מצערת
מַצְעֶרֶת היא מנגנון שבו זרימת הנוזל מנוהלת על ידי הצרה או חסימה של המעבר במנוע. ניתן להגדיל או להקטין את הכוח של המנוע על ידי הגבלת גזי היניקה (באמצעות שימוש במצערת). המונח "מצערת" מתייחס באופן בלתי פורמלי לכל מנגנון אשר מאפשר שליטה על הכוח או המהירות של המנוע, להגדרה זאת נכנסת גם דוושת ההאצה של המכונית. מה שמכונה לעיתים קרובות "מצערת" (בהקשר של תעופה) נקרא גם Thrust levers, במיוחד עבור כלי טיס בעלי מנוע סילון. עבור מנוע קיטור, שסתום הקיטור המגדיר את מהירות/הספק המנוע נקרא לעיתים קרובות ווסת.
בית מצערת
עריכהבמנועים מוזרקים, בית המצערת הוא החלק במערכת יניקת האוויר השולט על כמות האוויר הזורם לתוך המנוע, בתגובה לדוושת הגז הנשלטת על ידי הנהג. בית המצערת ממוקם בדרך כלל בין תיבת מסנן האוויר לבין סעפת היניקה[1], כאשר חיישן זרימת האוויר (MAF) בדרך כלל מחובר אליו או ממוקם בקרבתו. לעיתים צינורות מערכת הקירור עוברות דרך בית המצערת על מנת לשלוט על הטמפרטורה של האוויר אשר נכנס למנוע, מחשב ניהול המנוע (ECU) יודע מה היא הטמפרטורה באמצעות חישן טמפרטורת נוזל הקירור (ECT).
במכוניות רבות, תנועת דוושת ההאצה מועברת באמצעות כבל המצערת, כאשר בצידו של בית המצערת הכבל מחובר באופן מכני לנקודת עיגון וממנה מסובב את פרפר המצערת. במכוניות בעלות מצערת אלקטרונית[2] (נקרא גם "drive-by-wire"), מנוע חשמלי שולט על תזוזת המצערת ודוושת הגז מתחברת לחיישן אשר מפיק אות פרופורציונלי למצב הדוושה הנוכחי ושולח אותו למחשב ניהול המנוע (ECU) אשר קובע את פתיחת המצערת על בסיס מיקום דוושת ההאצה תוך התחשבות בחיישני מנוע אחרים, כגון חיישן טמפרטורת נוזל קירור המנוע (ECT).
כאשר הנהג לוחץ על דוושת ההאצה, פרפר המצערת מסתובב בתוך בית המצערת, פתיחת הפרפר מאפשרת ליותר אוויר להיכנס לתוך סעפת היניקה. בדרך כלל חיישן זרימת אוויר (MAF) מודד את השינוי הזה ושולח אותו למחשב ניהול המנוע. מחשב ניהול המנוע בתורו מגדיל את כמות הדלק המוזרק על ידי המזרקים על מנת לקבל יחס אוויר-דלק מוגדר. לעיתים קרובות חיישן מצב מצערת (TPS) מחובר לציר של פרפר המצערת על מנת לספק למחשב ניהול המנוע פידבק כמה הפרפר פתוח.
בתי מצערת עשויים גם להכיל שסתומים והתאמות נוספות כדי לשלוט על זרימת האוויר המינימלית בסרק. גם בבתי מצערת שאינם "drive-by-wire", לעיתים קרובות יהיה סולנואיד בשם "שסתום בקרת אוויר בסרק" (IACV), מחשב ניהול המנוע משתמש בו על מנת לשלוט בכמות האוויר שיכול לעקוף את פרפר המצערת כדי שהמנוע לא יכבה בזמן שהמצערת סגורה.
