וסת צנטריפוגלי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

וסת צנטריפוגלי (centrifugal governor, הידוע גם כ"וסת של ואט") הוא מנגנון בקרה מכני, השומר על מהירות קצובה של מכונה. ראשית השימוש בו הייתה במנועי קיטור בוכנאיים. כיום הוא נפוץ בעיקר במנועי דיזל, ותפקידו לשמור על מהירות קבועה של המנוע על ידי התאמת כמות הדלק המוזרקת לתנאי העומס המשתנים להם הוא נתון.

תוכן עניינים 1 היסטוריה 2 וסתים צנטריפוגליים במנועי דיזל 2.1 וסת מכני פשוט 2.2 וסת צנטריפוגלי הידראולי 2.3 וסת צנטריפוגלי-הידראולי איזוכרוני

[עריכה] היסטוריה

הווסת הצנטריפוגלי הומצא על ידי ג'יימס ואט בשנת 1788, כדי לשמור על מהירות קצובה של מנוע הקיטור הבוכנאי בתנאי עומס משתנים. הווסת שלט על מידת הפתיחה של שסתום ויסות, דרכו סופק הקיטור לצילינדר המנוע. בשל צורתו נקרא Fly-ball governor כלומר "וסת משקולות".

לימים נעשה שימוש בווסת הצנטריפוגלי במכשירים המונעים בתנועה סיבובית על ידי קפיץ לולייני דרוך, כמו גרמופון, פונוגרף, תיבת נגינה, חוגת טלפון ועוד. הווסת במכשירים אלה נועד לשמור על מהירות סיבוב קבועה ויציבה של המנגנון בכל מצב מתיחות של קפיץ ההנעה. בגרמופון, לדוגמה, הווסת הצנטריפוגלי הונע ישירות על ידי תמסורת ההנעה של צלחת התקליט. כאשר קפיץ ההנעה היה דרוך במלואו והתקליט שאף להסתובב במהירות גבוהה, נפתחו משקולות הווסת והפעילו בלם חיכוך עשוי עור. הבלם התחכך בצד התחתון של צלחת התקליט, ועל ידי כך שמר על מהירות יציבה (פחות או יותר) של 78 סיבובים לדקה. כשהלך קפיץ ההנעה ונחלש, נסגרו המשקולות והרחיקו את הבלם מן הצלחת יותר ויותר.

[עריכה] וסתים צנטריפוגליים במנועי דיזל

[עריכה] וסת מכני פשוט

לווסת שתי משקולות, המחוברות אל נושא משקולות ומסתובבות יחד אתו. נושא המשקולות מקבל את תנועתו הסיבובית דרך תמסורת גלגלי שיניים מגל הארכובה, ועל ידי כך מעביר אל המשקולות את ערך המהירות הממשית של גל הארכובה.

עקב סיבובן פועל על המשקולות כוח צנטריפוגלי והן נפתחות כנגד קפיץ בקר המהירות. ערך המהירות הרצויה נקבע על ידי קשיחות קפיץ בקר המהירות; בווסתים למהירות קבועה קשיחות הקפיץ מכוונת מראש ונותרת קבועה ללא שינוי; בווסתים למהירות משתנה מכוונים את קשיחות הקפיץ כפונקציה של המהירות הרצויה באמצעות מצערת הדלק: כדי להגביר את מהירות המנוע דוחס מנגנון פיקוד הקשור למצערת הדלק את הקפיץ בשיעור הרצוי, וכדי להורידה הוא מרפה את הקפיץ. זרועות המשקולות קשורות אל שרוול פיקוד נייד, המזיז דרך מערכת מנופים את מוטות קיצוב הדלק במשאבות ההזרקה. הווסת נמצא במצב של שיווי משקל כאשר הכוח הצנטריפוגלי של המשקולות שווה לכוח הקפיץ; המשקולות אינן נפתחות ואינן נסגרות, שרוול הפיקוד אינו זז, וכמות הדלק המוזרקת נשארת קבועה. מצב זה נמשך כל עוד מהירות המנוע אינה משתנה עקב שינוי בעומס הפועל עליו.

