מערכת הפליטה של מנוע שתי פעימות 

מה מיוחד במערכת הפליטה? מה רע בסתם צינור לפינוי גז הפליטה? אגזוז לחץ , למה מה הלחץ - שאלות שכאלה ואחרות הביאו אותי לכתוב אודות צינור המתכת המוזר החובק בחום את המנוע.
המאמר מציג את אופן הפעולה וחשיבות המערכת (בהנחה שאופן פעולת מנוע שתי-פעימות ידוע), ומתייחס תיאורטית למנוע המייצר את מירב ההספק בסל"ד נתון, אך לאוו-דווקא מנוע מירוץ. בכלל חשוב להדגיש שמערכת פליטה מסוימת מותאמת למנוע מסוים ולא תתפקד באותה צורה מיטבית על מנוע אחר, גם אם שונה אך במעט מהמנוע אליו כוונה מלכתחילה.
מערכת הפליטה היא חלק בלתי נפרד ממנוע שתי-פעימות מודרני, מבלי להרחיב בנושא ההיסטורי המעניין לכשעצמו, רק מ- 1950 התחילו לייחס חשיבות ל"צינור" הנ"ל.

א. עיקרון הפעולה: מתבסס על העובדה שבנוסף לגזי הפליטה, המנוע מחולל גם גלי קול הנעים במהירות של 518 מטר לשניה בגובה פני הים, כאשר התדירות נקבעת בהתאם לקצב הפתיחה של פורט הפליטה.
גלי קול (בשונה מגלי גז הפליטה) מחולקים לשני סוגים:
גל שלילי - עוזר בניקויסחיבה של הגז השרוף החוצה(מתא השריפה), בהכנסת תערובת טרייה (דלקאויר) לצילינדר דרך פורט המעבר, ולאחר מכן לחלל צינור הפליטה .
מיד לאחר קבלת הניצוץ מהפלג מתחילה הבוכנה לרדת (בשלב זה שסתום העלים סגור בגלל הלחץ הקיים בחלק התחתון - בית גל הארכובה ) וכאשר היא מגיעה ל- 90 מעלות בקירוב מה- נ.מ.ע (נקודה מתה עליונה) מתחיל פורט הפליטה להיפתח, גזי הפליטה מתחילים לצאת בעוצמה דרך צינור הפליטה ולמעשה גורמים לפולס היוצר את גל הקול . בשלב זה ממשיך הליך שחרור גזי הפליטה מהתא שבסיומו (120 מעלות מ- נ.מ.ע) נפתחים פורטי המעבר. הפרשי הלחצים מעל ומתחת לבוכנה, ובמקביל הגל השלילי המגיע לקונוס המתפלג, יוצרים סחיבהיניקה של שאריות הגז השרוף מתא השרפה כלפי חוץ ובנוסף מכניסים תערובת טרייה לצילינדר דרך פורט המעבר (ולעיתים קיימים גם פורטי דחיסה העוזרים בפעולה זו), ולאחר מכן לחלל צינור הפליטה, מכיוון שפתח פורט הפליטה לא מכוסה ע"י הבוכנה בשלב זה .
גל חיובי - גורם לדחיסת התערובת הטרייה שבחלל צינור הפליטה לתוך הצילינדר (התא). כאשר הבוכנה עולה מ נ.מ.ת, נוצר ואקום הפותח את שסתום העלים, וע"י הגל החיובי מתחילה דחיסה של תערובת טרייה, גם מפורט הפליטה כתוספת לתערובת שהגיעה דרך פורט המעבר.
זהו השיפור הגדול (יעילות נפחית) המאפשר דחיסה רבה יותר של תערובת בנפח נתון (בהשוואה לשימוש במערכות פליטה ישנות ומנועי ארבע-פעימות סטנדרטים השורפים פחות ביחס לנפחם). כמובן שיש להתייחסות ליעילות התרמית המשתנה כאשר קיים שינוי בכמות התערובת, כלומר ליחס שבין האנרגיה המניעה את הבוכנה לזו המבוזבזת כחום (חוק שימור האנרגיה). פה באים לידי-ביטוי בעיקר יחס הדחיסה, העיצוב של ממדי וצורות הפורטים, וכמובן הזנת התערובת (מנוע).
השאיפה היא שצינור הפליטה והמנוע יהיו ברזוננס (תהודה), כלומר התאום הטוב ביותר שבין פתיחת פורט הפליטה לדחיסת התערובת בסל"ד רצוי מצינור הפליטה חזרה לתא השריפה (בדומה למעגל חשמלי בו קימת תהודת סליל וקבל בתדר מסוים), שאז מתקבלת התפרצות הכוח המוכרת. זהו שיא ההספק המתקבל בתחום סל"ד צר יחסית, בדרך כלל בסל"ד גבוה. לטובת הרחבת רצועת הכוח, בעיקר בסל"ד הבינוני והנמוך, פותח והושם שסתום הפליטה (בהמשך).
בשלב תכנון המנוע מחושב גם תדר הרזוננס של פורט הכניסה, נפח בית גל הארכובה הוא שקובע את התדר, ובאופן כללי כאשר הנפח גדול, תדר תהודת פורט הכניסה קטן, ומתואם ביעילות לסיבובי מנוע נמוכים. כתוצאה מכך ההספק גדל בסל"ד הנמוך תוך פגיעה יחסית בנצילות ההספק בסל"ד הגבוה. ולהיפך, נפח קטן, תדר תהודה גבוה, והגברת ההספק בסל"ד גבוה. שינוי מיקוםמרחק בית שסתום העלים לדוגמה, ולמעשה שינוי הנפח הכללי, הוא אחד משיפורי המנוע הנפוצים.
ניתן להבין שהתזמון מהווה פרמטר חשוב ביותר, בעבר התייחסו רק לגל השלילי, כיוון ותאום המנוע נעשה ע"י שימוש בצינור ארוך שקוצץ בהדרגה עד לקבלת ביצועים טובים בסל"ד רצוי. כיום המלאכה מורכבת יותר, לצורך הבנתה יש להסביר תחילה את תפקידם של החלקים השונים במערכת.