במנועי קרבורטור בסיסיים ביותר, כגון מנוע צילינדר יחיד של מכסחת דשא, קיים פרפר מצערת אחד קטן בתוך קרבורטור בסיסי עם עקרון ונטורי. במנועים אלו למצערת קיימים שני מצבים, או שהיא פתוחה או שהיא סגורה (אף על פי שתמיד קיים חור קטן או מעקף אחר כדי לאפשר לכמות קטנה של אוויר לזרום ככה שהמנוע יוכל להמשיך לעבוד גם כאשר המצערת סגורה), או לחלופין מיקום ביניים קבוע כלשהו. מכיוון שמהירות זרימת האוויר היא קריטית לתפקודו של הקרבורטור, כדי לשמור על מהירות האוויר הממוצעת, מנועים גדולים יותר דורשים קרבורורים מורכבים יותר בעלי מספר רב של מעברי ונטורי קטנים, בדרך כלל שניים או ארבעה. “קרבורטור כפול" (2BBL) משתמש בפרפר מצערת אחד (מלבני או מעגלי), ועובד באופן דומה לקרבורטור בעל מעבר ונטורי אחד, רק עם שני פתחים קטנים במקום אחד. “קרבורטור מרובע" (4BBL) משתמש בשני פרפרי מצערת (מלבני או מעגלי) כאשר לכל אחד מהם יש שני מעברי ונטורי, הפרפר הראשון ("הראשי") נפתח כאשר דוושת ההאצה נלחצת, דבר המאפשר ליותר אוויר להגיע למנוע, אך שומר על מהירות זרימת האוויר הכוללת גבוהה (ובכך משפר את היעילות). הפרפר השני מופעל או באופן מכני כאשר הפרפר הראשי עובר נקודה מסוימת, או באמצעות הואקום של המנוע, “קרבורטור מרובע" מושפע גם ממצב דוושת ההאצה וגם מהעומס על המנוע ובכך מאפשר יעילות בסל"ד נמוך מצד אחד וזרימת אוויר טובה יותר בסל"ד גבוה או עומס מצד שני. במצבים בהם ביצועי המנוע חשובים ניתן להשתמש במספר קרבורטורים בעלי 2 או 4 מעברי ונטורי בו זמנית.
לרוב המכוניות המוזרקות יש מצערת אחת, אולם קיימים כלי רכב בעלי מספר בתי מצערת, בתי המצערת מחוברים ביניהם ככה שיפעלו בו זמנית, הדבר משפר את תגובת המצערת ומאפשר נתיב זרימת אוויר חלק יותר לראש המנוע, בנוסף הדבר מאפשר לכל צילינדר לקבל ראנר קצר וגם שכל הראנרים יהיו באורכים שווים, הדבר קשה להשגה כאשר כל הראנרים צריכים להגיע למקום מסוים כדי להתחבר לבית מצערת אחד, החסרונות של ריבוי בתי מצערת זה מורכבות (מכנית וטכנולוגית) וסיבוך האריזה הפיזית של כל הרכיבים בתוך מכסה המנוע. במכוניות אשר מיועדות לביצועים גבוהים כגון E92 BMW M3 או רכבי פרארי, כמו גם אופנועי ספורט כמו ימאהה R1, לכל צילינדר קיים בית מצערת נפרד, שימוש בבית מצערת נפרד לכל צילינדר נפוץ בקרב רכבי מרוץ וכמו כן גם ברכבי כביש משופרים. פרקטיקה זו חוזרת לימים שבהם מכוניות רבות בעלות ביצועים גבוהים היו בעלות קרבורטור אחד קטן בעל מעבר ונטורי אחד עבור צילינדר או זוג צילינדרים. בקרבורטור, מעבר האוויר הקטן מאפשר גם דיוק ומהירות בתגובת בית המצערת, כמו גם אטומיזציה טובה יותר של הדלק בעבודה בסל”ד נמוך.
בית המצערת לעיתים מוקבל לקרבורטור במנוע שאינו מוזרק, אולם יש לציין שבית מצערת אינו אותו דבר כמו מצערת, ושגם למנועים עם קרבורטור יש מצערת. בית המצערת הוא פשוט מקום אשר נוח למקם בו את המצערת בהיעדר קרבורטור ונטורי. קרבורטור זו טכנולוגיה ישנה, אשר באופן מכני מווסתת את כמות האוויר שזורם (באמצעות פרפר המצערת) ומשלבת אוויר ודלק יחד (עקרון ונטורי). מכוניות עם הזרקת דלק אינן זקוקות למכשיר מכני כדי למדוד את זרימת הדלק, מכיוון שהמשימה מתבצעת על ידי מזרקים במסלול יניקת האוויר (עבור מערכת הזרקת דלק רב-נקודתית) או בצילינדר (עבור מערכת הזרקת דלק ישירה) יחד עם חיישנים אלקטרוניים ומחשבים אשר מחשבים במדויק כמה זמן מזרק מסוים צריך להישאר פתוח - כמה דלק יהיה מוזרק בכל פולס הזרקה. עם זאת, עדיין יש צורך במצערת כדי לשלוט על זרימת האוויר לתוך המנוע, יחד עם חיישן אשר מודד את זווית הפתיחה הנוכחית שלה, כך שניתן יהיה לשמור על היחס אוויר/דלק הנכון בכל שילוב של סל"ד ועומס. הדרך הפשוטה ביותר לשדרג מנוע עם קרבורטור היא על ידי החלפת הקרבורטור ביחידה אשר מכילה מצערת ומזרקים, זה נקרא בית מצערת מוזרק (מכונה TBI על ידי ג'נרל מוטורס ו־CFI על ידי פורד), הדבר מאפשר להמיר מנועים ישנים מקרבורטור להזרקת דלק מבלי לשנות באופן משמעותי את סעפת היניקה. עיצובים מורכבים ומודרניים יותר משתמשים בסעפת יניקה, ואפילו ראש מנוע, המיועד במיוחד להכיל מזרקים.
