרם בחצי, אך גרם להכפלת תצרוכת הההספק של מעגל ההצתה.
מצוידים בידע הזה אנו מוכנים עכשיו להבין כיצד פועל המפלג. מעגל ההצתה קרוב מאד למעגל שצויר למעלה. יש בו סליל (באנגלית: coil) המחובר למצבר דרך מפסק. כשמגעי המפסק נפתחים נוצר מתח של 200 – 440 וולט בין קצות הסליל. צמוד לסליל הראשוני נמצא סליל משני ויחד הם מהווים שנאי (טרנספורמטור). הסליל המשני מכפיל את המתח פי מאה וכך מגיעים ל 20 עד 44 אלף וולט. המגעים נמצאים בתוך המפלג ונקראים בפי העם “פלטינות“. תפקיד המפלג לפתוח אותם בדיוק בזמן בו דרוש הניצוץ למנוע. תפקידו הנוסף הוא לשגר את המתח הגבוה שנוצר עקב פתיחת המגעים בסליל המשני לצילינדר הנכון.
בואו נראה כיצד מבצע המפלג את הפעולות הללו. בתוך גוף המפלג נמצא ציר המונע, בדרך כלל (וברובר בפרט) מגל הזיזים. הציר מסתובב בסמוך ליחידת המגעים, המהודקים במנוחה זה לזה באמצעות קפיץ.
יחידת המגעים
על הציר מורכבת יחידת זיזים. במנוע בן שלשה צילינדרים ישנם שלשה זיזים וליחידה צורת משולש, בארבעה צילינדרים – ארבעה זיזים וצורתה מרובע וכן הלאה.
כל אימת שזיז כזה מגיע למגע עם הלשונית של יחידת המגעים הם נפתחים, ואז נוצר ניצוץ. אם נתבונן בתשומת לב על מערך הזיזים נראה כי הם מהווים קטע ממעגל. לכן כל זמן שהזיז מחליק על הלשונית ישארו המגעים פתוחים. לאחר מכן הם יסגרו, וישארו סגורים עד המפגש עם הזיז הבא.
כיצד נקבע התזמון (timing) של פתיחת המגעים? הציר נע בתוך בית המפלג, והמגעים מחוזקים אל בית–המפלג. לכן סיבוב של בית המפלג לעומת גוף המנוע יגרום להקדמת או דחיית זמן פתיחת המגעים. כך מתבצע הכוון הסטטי
A- יחידת הזיזים B –לשונית C –קפיץ.
אולם תוך כדי פעולת המנוע משתנה התזמון. יש לקדם אותו ככל שעולה מהירות הסיבוב, ולדחות אותו ככל שעולה העומס (ויורד הוואקום בסעפת היניקה). במפלג המיושן של הרובר, DYK4A , פעל כוונון דינמי צנטריפוגלי בלבד, באמצעות משקולות עופרת וקפיצים אליהם היה מחוברת יחידת הזיזים.
שימו לב לשחיקה בתותב שבתוכו. בגללה תתחכך המשקולת בבסיס והתזמון יפגע.
משקולת מורכבת על הבסיס – וסימני חיכוך המשקולת ניכרים בו.
מנגנון זה לא היה מדויק גם כשהיה חדש, ועם השנים – הרבות – עקב שחיקה ושמוש במשקולות וקפיצים מפוקפקים הלך ונעשה לא רלוונטי.
ציר המפלג והמשקולת על בסיסה. הסליל החרוט על חלקו התחתון הוא מחזיר שמן דינמי.
גם המגעים, “הפלטינות“, היו בעייתיים. מכיוון שיחידת הזיזים דחפה אותם בכוח (כדי להתגבר על התנגדות הקפיץ ששאף כל הזמן להחזיר אותם למצב סגור) עברה הלשונית שחיקה מתמדת, ומרווח הפתיחה בין הלשונית והזיז, ואיתו התזמון, השתנה גם הוא באופן מתמיד, אם כי איטי. הזרם החזק והמתח הגבוה (יחסית למתח המצבר) שנוצר עם פתיחת המגעים גרם לפעולה השקולה לריתוך שהלכה וכרסמה בהם עם הזמן. כתוצאה מכך התחייבה תחזוקה ותחלופה שוטפת של המגעים.
לסיכום, מפלגים מכניים סובלים משלוש בעיות עקרוניות:
בלאי מואץ במגעים.
ניצוץ ההולך ונחלש ככל שסל“ד המנוע גדל;
אי דיוק (וחוסר גמישות) בעקומת התיזמון;
בהמשך נספר כיצד מתגברים על הבעיות הללו בעזרת מפלגים אלקטרוניים (שאיש לא יודע שהם כאלה).