מנוע דיזל

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

מנוע דיזל הוא מנוע בעירה פנימית בוכנאי, שבו הדלק נשרף כתוצאה ממגעו באוויר הדחוס והחם הנמצא בצילינדר ולא על ידי החום שמפיק ניצוץ חשמלי כמו במנוע בנזין. המנוע הומצא בשנת 1897 על ידי המהנדס הגרמני רוּדוֹלף דיזל (1858-1913) ונקרא על שמו.

תוכן עניינים

[עריכה] עיקרון פעולה

במנוע דיזל הבוכנה שואבת לתוך הצילינדר אוויר נקי, ואחר כך דוחסת אותו ללחץ גבוה. כתוצאה מהדחיסה עולה טמפרטורת האוויר, ובסוף הדחיסה מוזרקות לתוך האוויר הדחוס והחם טיפות זעירות של סולר. הדלק מתלקח כתוצאה מן המגע באוויר הלוהט, והגזים הנוצרים בשריפה מתפשטים ודוחפים את הבוכנה. מנגנון ארכובה מתרגם את התנועה הקווית של הבוכנה לתנועה סיבובית של הצרכן המחובר לקצה גל הארכובה (גלגלי מכונית, גנרטור חשמלי, משאבה, מדחף של אנייה וכו'). משום שהדלק מוצת על ידי חום האוויר הדחוס, המנוע נקרא גם "מנוע הצתה בדחיסה". מנועי דיזל קטנים ומהירים שורפים סולר, בעוד שמנועי דיזל גדולים ואיטיים יותר שורפים דלקים כבדים ודלקים שאריתיים.

במנוע בנזין, לעומת זאת, הבוכנה שואבת לתוך הצילינדר תערובת של אוויר וטיפות זעירות של בנזין, והתערובת מוצתת ומתלקחת כתוצאה מהחום שמפיק ניצוץ חשמלי שמיוצר על ידי מצת חשמלי.

[עריכה] סוגי מנועי דיזל

מנועי דיזל, בדומה למנועי בנזין, נחלקים לשני סוגים בהתאם למחזור הפעולה: מנוע דיזל דו-פעימתי ומנוע דיזל ארבע-פעימתי. במנוע ארבע פעימתי נשלם מחזור פעולה אחד בארבע פעימות (מהלכים) של הבוכנה (עלייה-ירידה-עלייה-ירידה), בעוד שבמנוע דיזל דו-פעימתי המחזור מסתיים אחרי 2 מהלכים בלבד (עלייה וירידה של הבוכנה).

[עריכה] מנוע דיזל ארבע פעימות

[עריכה] חלקי המנוע העיקריים

חלקי מנוע דיזל עקרוני
הגדל
חלקי מנוע דיזל עקרוני

חלקיו היסודיים של מנוע דיזל ארבע-פעימות הם צילינדר ובוכנה. הצילינדר הוא שרוול יציקת ברזל, הסגור מלמעלה על ידי מכסה הנקרא ראש הצילינדר.

הבוכנה מושחלת לתוך שרוול הצילינדר ונעה בתוכו בתנועה קווית. סביב הבוכנה מורכבות טבעות יציקת ברזל, האוטמות מעבר גזי שריפה ואוויר דרך המרווח בינה לבין השרוול.
בראש הצילינדר שני שסתומים, הנפתחים ונסגרים על ידי מנגנון מכני. דרך שסתום אחר נשאב אוויר נקי לתוך הצילינדר, ודרך השסתום השני נפלטים גזי הפליטה חזרה לאטמוספירה.
בראש הצילינדר מותקן גם מרסס דלק, המזריק טיפות זעירות של דלק (סולר) בלחץ גבוה לתוך האוויר בצילינדר.
גל הארכובה והטלטל הופכים את התנועה הקווית של הבוכנה לתנועה סיבובית של המדחף. הטלטל חובק בקצהו התחתון את פין הארכובה ובקצהו העליון את פין הבוכנה. כאשר גזי השריפה דוחפים את הבוכנה מטה, הופך הטלטל את תנועתה הקווית לתנועה סיבובית של גל הארכובה. כאשר מסובבים את גל הארכובה על ידי כוח חיצוני (מתנע חשמלי או מנואלה), הופכת התנועה הסיבובית של גל הארכובה לתנועה קווית של הבוכנה.