כאשר העומס על המנוע גדל, קטנה מהירות הסיבוב של גל הארכובה וכתוצאה מכך קטנים גם מהירות הסיבוב של המשקולות והכוח הצנטריפוגלי הפועל עליהן. מאחר שמופר האיזון בין כוח המשקולות לכוח הקפיץ, הן נסגרות ומזיזות את שרוול הפיקוד בכיוון הגדלת כמות הדלק המוזרקת. בו זמנית מתארך גם קפיץ בקר המהירות. אות התיקון לתוספת דלק שמסרו המשקולות גורם להעלאה מחודשת של מהירות המנוע, וזו תתייצב מחדש כאשר הכוח הצנטריפוגלי ישווה לכוח קפיץ בקר המהירות. אך מאחר שסגירת המשקולות גרמה להתארכות הקפיץ, המהירות החדשה תהיה נמוכה מעט מהערך הרצוי (בגבולות של 0-4%). במלים אחרות, תנועת המשקולות גרמה להֵסֶט (offset) מערך המהירות הרצויה, וזהו חסרונו המובנה של וסת צנטריפוגלי, שאינו יכול לשמור על מהירות קבועה באמת (איזוכרונית).

מצב הפוך יקרה כאשר העומס על המנוע יקטן. המשקולות ייפתחו ויזיזו את שרוול הפיקוד בכיוון הקטנת כמות הדלק המוזרקת. בו זמנית יתכווץ הקפיץ, והמהירות החדשה עליה יתייצב הווסת תהיה גבוהה מעט מהמהירות הקודמת.

תכונות הווסת הצנטריפוגלי הפשוט

• וסת מהירות צנטריפוגלי הוא מנגנון בקרה בחוג סגור בעל ויסות פרופורציונלי. המשמעות היא, שהבקרה על מהירות המנוע היא רצופה, והווסת מתקן מיד כל סטייה מערך המהירות הרצויה. גודל התיקון הוא יחסי (פרופורציונלי) לגודל הסטייה, כך ששינוי קטן במהירות המנוע עקב שינוי בעומס יגרור אחריו שינוי קטן של כמות הדלק המוזרקת ולהפך.
• כמו כל הווסתים הפרופורציונלים, גם וסת המהירות הצנטריפוגלי הפשוט סובל מחיסרון מובנה: כאשר חל שינוי במהירות המנוע עקב שינוי בעומס הפועל עליו, הבקר שולח אות תיקון למנגנון התיקון ומייצב את המערכת לערך חדש, שהוא גבוה או נמוך מעט מן הערך הרצוי. הסיבה לכך היא, שבקר פרופורציונלי מסוגל לשלוח אות תיקון רק אם מתקיימת סטייה מן הערך הרצוי, ולכן מעצם טבעו זקוק לסטייה כדי לפעול. לסטייה "טבעית" זו קוראים הֵסֶט (offset).
  

אם משליכים זאת לווסת מהירות צנטריפוגלי של מנוע דיזל, המשמעות היא, כי לא ניתן להגדיל את כמות הדלק המוזרקת (עקב עליית עומס) אלא על חשבון הרפיית קפיץ בקר המהירות, היינו הגדלת אורכו. מאחר שאורך מסוים של קפיץ בקר המהירות מתאים למהירות מסוימת אחת בלבד, הרפיית הקפיץ משמעותה בהכרח הורדת המהירות הרצויה בשיעור מסוים. מצב הפוך יקרה כשהעומס על המנוע יקטן.

בטרמינולוגיה של וסתי מהירות קוראים להֵסֶט זה בשם "שחיחות מהירות" (speed droop). שחיחות המהירות היא שיעור הירידה במהירות המנוע ממצב אפס עומס למצב עומס מלא. היא מבוטאת בדרך כלל כאחוז של המהירות הרגילה או של המהירות הממוצעת של המנוע, ושיעורה 2-4%. לדוגמה אם מנוע פועל במהירות רגילה ללא עומס והוא מועמס בהדרגה עד עומס מלא, תקטן מהירות הסיבוב של גל הארכובה ב-4%. אם יוסר לגמרי העומס תעלה המהירות ב-4%. שינויי עומס חלקיים יגרמו לעלייה או לירידה של מהירות המנוע בין 0% ל-4% מהמהירות הרגילה (הרצויה).

חסרונות הווסת הצנטריפוגלי הפשוט

• רגישותם נמוכה, היות שיחידת המדידה והבקר (המשקולות) צריכים לשמש גם כמנגנון תיקון ולספק את הכוח להזזת מוטות קיצוב הדלק של משאבות ההזרקה.
• הכוח שמפעילות המשקולות להזזת מוטות קיצוב הדלק הוא קטן יחסית, ואינו מספיק לשליטה במספר רב של משאבות הזרקה או במשאבות הזרקה גדולות, אלא אם נגדיל בשיעור ניכר את מסת המשקולות.
• וסתים מכניים הם בעלי שחיחות מהירות בלתי נמנעת, ולכן אינם יכולים לשמור על מהירות קבועה לחלוטין.
  