סוגי מנועים
עריכהמנועי בעירה פנימית
עריכה
ערך מורחב – מנוע בעירה פנימית
במנוע בעירה פנימית, המצערת היא אמצעי לשליטה על הכוח של המנוע באמצעות ויסות כמות הדלק או האוויר אשר נכנסים למנוע. ברכב מנועי הרכיב אשר משמש את הנהג לשליטה על הספק המנוע נקרא לפעמים מצערת, דוושת האצה או דוושת גז. עבור מנוע בנזין המצערת בדרך כלל שולטת על כמות האוויר והדלק שנכנסים למנוע. עבור מנועי בנזין מוזרקים, המצערת מווסתת את כמות האוויר אשר נכנס למנוע. עבור מנועי דיזל המצערת מסדירה את זרימת האוויר לתוך המנוע.
היסטורית, דוושת המצערת או ידית המצערת פעלו באמצעות זרוע מכנית ישירה - שסתום הפרפר של המצערת הופעל באמצעות זרוע בעלת קפיץ[3]. זרוע זו קשורה בדרך כלל ישירות לכבל הגז, ופועלת בהתאם לנהג. ככל שהדוושה נדחפת יותר, כך שסתום המצערת נפתח יותר לרווחה.
כיום המנועים המודרניים משני הסוגים (בנזין וסולר/דיזל) הם בדרך כלל בעלי בית מצערת אלקטרוני, זוהי מערכת שבה חיישנים מנטרים את בקרות הנהג ובתגובה מערכת ממוחשבת שולטת על זרימת הדלק והאוויר. משמעות הדבר היא כי לנהג אין שליטה ישירה על זרימת הדלק והאוויר; מחשב ניהול המנוע (ECU) יכול להשיג שליטה טובה יותר על מנת להפחית פליטת גזים מזהמים, למקסם את הביצועים ולהתאים את הסרק של המנוע על מנת לעזור למנוע להתחמם מהר יותר או כדי להתמודד עם עומסי מנוע נוספים כגון הפעלת מזגן ובכך למנוע מהמנוע להכבות.
המצערת של מנוע בנזין היא בדרך כלל שסתום פרפר. במנועים מוזרקים שסתום המצערת ממוקם בכניסה של סעפת היניקה, או ממוקם בתוך בית המצערת. במנוע קרבורטור השסתום ממוקם בתוך הקרבורטור/מאייד. כאשר המצערת פתוחה לרווחה סעפת היניקה בדרך כלל נמצאת בלחץ אטמוספירי. כאשר המצערת סגורה חלקית, נוצר ריק/וואקום בסעפת היניקה והלחץ יורד מתחת ללחץ הסביבה.
ההספק של מנוע דיזל נשלט על ידי ויסות כמות הדלק המוזרק לתוך הצילינדר. מכיוון שמנועי דיזל לא צריכים לשלוט על כמות האוויר, הם בדרך כלל נטולי שסתום פרפר בסעפת היניקה. יוצאים מהכלל הם מנועי דיזל חדשים אשר נדרשים לעמוד בתקנות זיהום אוויר מחמירות יותר, במנועים אלו השסתום משמש לייצירת ואקום בסעפת היניקה, ובכך מתאפשרת הכנסה של גזים ממערכת הפליטה חזרה לתוך המנוע (EGR) לצורך הורדת טמפרטורות הבעירה, מטרת התהליך היא למזער ייצור של תחמוצות חנקן (NOx).
במטוסים בעלי מנוע בוכנה, השליטה על המצערת היא בדרך כלל באמצעות מנוף או ידית המופעלים באמצעות היד. השליטה היא על תפוקת כוח המנוע אשר לא בהכרח עשויה להשתקף בשינוי סל"ד, בהתאם לתצורה המדחף (פרופלור) (מדחף פסיעה קבועה או מדחף פסיעה משתנה)[4].
קיימים מנועי בעירה פנימית מודרניים (כגון כמה מנועים של המותג BMW) אשר אינם משתמשים במצערת בתצורתה המסורתית, אלא מסתמכים על מערכת של גל זיזים משתנה כדי להסדיר את זרימת האוויר לתוך הצילינדרים, הדבר מאפשר להגיע לתוצאה זהה עם פחות איבודי שאיבה.