[עריכה] עיקרון הפעולה

תוך כדי עבודת מנוע דיזל מתרחשות בכל אחד מהצילינדרים מספר פעולות בסדר קבוע. מחזור פעולות אלו כולל:

1. הכנסת אוויר נקי לצילינדר;
2. דחיסת האוויר והעלאת הטמפרטורה שלו;
3. הזרקת דלק לתוך האוויר הדחוס והחם, שריפה והתפשטות גזי השריפה;
4. הרחקת גזי השריפה מן הצילינדר.

כאמור, במנוע 4 פעימות נשלמות כל הפעולות הנ"ל ב-4 מהלכים של הבוכנה (ירידה-עלייה-ירידה-עלייה), שהם שני סיבובים של גל הארכובה.

מחזור דיזל ארבע פעימות
מחזור דיזל ארבע פעימות

יניקה
נניח, שהבוכנה נמצאת בקצה העליון של מהלכה ושסתום היניקה פתוח. תנועת הבוכנה מטה גורמת להגדלת הנפח מעליה, ליצירת תת-לחץ ולשאיבת אוויר מהאטמוספירה לתוך הצילינדר דרך שסתום היניקה.

דחיסה

לאחר שהבוכנה הגיעה לקצה מהלכה מטה והיא מתחילה לעלות שוב, נסגר שסתום היניקה, האוויר בצילינדר נדחס, לחצו עולה לכמה עשרות bar והטמפרטורה שלו עולה לכמה מאות מעלות צלזיוס.

הזרקה, שריפה ועבודה

לקראת סוף המהלך מעלה מזריק מרסס הדלק טיפות דלק זעירות (סולר) לתוך האוויר הדחוס והחם הכלוא בחלל הדחיסה. הדלק קולט חום מן האוויר הלוהט, מתאדה ומתלקח.
תוצר השריפה הם גזי שריפה בעלי טמפרטורה גבוהה מאוד, המגיעה בשיאה ל-1600 מעלות צלזיוס. משום שהשריפה נעשתה בחלל סגור, לחץ הגזים גבוה ביותר (עד 220 bar במנועים החדישים ביותר), הרבה מעל הלחץ בסוף תהליך הדחיסה. בשל לחצם הגבוה שואפים גזי השריפה להתפשט בחלל הצילינדר, ולכן הם דוחפים את הבוכנה מטה ומבצעים עבודה, ועל ידי כך גורמים לסיבוב גל הארכובה וגל המדחף המחובר אליו.
תוך כדי ירידת הבוכנה והתפשטות גזי השריפה הולכים וקטנים הלחץ והטמפרטורה שלהם. הסיבות לכך הן שתיים: ראשית, גזי השריפה מוסרים חלק מן האנרגיה שלהם לבוכנה, הבאה לידי ביטוי בדחיפת הבוכנה; שנית, בזמן ירידת הבוכנה הולך וגדל נפח הצילינדר, ולכן לחץ גזי השריפה והטמפ' שלהם הולכים ופוחתים.

פליטה
קצת לפני כשמגיעה הבוכנה לקצה התחתון של מהלכה, שסתום הפליטה נפתח. גזי השריפה נפלטים בכוחות עצמם אל האטמוספירה, עד שלחצם משתווה עם הלחץ האטמוספרי. במצב זה הצילינדר עדיין מלא בגזי שריפה בלחץ אטמוספרי, שיש להרחיקם. הבוכנה עולה שוב, ודוחקת החוצה מן הצילינדר את גזי השריפה שאין בהם יותר שימוש. כשתגיע הבוכנה לקראת הקצה העליון של המהלך, ייסגר שסתום הפליטה וייפתח שסתום היניקה, הבוכנה תשאב פעם נוספת אוויר נקי ויתחיל מחזור חדש.


כיצד המנוע מתחיל לפעול?
כדי להתניע מנוע יש לסובב את גל הארכובה שלו באמצעי חיצוני (מנואלה, מתנע חשמלי, חבל התנעה). כתוצאה מכך הבוכנה תנוע בצילינדר, תשאב אוויר, תדחס אותו, יתבצעו הזרקה ועבודה והמנוע יתחיל לעבוד בעצמו. במצב זה מפסיקים לסובב אותו.