ב. מבנה מערכת הפליטה

פיה ראשונית
החלק הראשון בצינור, מחובר לפורט הפליטה, זורם בקו ישר או בעל זווית קטנה (עד 5 מעלות ). כתגובה לגל השלילי עוזר בהוצאת גזי הפליטה ובנוסף שואב חלק מהתערובת הטרייה לתוכו עד לשלב הדחיסה לצילינדר. למעשה קיים מצב בו לדוגמה מנוע 250 סמ"ק ישרוף תערובת הגדולה מ- 300 סמ?ק ,למעלה מ- 20% .) זוהי דוגמה תיאורטית מכיוון שמילוי הנפח איננו מושלם(. ככלל אצבע, שטח החתך שלו צריך להיות גדול ב- 10% (לעיתים אף יותר) מפורט הפליטה לטובת שיפור הכוח בסל"ד גבוה .אורכו צריך להיות גדול מקוטרו פי 6 עד 8 לקבלת הספק מרבי, לצורכי הרחבת רצועת הכוח האורך יגדל פי 11 ויותר. (קיימות שתי גישות לגבי הממדים הנ"ל - לטעמי מיותר לדוש בהן כאן).

מתפלג קונוס
החלק הקוני המחובר ל פיה הראשונית. תפקידו לשלוט בעוצמת ואורך הגל השלילי ולמעשה בעל חשיבות בקביעת אופי המנוע. נקודת מוצא בתכנון חלק זה היא, שהחלק הרחב ביותר גדול פי 6.25 מהחלק הצר ביותר, והאורך יקבע כך שהזווית הנוצרת תנוע בין 7 ל- 10 מעלות. קיימים מצבים בהם הזווית גדולה יותר, המשמעות משך זמן קצר בעוצמה גדולה יותר של הגל השלילי .

גחון
ממוקם במרכז הצינור, בדרך כלל ללא שינויי קוטר, הפרמטר המשמעותי בו הוא האורך הקובע את תזמוני הגל השלילי והחיובי (כתשובה לשאלת האורך הנצחית).
באופן כללי ניתן להזיז את עקומת ההספק לסל"ד גבוה ע"י קיצורו (הדבר נובע ממסלול קצר יותר של הגל חיובי), או להרחיב את העקומה (על חשבון ההספק המקסימלי ) ע"י חלק ארוך יותר.