מנוע סילון
עריכה- ערך מורחב – מנוע סילון
במנוע סילון, הדחף נשלט על ידי שינוי כמות הדלק אשר מוזרם לתוך תא הבעירה, בדומה למנוע דיזל.
מנוע קיטור
עריכה- ערך מורחב – מנוע קיטור
במנוע קיטור בדרך כלל יש מצערת (אנגלית אמריקנית) או ווסת (אנגלית בריטית) בפתח סניקת הקיטור אשר ממוקם בחלקו העליון של הדוד (אם כי לא בכל הדודים)[5]. הגובה של הכיפה ממנה יוצא הקיטור עוזר למנוע מנוזלים (לדוגמה בועות על פני השטח של המים בדוד) להיכנס לתוך שסתום המצערת. המצערת בפועל היינה שסתום קפיץ (כדוגמת שסתומי יניקה ופלטה בנועי בעירה פנימית) או סדרה של שסתומים, אשר נפתחים ברצף כדי להסדיר את כמות הזרם אשר יוכנס לחלל הקיטור מעל הבוכנות. בית המצערת משמש ביחד עם מנוף היפוך כדי להתחיל, לעצור ולשלוט על הכוח של הקטר, אם כי בזמן נסיעה קבועה של רוב הקטרים, עדיף להשאיר את המצערת פתוחה לרווחה ולשלוט בכוח של הקטר על ידי שינוי נקודת פריקת הקיטור (הדבר נעשה באמצעות מנוף ההיפוך) שכן שיטה זו יעילה יותר. שסתום המצערת של קטר קיטור מציב אתגר תכנוני מורכב, שכן עליו להיפתח ולהסגר באמצעות כוח יד אל מול לחץ קיטור גבוהה (בדרך כלל 250 PSI). אחת הסיבות העיקריות למעבר למערכות מרובת שסתומים בטור: היא שקל הרבה יותר לפתוח שסתום קטן כנגד הפרש הלחצים, ולאחר מכן לפתוח את הבא בתור ברגע שהלחץ מתחיל להשתוות מאשר לפתוח שסתום אחד גדול, לדוגמה בקטר Gresley A3 Pacific בין השנים 1922 ל־1935 נעשה שימוש בשסתום פעימה כפולה מאוזן.
מנוע רקטי
עריכה- ערך מורחב – מנוע רקטי
במנוע רקטי המצערת מבצעת שינוי בדחף תוך כדי טיסה, אולם הדבר לא תמיד הכרחי, הדחף של מנוע דלק מוצק אינו ניתן לשליטה לאחר הצתה. עם זאת, במנוע דלק נוזלי פעולת המצערת מבוצעת באמצעות שסתומים אשר מסדירים את זרימת הדלק והמחמצנים לתא הבעירה[6]. במנוע של טיל היברידי, לדוגמה המנוע המשמש את ספייס שיפ 1, מבוצע שימוש בדלק מוצק עם מחמצנים נוזלים, ולכן ניתן לשלוט עליו באמצעות מצערת. שימוש במצערת נדרש יותר בשיגור לחלל ובנחיתה עבור טיל חד שלבי (לדוגמה כזה המשמש מעבורת חלל) מאשר עבור טיל הנעה רקטית רב-שלבית. בנוסף שימוש במצערת שימושי במצבים שבהם מהירות השיוט חייבת להיות מוגבלת בשל לחץ אווירודינמי בשכבות האטמוספירה הנמוכות והצפופות יותר (לדוגמה בטרופוספירה).
קישורים חיצוניים
עריכה
הערות שוליים
עריכה- ^ Throttle Controller Basics, CARiD.com (באנגלית)
- ^ "Delphi Electronic Throttle Control Systems for Model Year 2000;Driver Features, System Security, and OEM Benefits. ETC for the Mass Market," (PDF). McKay, D., Nichols, G., and Schreurs, B. SAE Technical Paper 2000-01-0556. 2000. אורכב מ-המקור (PDF) ב-2017-08-29. נבדק ב-2018-12-01.
- ^ What is a Fuel System 'Throttle Body'?, CARiD.com (באנגלית)
- ^ "Chapter 6: Aircraft Systems" (PDF). Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge. Federal Aviation Administration. 2008. אורכב מ-המקור (PDF) ב-2009-02-27. נבדק ב-2018-12-01.
- ^ Throttle, Locomotive Wiki (באנגלית)
- ^ Dexter K Huzel and David H. Huang (1971), Design of Liquid Propellant Rocket Engines Second edition of a technical report obtained from the website of the National Aeronautics and Space Administration (NASA)], NASA SP-125 (באנגלית)