[עריכה] מנוע דיזל דו-פעימתי

[עריכה] ההבדלים בינו לבין מנוע ארבע פעימות

  • במנוע דו-פעימתי נמשך המחזור שני מהלכים בלבד של הבוכנה (עלייה-ירידה), שהם סיבוב אחד של גל הארכובה.
  • במנוע מסוג זה הבוכנה אינה שואבת את האוויר דרך שסתום היניקה כמו במנוע ארבע-פעימתי; במקום זאת, האוויר מוכנס לצילינדר בלחץ נמוך (1.1-1.5 bar) דרך פתחים בחלקו התחתון, הנקראים פתחי שטיפה.
  • את האוויר מספק מפוח (משאבת אוויר ללחץ נמוך), המונע על ידי גל הארכובה דרך תמסורת גלגלי שיניים. המפוח פועל כל זמן עבודת המנוע, והבוכנה היא שמגלה ומכסה את פתחי השטיפה תוך תנועתה מעלה-מטה, ועל ידי כך מאפשרת את כניסת האוויר הטרי לצילינדר או חוסמת את כניסתו.
  • בניגוד למנועים ארבע-פעימתיים, בהם הבוכנה היא אשר דוחקת את הגזים מן הצילינדר בסוף העבודה, הרי במנועים דו-פעימתיים אוויר השטיפה שוטף את הצילינדר מגזים וממלא את הצילינדר מחדש לצורך השריפה הבאה. משום כך מספק המפוח את האוויר בלחץ הגבוה מלחץ גזי השריפה בסוף העבודה. מנוע דו-פעימתי אינו יכול לפעול ללא מפוח.
מנוע דיזל דו-פעימי עם פתחי שטיפה ופליטה
הגדל
מנוע דיזל דו-פעימי עם פתחי שטיפה ופליטה

[עריכה] סוגי מנועים דו-פעימתיים

מבחינים בשני סוגי מנועים דו-פעימתיים בהתאם לאופן בו נפלטים גזי הפליטה מן הצילינדר:

  • מנועים בעלי פתחי שטיפה ושסתומי פליטה

במנועים אלה האוויר מוכנס לצילינדר דרך פתחי שטיפה בצילינדר, ואילו גזי הפליטה נפלטים דרך שסתומי פליטה בראש הצילינדר; השסתומים מופעלים על ידי נדנדים, כמו במנוע ארבע-פעימתי.

  • מנועים בעלי פתחי שטיפה ופתחי פליטה

המנועים מסוג זה אינם מצוידים כלל בשסתומים. במקום זאת מצויות בחלקו התחתון של שרוול הצילינדר שתי שורות פתחים, אחת מעל השניה. הפתחים העליונים הם פתחי פליטה, דרכם נפלטים גזי השריפה מן הצילינדר, והפתחים התחתיים הם פתחי שטיפה, דרכם מוכנס האוויר הטרי לצילינדר.

[עריכה] עיקרון פעולת מנוע עם פתחי שטיפה ושסתומי פליטה

הזרקה, שריפה ועבודה
נניח שהבוכנה נמצאת בסוף מהלך הדחיסה ומתקרבת לנקודה מתה עליונה. מרסס הדלק מזריק טיפות זעירות של דלק לתוך האוויר הדחוס והחם בצילינדר, הדלק מתלקח כתוצאה מן המגע באוויר הלוהט, וגזי השריפה בעלי הלחץ והטמפרטורה הגבוהים דוחפים מטה את הבוכנה ומבצעים עבודה. בזמן השריפה והעבודה הבוכנה מכסה את פתחי השטיפה ושסתומי הפליטה גם הם סגורים.

סוף עבודה ותחילת פליטה
כשמגיעה הבוכנה תוך כדי ירידתה קצת אחרי אמצע המהלך, מתחילים שסתומי הפליטה להיפתח. גזי השריפה נפלטים דרך השסתומים אל צינור הפליטה, ולחצם נופל אל מתחת ללחץ אוויר השטיפה. בשלב זה הבוכנה עדיין מכסה את פתחי השטיפה.

שטיפה
הבוכנה ממשיכה לרדת, וחושפת את פתחי השטיפה. אוויר בלחץ נמוך, המסופק על ידי המפוח, נכנס לתוך הצילינדר; מאחר שלחץ אוויר השטיפה גבוה כעת מלחץ גזי הפליטה, הוא דוחק את גזי הפליטה החוצה דרך שסתומי הפליטה ויוצא יחד אתם לאטמוספרה. פעולת השטיפה ומילוי הצילינדר באוויר טרי מסתיימת כשהבוכנה עוברת את נמ"ת ומכסה תוך כדי עלייתה את פתחי השטיפה. שסתומי הפליטה נותרים פתוחים במלואם כל זמן השטיפה ומילוי הצילינדר באוויר טרי.