קונוס מתכנס
החלק הקוני השני בצינור, תפקידו לשלוט בגל החיובי הדוחס את התערובת הטרייה לתוך הצילינדר בתזמון עם פורט פליטה במצב פתוח. הזוויות הדרושות הן 14 עד 20 מעלות, למעשה פי 2 מהזווית הקיימת ב- קונוס המתפלג. השפעתו העיקרית היא על אופי העקומה לאחר נקודת שיא ההספק, יש מתכננים היוצרים מגביל סל"ד בעזרתו.

פיה סופית
החלק האחרון בצינור, מתחבר למשתיק הקול. תפקידו לווסת יציאת גזי הפליטה לאטמוספרה, כאשר ממדיו (אורך וקוטר) הם ששולטים ביחס הדרוש. כאשר הוא ארוך והקוטר קטן נוצר לחץ חוזר, דבר היוצר תווך דחוס יותר המועדף לתנועת הגלים ומנגד מעלה את הטמפרטורה המוקרנת למנוע (התייחסות לנושא בהמשך), מצב רגיש ואף מסוכן. הקוטר הנדרש הוא 0.58 עד 0.62 מקוטר ה- פיה הראשונית האורך נקבע ע"י הכפלת קוטרו ב- 12.
משתיק הקול מלבד היותו מגביל רמת דציבלים מתבקש, משמש גם כחוליה האחרונה המסייעת לפיה הסופית בוויסות גזי הפליטה ולכן לממדיו (קוטר ואורך) יש משמעות.
(שומע מומו, הסרת המשתיק לא מוסיפה כוח, להפך, והרעש לא מוסיף כבוד).

לאחר תכנון הצינור מותאם המשתיק (ולא ההפך), כך שלא תהיה פגיעה בתכונות שהוגדרו מראש ולכן המלצות לקניית סט של צינור ומשתיק תואמים הן לא ממניעים כלכליים.



לעיתים ניתן לראות מספר רב יותר של חלקים היוצרים את הצינור (עם טבעות ריתוך ביניהם), בד"כ מדובר בפיתוח נקודתי עבור דרישת אופי מנוע מסוים. ניתן להתייחס לכך כאל אב-טיפוס שלפני הייצור ההמוני, קבוצות מירוצים בוחנות לא מעט שכאלה עד לקבלת הסט-אפ המתאים ביותר. למעשה כל אחד מחמשת החלקים העיקריים המוזכרים מורכב ממספר פיסות קטנות,
אחד החלקים העיקריים שמורכב לעיתים ממספר פיסות שכאלה ( 2 או 3) הוא הקונוס המתפלג, כאשר יצירת הזוויות המשתנות באה במטרה להרחיב את התחום היעיל עם מינימום
פגיעה בשיא הספק, זהו פיתוח מתקדם ומסובך יותר, שמתחיל מתוך מבנה הבסיס.

