ביצועי מנוע בוכנה: הספק, נפח ויחס דחיסה – מבחן מנוע בוכנה רת״א

עבודה והספק

עבודה: כוח כפול מרחק. נמדדת ברגל-ליברה (ft-lb).
הספק: עבודה ביחידת זמן.
כוח סוס אחד (HP): 33,000 ft-lb/min = 550 ft-lb/s = 746 W.

נפח עקירה (Displacement)

נפח העקירה הוא הנפח שכל הבוכנות מפנות במהלך אחד:

Displacement = Area × Stroke × Cylinders

כאשר שטח הבוכנה הוא Area = π × r² (או 0.7854 × Bore²).

דוגמה

מנוע עם 4 צילינדרים, קדח 5 אינץ׳ ומהלך 4 אינץ׳:

שטח: 0.7854 × 5² = 19.635 in²
נפח לצילינדר: 19.635 × 4 = 78.54 in³
נפח מנוע: 78.54 × 4 ≈ 314 in³

מספר הדגם של מנועי Lycoming ו-Continental כולל בדרך כלל את נפח העקירה באינץ׳ מעוקב, למשל O-320 = נפח 320 אינץ׳ מעוקב, מנוגד (O).

אות בדגם	משמעות
O	מנוגד (Opposed)
I	הזרקת דלק (Injected)
T	מוגדש טורבו (Turbocharged)
G	תיבת הפחתה (Geared)
S	מוגדש (Supercharged)
R	כוכבי (Radial)
L	סיבוב שמאלי (Left-hand rotation)
A	מותאם לטיסת גב (Aerobatic)

לדוגמה, TIO-540 הוא מנוע מוגדש טורבו, עם הזרקה, מנוגד, בנפח 540.

יחס דחיסה (Compression ratio)

יחס הדחיסה הוא היחס בין נפח הצילינדר כשהבוכנה ב-BDC לבין הנפח כשהיא ב-TDC:

CR = (Swept volume + Clearance volume) / Clearance volume

לדוגמה, נפח מהלך 90 ונפח תא בעירה 10: (90+10)/10 = 10:1.

יחס דחיסה גבוה יותר נותן יותר הספק ויעילות תרמית טובה יותר, אבל מגביר את הסיכון לנקישות (Detonation). לכן יחס הדחיסה מוגבל על ידי דרגת האוקטן של הדלק.

לחץ אפקטיבי ממוצע (MEP)

הלחץ הממוצע שפועל על הבוכנה במהלך פעימת ההספק. זהו מדד לאיכות הבעירה, ומשמש בנוסחת ההספק.

נוסחת כוח הסוס המצוין (IHP)

IHP = (P × L × A × N × K) / 33,000

P – לחץ אפקטיבי ממוצע מצוין (psi)
L – מהלך ברגל
A – שטח הבוכנה באינץ׳ רבוע
N – מספר פעימות ההספק לדקה לכל צילינדר: RPM / 2
K – מספר הצילינדרים

סוגי הספק

מונח	משמעות
IHP – Indicated HP	ההספק שנוצר בצילינדרים מהלחץ על הבוכנות
FHP – Friction HP	ההספק שהולך לחיכוך ולהנעת אביזרים
BHP – Brake HP	ההספק שמגיע בפועל לגל המדחף: `BHP = IHP − FHP`
THP – Thrust HP	ההספק שהמדחף הופך לדחף: `THP = BHP × יעילות המדחף`

מומנט (Torque) הוא כוח הסיבוב. BHP = (Torque × RPM) / 5,252 כשהמומנט ברגל-ליברה. מומנט נמדד בבלם פרוני (Prony brake) או בדינמומטר.

גורמים שמשפיעים על ההספק

צפיפות האוויר: גובה, טמפרטורה ולחות. אוויר חם, גבוה ולח מוריד הספק. אדי מים תופסים מקום של אוויר ולא נשרפים.
לחץ סעפת (MAP – Manifold Absolute Pressure): ככל שהלחץ בסעפת היניקה גבוה יותר, נכנסת יותר תערובת לצילינדר. במנוע לא מוגדש, כשהמנוע כבוי, מד הלחץ מראה את הלחץ האטמוספרי. כשהמנוע פועל בסרק, הלחץ נמוך מהאטמוספרי.
סל״ד: יותר פעימות הספק בדקה. מעבר לנקודה מסוימת היעילות הנפחית יורדת והחיכוך עולה.
יחס דלק-אוויר: תערובת להספק מקסימלי (Best power) עשירה מהתערובת הכימית האידאלית; תערובת לחיסכון (Best economy) רזה יותר.