את הפתרון לשתי הבעיות הראשונות מעניק הווסת ההידראולי הפשוט.

[עריכה] וסת צנטריפוגלי הידראולי

בווסתים הידראוליים אין קשר ישיר בין בקר המהירות לבין מנגנון התיקון. המשקולות משמשות כבקר מהירות בלבד, האומד את גודל הסטייה מן המהירות הרצויה ואת כיוונה (+ או –). הן מעבירות אות תיקון אל שסתום ניתוב (pilot valve), השולט על אספקת שמן אל ומבוכנת כוח הידראולית. בוכנת הכוח היא מנגנון התיקון המזיז את מוט קיצוב הדלק של משאבות ההזרקה. אספקת השמן לבוכנת הכוח דרך שסתום הניתוב נעשית בלחץ ממערכת שמן הסיכה של המנוע או על ידי משאבת שמן נפרדת המונעת על ידי הווסת.

כאשר הווסת פועל במהירות הרצויה, השסתום סוגר במדויק את הפתח בצילינדר, ואין כל זרימת שמן אל בוכנת הכוח או ממנה. כאשר מהירות הווסת עולה מעל המהירות הרצויה, המשקולות נפתחות ומרימות את השסתום. כתוצאה מכך הפתח מתגלה חלקית, ושמן מתנקז מתחת בוכנת הכוח דרך צילינדר השסתום אל האגן. קפיץ בוכנת הכוח דוחף את הבוכנה מטה, והיא מזיזה את מוט קיצוב הדלק לכיוון מינימום דלק (אפס עומס). כאשר מהירות הווסת יורדת מתחת למהירות הרצויה, המשקולות נסגרות ומורידות את שסתום הניתוב. השסתום מגלה את הפתח ומאפשר מעבר אספקת שמן אל מתחת בוכנת הכוח. לחץ השמן הפועל על הבוכנה מרים אותה כנגד לחץ הקפיץ לכיוון מקסימום דלק (עומס מלא).

גובה טובלן השסתום שווה במדויק לגובה הפתח בצילינדר השסתום. מאחר שהשסתום מוזז ישירות על ידי משקולות בקר המהירות, קיים מצב משקולות אחד בלבד ולפיכך גם מהירות מנוע (רצויה) אחת ואחת בלבד שבהם הפתח נותר סגור. כתוצאה מכך, כל סטייה מן המהירות הרצויה, ולו הקטנה ביותר, תגרום לתנועת שסתום הניתוב ולשינוי כמות הדלק המוזרקת. המשמעות היא, כי התחום הפרופורציונלי של וסת פשוט זה הוא 0%, רגישותו אינסופית, שחיחות המהירות שלו 0%, והוא פועל למעשה כבקר דו-מצבי (on-off). אלמלא היה גובהו של טובלן השסתום שווה בדיוק לגובה הפתח בצילינדר שלו, הוא היה מגיב באיחור לכל שינוי במהירות המנוע ופועל כבקר דו-מצבי עם תחום מת. לפיכך, בעיית התנודות לא הייתה נפתרת.

אם מוסיפים לכך גם את העובדה, כי תגובת המנוע לשינוי כמות הדלק המוזרקת אינה מיידית, בשל האינרציה של החלקים הנעים, צמיגות השמן וחיכוך בין החלקים הנעים של מנגנוני הווסת ומוטות קיצוב הדלק, יוצא שכל שינוי בעומס גורר אחריו תיקון מוגזם (בכיוון + ובכיוון –) ומהירות הסיבוב של המנוע אינה יציבה אלא מתנודדת.

כדי להתמודד עם חסרונו המובנה של הווסת ההידראולי הפשוט ולמנוע את התנודות במהירות המנוע, צריך להחזיר את שסתום הניתוב למצב שיווי משקל (פתח סגור) מיד לאחר שמוט קיצוב הדלק משלים את קיצוב כמות הדלק החדשה, הדרושה להתמודדות עם השינוי בעומס על המנוע. הדבר נעשה על ידי שליחת משוב (feedback) ממוט קיצוב הדלק או מבוכנת הכוח המזיזה אותו אל שסתום הניתוב. המנגנון נקרא מנגנון פיצוי (compensation) או איפוס (reset), והוא מאזן את שסתום הניתוב על ידי יצירת שחיחות מהירות מלאכותית. המהירות החדשה עליה יתייצב המנוע תהיה אמנם קטנה או גדולה מעט מן המהירות הרצויה, אך היא תהיה קצובה וללא תנודות. גודל השחיחות 2-4%, והוא ניתן לכיוון על ידי קיצור או הארכת מנוף הפיצוי.

