וסת צנטריפוגלי
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.
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, בובה מכנית, 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.
וסתים צנטריפוגליים במנועי דיזל
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. 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.
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 הלכה למעשה 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.
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.