חלק נוסף בעל קשר הדוק למערכת הפליטה הוא שסתום הכוח או שסתום הפליטה.
ממוקם באזור פורט הפליטה (ופורטי הפליטה המשניים אם קיימים ). מטרתו הכללית היא להרחיב את תחום רצועת הכוח, הכוונה בעיקר לסל"ד הנמוך והבינוני (לא מוסיף להספק המקסימלי), כאשר השליטה והבקרה נעשות בהתאם לסל"ד המנוע ואו מצב המצערת.
קיימים יישומים שונים של חלק זה (ולא רק באופנועי שטח), הקוראים בוודאי יזכרו את ה- YPVS של ימאהה. במשך השנים פותחו מספר גרסאות שונות ומשונות, ומבלי להיסחף למבנה ואופן פעולה של כל אחת מהיצירות הנ"ל (דורש מאמר נפרד), הפרמטרים בהם שולט השסתום הם: וקטור מהירות פורט הפליטה, עוצמת הגל החוזר (מצינור הפליטה לכיוון הצילינדר), טמפרטורת גזי הפליטה (ראה פרק ד) לפתח פורט הפליטה, שינוי יחס הדחיסה (לגבוה יותר בסל"ד נמוך), והשפעה בשימוש על אורך מערכת הפליטה ע"י הוספת חלל בין הבוכנה לצינור הפליטה ע"י פתיחתסגירת השסתום, כך שנוצרת תוספת לפיה הראשונית התורמת לתחום הנמוך.
לשסתום זה תרומה חשובה, החברות הגדולות לא חוסכות משאבים בפיתוחו (למרות מהפכת מרובעי הפעימות) ובשנים האחרונות הוא נהיה מורכב ואפקטיבי יותר, כך גם היחס כלפיו מצד המכונאים (ולמרות שלימאהה הישן שלי אין כוח רב בזכותו, והצורך התקופתי בניקוי הג'יפה סביבו לא נחסך ממני לעולם).
תכנון ובניית מערכת פליטה נעשית אף היא מורכבת יותר בשנים האחרונות מכיוון שמספר הפרמטרים עליהם צריך לתת את הדעת גדל, ורק חלק מהסימולציות הקיימות (התייחסות בהמשך) מספקות כיסוי מדויק למשתנים הרבים.

ג.תכנון וחישוב
תהליך תכנון המערכת מתחיל בהגדרת הדרישות (אופי המנוע ), ולאחר מכן בהגדרתאיסוף הפרמטרים השונים הדרושים לצורכי החישובים: תזמון כניסה, תזמון פורט פליטה, תזמון פורט מעבר, הספק מרבי בסל"ד הרצוי, ממדי פורט הפליטה, מהירות גלי הקול בצינור (תוך התייחסות לטמ"פ), וכו'.
מבלי להיכנס לאופן חישוב ממדי צינור הפליטה ניתן לציין שנוסחת הבסיס היא האורך המתואם (הרצוי), תלוי במשתני זמן פתיחת פורט הפליטה, מהירות גלי קול ומהירות גל הארכובה. חישוב הזוויות ואורך כל חלק בצינור מתבסס כאמור על האורך המתואם, וכאן המקום לציין עובדה חשובה: ממדי הצינור לא נקבעים על פי נפח המנוע (וכמות גז הפליטה) אלא תחום הסל"ד הרצוי .
ניקח לדוגמא שני אופנועי שטח: מנוע קטן (80 סמ"ק), התחום היעיל שלו מופיע בסל"ד גבוה ולכן הוא בעל צינור פליטה קצר עם זוויות תלולות; לעומתו מנוע גדול (500 סמ"ק) בעל צינור פליטה ארוך יותר, ומשמעות הדבר כיוון לסל"ד נמוך יותר ובאופן יחסי פחות הספק. ניתן להפיק הספק רב יותר (כמעט כפול ) עם צינור פליטה קצר ומנוע מכוון להספק שיא (השינוי המשמעותי ביותר הוא בתזמוני ומשך פתיחת הפורטים), אך עבור אופנוע שטח בנפח של 500 סמ"ק יהיה זה כוח בלתי-נישלט, ולכן בפועל רצועת הכוח רחבה ויעילה.









ד.הטמפרטורה
בביקור שערכתי בסדנת שיפורים בארה"ב חזיתי במנוע ז"ל שהובא בידי מתכנן צינורות פליטה חובב, בניסיון להצלת מנוע 125 RM שלו(התיך בוכנה וצילינדר). מקרה מצוין להמחשת נושא הטמפרטורה שלא נלקח בחשבון בתכנון ותאום צינור פליטה זה.
כל יצרןמתכנן מגדיר טמפ" עבודה ממוצעת מתאימה (800-250 מעלות צלסיוס באופנועי שטח) לניצולת מקסימלית, כאשר הבדיקה מבוצעת בתוך הצינור ובמרחק קצר מפורט הפליטה.
מניתוח מתמטי ניתן ללמוד על היחס שבין הטמ"פ למהירות תנועת הגלים, בשורה התחתונה ניתן להבין שהעלאת הטמפרטורה גורמת להגברת מהירות הגלים (בתוך גז הפליטה).
חריגות טמ"פ ניתן לפתור במקרים מסוימים ע"י שינויים בקרבורטור דווקא ולא במבנה הצינור, העשרת התערובת לדוגמה תוריד את הטמ"פ, כמובן שיש להגיע לאיזון נכון.