תגובת הווסת להקטנת העומס על המנוע
כאשר מהירות המנוע עולה עקב ירידת עומס, נפתחות המשקולות, מעלות את שסתום הניתוב והוא מנקז כמות שמן מסוימת מתחת בוכנת הכוח. קפיץ בוכנת הכוח דוחף את הבוכנה, ומוט קיצוב הדלק נע יחד אתה ומקטין את כמות הדלק המוזרקת. בו זמנית יורד מנוף הפיצוי ודוחס מעט את קפיץ בקר המהירות. מהירות המנוע יורדת עקב הקטנת כמות הדלק המוזרקת, והיא תתייצב כאשר הכוח הצנטריפוגלי של המשקולות ישווה לכוח קפיץ בקר המהירות. ברם, המהירות החדשה עליה יתייצב הווסת תהיה גבוהה מעט מהמהירות הרצויה, בשל השינוי במתיחות קפיץ בקר המהירות. כאשר הקפיץ נדחס על ידי מנוף הפיצוי, נדחף גם שסתום הניתוב מטה וחוזר למצב מאוזן (פתח סגור).

תגובת הווסת להגדלת העומס על המנוע
כאשר מהירות המנוע יורדת עקב עליית עומס, נסגרות המשקולות, מורידות את שסתום הניתוב והוא מספק כמות נוספת של שמן אל בוכנת הכוח. קפיץ בוכנת הכוח דוחף את הבוכנה, ומוט קיצוב הדלק נע יחד אתה ומקטין את כמות הדלק המוזרקת. בו זמנית עולה מנוף הפיצוי ומרפה מעט את קפיץ בקר המהירות. מהירות המנוע עולה עקב הגדלת כמות הדלק המוזרקת, והיא תתייצב כאשר הכוח הצנטריפוגלי של המשקולות ישווה לכוח קפיץ בקר המהירות. ברם, המהירות החדשה עליה יתייצב הווסת תהיה נמוכה מעט מהמהירות הרצויה, בשל השינוי במתיחות קפיץ בקר המהירות. כאשר הקפיץ מרופה על ידי מנוף הפיצוי, מורם גם שסתום הניתוב וחוזר למצב מאוזן (פתח סגור).

[עריכה] וסת צנטריפוגלי-הידראולי איזוכרוני

הדרך היחידה בה מסוגל וסת צנטריפוגלי לשמור על מהירות קבועה באמת בעומסים שונים, היא להחזיר את קפיץ בקר המהירות למתיחותו הראשונית לאחר כל שינוי במהירות המנוע וללא תלות בתנועת מוט קיצוב הדלק. כאשר מתיחות קפיץ בקר המהירות נותרת ללא שינוי, הכוח הצנטריפוגלי של המשקולות הדרוש לאיזונו יתקבל רק במהירות מסוימת אחת. לפיכך, הווסת יוכל להתאים את כמות הדלק המוזרקת הדרושה לשמירת אותה מהירות בתנאי עומס שונים.
הדבר נעשה על ידי תוספת של בקר, הכולל בוכנת מקלט (receiving piston) ובוכנת משדר (transmitting piston). בוכנת המקלט מחוברת באמצעות מנוף צף לשסתום הניתוב ולמנגנון בקר המהירות, ואילו בוכנת המשדר מחוברת באמצעות מנוף לבוכנת הכוח.

נניח כי העומס על המנוע עולה. כתוצאה מכך נסגרות משקולות בקר המהירות, שסתום הניתוב פותח מעבר שמן אל בוכנת הכוח, היא מגדילה את כמות הדלק המוזרקת ובו זמנית לוחצת על בוכנת המשדר. בוכנת המקלט מתרוממת כנגד לחץ קפיץ המרכוז ומחזירה את שסתום הניתוב למצב סגור. שמן מצילינדר בוכנות המקלט והמשדר מתנקז בצורה מבוקרת דרך נחיר הצערה אל מכל השמן, והדבר מאפשר לקפיץ המרכוז להחזיר את בוכנת המקלט ואת המנוף הצף למצב מאוזן. התנועה חזרה של המנוף הצף מחזירה את קפיץ בקר המהירות למתיחותו הראשונית, היינו למהירות שהייתה לפני השינוי בעומס. תנועת בוכנת המקלט מטה אינה גורמת להזזת שסתום הניתוב, משום שלחץ השמן פועל על השטחים השווים של הטובלן העליון והתחתון.