סוף פליטה ודחיסה
מיד לאחר כיסוי פתחי השטיפה על ידי הבוכנה, נסגרים שסתומי הפליטה ומתחיל תהליך דחיסת האוויר. הבוכנה ממשיכה לעלות, הלחץ והטמפרטורה של האוויר הכלוא בצילינדר עולים, וכשתגיע הבוכנה קצת לפני נמ"ע, יוזרקו שוב טיפות דלק לתוך האוויר הדחוס והחם ויתחיל מחזור חדש. במהלך הדחיסה מכסה הבוכנה את פתחי השטיפה.

מחזור דיזל דו-פעימי עם פתחי שטיפה ושסתומי פליטה
מחזור דיזל דו-פעימי עם פתחי שטיפה ושסתומי פליטה

[עריכה] עיקרון פעולת מנוע עם פתחי שטיפה ופתחי פליטה

הזרקה ושריפה
הזרקת הדלק מתחילה כשהבוכנה נמצאת קצת לפני קצה המהלך מעלה ומסתיימת מעט אחריו. טיפות הדלק המרוססות לתוך האוויר הדחוס והחם קולטות חום, מתאדות ומתלקחות.

עבודה
גזי השריפה דוחפים את הבוכנה, גורמים לסיבוב גל הארכובה, ומבצעים על ידי כך עבודה מכנית. תוך כדי ירידת הבוכנה קטנים לחץ גזי השריפה והטמפרטורה שלהם.

תחילת פליטה
הפליטה מתחילה כאשר הבוכנה מגלה את פתחי הפליטה תוך כדי ירידתה. חלק גדול מן הגזים בצילינדר נפלט לצינור הפליטה, ולחץ הגזים בצילינדר נופל במהירות עד מתחת לחץ אוויר השטיפה.

תחילת שטיפה
הבוכנה מוסיפה לרדת ומגלה את פתחי השטיפה. אוויר בלחץ על-אטמוספרי, המסופק על ידי המפוח, נכנס דרך פתחי השטיפה לתוך הצילינדר, שוטף החוצה את שאריות גזי השריפה, וממלא מחדש את הצילינדר לצורך המחזור הבא.
למעשה, אוויר השטיפה מסופק ללא הפסקה על ידי המפוח, אך הוא אינו יכול להיכנס לצילינדר אלא כשפתחי השטיפה מתגלים. לחץ אוויר השטיפה חייב להיות גבוה מלחץ גזי השריפה לאחר תחילת הפליטה, אחרת לא יוכל להיכנס לצילינדר.

סוף שטיפה והמשך פליטה
הבוכנה עוברת את נמ"ת, ותוך כדי עלייתה סוגרת את פתחי השטיפה. מאחר שפתחי הפליטה עדיין גלויים, כמות מסוימת של אוויר טרי בורחת אל צינור הפליטה.

סוף פליטה ותחילת דחיסה
כאשר מכסה הבוכנה תוך כדי עלייתה את פתחי הפליטה, מתחיל תהליך הדחיסה. לחץ וטמפרטורת האוויר עולים, ובסוף תהליך הדחיסה תתבצע הזרקה ויתחיל מחזור חדש.

מחזור דיזל דו-פעימי עם פתחי שטיפה ופליטה
מחזור דיזל דו-פעימי עם פתחי שטיפה ופליטה

[עריכה] שימושים

בניגוד למנועי הבנזין הקטנים והקלים בדרך-כלל, רוב מנועי הדיזל הינם גדולים וכבדים משום שעליהם לעמוד בלחץ הדחיסה הגבוה, ולפיכך אין משתמשים בהם להפעלת מכונות קטנות. השימושים הנפוצים ביותר למנועי דיזל הם בתחנות הכוח, שבהן הם מפעילים גנרטורים ליצירת זרם חשמלי, ברכבות, באוניות, בצוללות, באוטובוסים, בטרקטורים ובכלי רכב כבדים אחרים.

בשנים האחרונות עולה הפופולריות של מכוניות פרטיות המונעות במנועי דיזל, בעיקר באירופה. הסיבות לכך הן האמינות והביצועים של המנועים המודרניים, והחיסכון הניכר בדלק לעומת מנועי הבנזין.

במדינת ישראל נקבעה אגרת רישוי גבוהה לרכב פרטי המונע במנוע דיזל. לכן מכוניות כאלו פופולריות בעיקר בקרב נהגים שנוסעים מרחקים ארוכים מדי שנה, ורכישת הרכב משתלמת להם בזכות החיסכון בקניית הדלק.