מושג הנדסי מתבקש הוא:
BMEP- Effective Pressure Break Mean
הלחץ האפקטיבי הממוצע עבור כל מחזורי העבודה, שהוא למעשה הכוח המתפתח על העומס שיוצר הדינמומטר. הוא קטן מזה הנוצר ע"י הגז בצילינדר כיוון שקיימים לא מעט בזבוזי חיכוך מכאניים ועומסים פרזיטיים בדרך לגלגל, הוא מכיל בתוכו את פרמטרי המומנט וכוח הסוס, ומשמש כמדד עיקרי לביצועי מנוע מעשיים. כפי שניראה קיים קשר בינו לטמפ" הגזים בתא (צילינדר). לאופי עיצוב המנוע משקל רב יותר מנפח המנוע עצמו, ולכן חלון תוצאות המדידה די מצומצם גם שמדובר בהבדלי נפח משמעותיים. בהגדרה כללית: מנוע אפקטיבי הוא בעל לחץ ממוצע גבוה (נדון מיד בהשלכות), ולחץ השיא (מיד לאחר נ.מ.ע) גדול יותר. הדרישות ממנועים כיום נעות מ- 55 עד 190 PSI. הדבר נכון למנועים קטנים וגדולים כאחד, מנוע 50 או 500 סמ"ק.
על היחס שבין דרישות הלחץ לטמפרטורה ניתן ללמוד ע"י ביטוי מתמטי, ומבלי לגלוש לפיתוח עצמו נמחיש הנושא ע"י דוגמת אופנוע מוטוקרוס 250 סמ"ק מודרני בעל דרישות לחץ שבסביבות 10 בר, לאחר הצבה והמרה מתקבלת טמ"פ של 868 (קלווין), כ- 595 מעלות צלסיוס.
כלומר כדי להגיע לעמידה בגבולות הטמ"פ יש לתכנן את הלחץ בתא כך, שמצד אחד לא יהיה נמוך מדי (פגיעה בביצועים), ומצד שני לחץ גבוה יגרום להתפתחות חום אותו מערכת הקירור לא תוכל לפזר ובסופו של דבר המנוע יינזק.


ו. דברים שרואים מכאן לא רואים משם ולהפך
בוני מנועים ומתכנני מערכות פליטה לעיתים מסיימים את מלאכתם, כאשר התוצאה הסופית לא אופטימלית. בחלק מן המקרים ניתן להבחין בכך בזמן הרכיבה, אך קיימים מצבים שההבחנה תעשה רק באמצעות מכשירי מדידה (כמו הדינמומטר, שזמן השימוש בו יקר לרוכב ללא תמיכה), ולכן המצב לא תמיד ברור.
בשורות הבאות מוצגות מספר בעיות תכנון אפשריות והגורמים להן :
א. חוסר בכוח: פיה ראשונית ארוכה מדי.
ב. סל"ד ומומנט נמוך: האורך הכולל של הצינור גדול מדי .
ג. מומנט גבוה בתחום סל"ד צר: הקונוס המתפלג קצר מדי.
ד. רצועת כוח שטוחה (לפני קבלת שיא ההספק): טעות בממדי הקונוס המתכנס.
ה. כוח מתפרץ (פתאומי): זווית הקונוס המתכנס תלולה מדי .