יחס דלק-אוויר

תערובת	יחס משקלי דלק:אוויר בקירוב	מאפיין
עשירה מאוד	`1:8`	גבול עליון לבעירה
הספק מקסימלי	`1:12`	הספק מרבי, קירור טוב
סטוכיומטרית (כימית מלאה)	`1:15`	כל הדלק וכל החמצן נצרכים, EGT מקסימלי
רזה מאוד	`1:16`	גבול תחתון לבעירה

ההגבלה המעשית לבעירה היא בין כ-1:8 לכ-1:16. תערובת עשירה עוזרת לקרר את המנוע בהספק גבוה, כי הדלק העודף סופג חום כשהוא מתאדה.

בעירה לא תקינה

נקישות (Detonation)

התפוצצות של שארית התערובת, אחרי שההצתה הרגילה כבר התחילה. הלחץ עולה בבת אחת ופוגע בבוכנות, בטבעות ובראשי הצילינדרים.

סיבות: דלק באוקטן נמוך מהנדרש, תערובת רזה מדי בהספק גבוה, טמפרטורת ראשי צילינדרים גבוהה, לחץ סעפת גבוה מדי, הצתה מוקדמת מדי.

הצתה מוקדמת (Pre-ignition)

התערובת נדלקת לפני הניצוץ, מנקודה חמה בתא הבעירה – משקע פחמן חם, קצה מצת חם מדי או שסתום פליטה לוהט. מאפיין: טמפרטורת ראש צילינדר עולה בפתאומיות בצילינדר אחד.

״חזרת להבה״ ו״אחרי-בעירה״

Backfire: תערובת רזה מדי נשרפת לאט, עדיין בוערת כשהשסתום הבא נפתח, והלהבה חוזרת לסעפת היניקה.
Afterfire: תערובת עשירה מדי, דלק לא שרוף יוצא לפליטה ונדלק שם.

דלק ואוקטן

דרגת אוקטן: מודדת את עמידות הדלק לנקישות. מספר האוקטן משווה את הדלק לתערובת של איזו-אוקטן (עמיד מאוד) והפטן רגיל (נוקש בקלות).
דרגת ביצוע (Performance number): לדלקים עמידים יותר מאיזו-אוקטן. דלק מסומן בשני מספרים, למשל 100/130 – תערובת רזה / תערובת עשירה.
TEL – טטרא-אתיל עופרת: תוסף שמעלה את דרגת האוקטן. לכן מוסיפים גם חומר סורק (Ethylene dibromide) שמונע משקעי עופרת.
תנודתיות (Volatility): הנטייה של דלק להתאדות. תנודתיות גבוהה מדי מגבירה סכנת נעילת אדים (Vapor lock).

דלק	צבע
100LL (Low Lead)	כחול
100	ירוק
80	אדום
Jet-A / Jet-A1	שקוף או צהבהב

צריכת דלק סגולית (SFC)

BSFC – Brake Specific Fuel Consumption: ליברות דלק לשעה לכל כוח סוס בלם.

BSFC = Fuel flow (lb/hr) / BHP

דוגמה: מנוע 200 BHP שצורך 12 GPH של AVGAS (6 lb/gal → 72 lb/hr): BSFC = 72 / 200 = 0.36 lb/hp/hr.

ערך נמוך = יעילות גבוהה.
מנועי בוכנה – בדרך כלל כ-0.4–0.5.
תערובת רזה (Best economy) – SFC נמוך; עשירה (Best power) – גבוה יותר.

נוסחת PLANK

נוסחת ההספק המצוין ידועה גם כPLANK:

IHP = (P × L × A × N × K) / 33,000

P – לחץ אפקטיבי ממוצע מצוין (psi).
L – מהלך ברגל.
A – שטח הבוכנה באינץ׳ רבוע.
N – פעימות הספק לדקה לכל צילינדר – RPM / 2.
K – מספר הצילינדרים.

דוגמה: P = 165 psi, מהלך 6 אינץ׳ (0.5 רגל), קדח 5 (A = 19.635), 2,400 RPM (N = 1,200), 6 צילינדרים:

IHP = 165 × 0.5 × 19.635 × 1,200 × 6 / 33,000 ≈ 353.4 HP

נקודות למבחן

1 HP = 33,000 ft-lb/min.
נפח עקירה = שטח × מהלך × מספר צילינדרים.
BHP = IHP − FHP.
יחס דחיסה גבוה = יותר הספק, יותר סיכון לנקישות.
נקישות – אחרי ההצתה; הצתה מוקדמת – לפני הניצוץ.
100LL כחול.