צריך לזכור שתי עובדות חשובות לפני הטלת האשמה בצינור הפליטה כאשר הביצועים גרועים:
1. אף קונפיגורציה של הצינור לא תחפה על מנוע בעל נתוני פתיחה גרועים כגון, הזנת תערובת לא נכונה (עשירה או ענייה וכו'), מיפוי הצתה שגוי, בעיה בתזמוני מנוע לאחר ביצוע פורטינג כושל ופגיעה בזמן הפורט (פורט פליטה, פורט מעבר וכו'), שבאופן כללי צריך לגדול ביחס לסל"ד (שקלול מתמטי בו שטח הפורט מחולק בסמ"ק ומוכפל בזמן בו הפורט פתוח).
2. אופי המנוע מאלץ התאמת הצינור (לרזוננס) ולכן מנוע המכוון להפקת הספק גבוה
לא יחובר לצינור "מומנטי" (וההפך), הדבר יגרום במקרה הטוב רק לפגיעה בביצועים.

ז. הסימולציות
תכנון של מערכת פליטה דורש חישובים רבים (קיימים עוד פרמטרים רבים בנוסף למוזכרים בפרק ג'), הדבר יוצר סיבוך ומגדיל את הסיכוי לטעויות, מה גם שהבסיס המתמטי של חלק מהעוסקים במלאכה (גם המוכשרים ביותר) לא רחב מספיק. הסימולציה עושה את העבודה קלה ומהירה וחוסכת זמן, עבודה פיזית ,חומרים, והרבה כסף.
השימוש בפועל נעשה ע"י הכנסת נתונים מדודים או מפרטיים לשדות מתאימים: נתוני צינור הפליטה (סוג החומר, עובי, טמ"פ עבודה ממוצעת וכו'), ונתוני המנוע (נפח, מהלך וקוטר, סל"ד הרצוי לכוח שיא, זוויות פתיחת פורטים וכו'). רמת דיוק הנתונים ואו ידיעת הקיזוזים הדרושים חוסכת הרבה יזע ודמעות.
קיימות גם גרסאות המאפשרות הזנת סוג המודל והשנתון, כאשר נתוני המנוע של האופנוע הספציפי כבר מובנים (בתנאי כמובן שלא בוצעו שינויים חודרניים באופנוע מרגע עזיבתו את פס הייצור), אך בפועל, חוסר הדיוק בנתונים (במיוחד במודלים חדשים שאין עדיין משוב ודרישה לתיקוני תוכנה מהצרכנים), מביא בד"כ לבדיקות ומדידות עצמאיות.
קיימות מספר לא מבוטל של סימולציות, הטובות שביניהן עושות את רוב העבודה, אבל תמיד יש צורך בשינוי פיזי של הצינור (תוך בדיקה רציפה של הביצועים על הדיינו) הכולל תוספת או קיצוץ נוסף בכיוון עדין. פה לניסיון ולכשרון תפקיד מרכזי, זוהי אומנות בפני עצמה.

סיכום
מערכת הפליטה היא מרכיב חשוב בקביעת ביצועי מנוע שתי-פעימות. תכנון וייצור מערכת כזו מצריך ניסיון רב והבנה מעמיקה של המנוע וסביבתו. כלי הסימולציה השונים הם לעזר בלבד (התבססות על סימולציה בלבד בלי הידע הדרוש עלול להסתיים בפגיעה במנוע).
חברות רבות מספקות מבחר מערכות פליטה המתאימות בדרך כלל למגוון רחב של מטרות וסגנונות רכיבה. ביצוע שינויים וניתוחי מערכת הפליטה בבית עלול לארוך זמן רב (למרות שלמדתי הרבה, ושוב תודה לדו"פ הישן שלי) ולהיות עסק יקר (ראה פרק ד', טמפרטורה), ולכן לא מומלץ לבעלי עצבים רופפים.
לסיום לא ניתן שלא להתייחס לעתיד. מערכת הפליטה היא כאמור חלק בלתי נפרד מיחידת הכוח שהמחקר ומשאבי הפיתוח הם שקובעים ויקבעו את עתידם. ומה לגבי עתיד הדו"פים ?
נראה אפור משהו (2006?). יש לנתק את הראש מהלב ושתי פעימותיו (מה לעשות, המשאבה הזאת קצת יותר חשובה בחיים מזו המכאנית), ובלי סנטימנטים מיותרים לשאוף תמיד לאופנוע המתאים והטוב ביותר.
דו"פ או מרובע,אנרגטי מול ליניארי, אני על כל פנים מנסה לנצל כל פעימה מוטורית פנויה.