הסבר בסיסי על סוגי מנועים - ירון כוכבי

[אלון חלווה]

ותודה ל ירון כוכבי שהכין את המסמך ואישר לי לפרסמו.

מדובר בחומר בסיסי שלחלקכם ככל הנראה מוכר - לאחרים הוא ייתן עוד קצת רקע.

אלון

 

 

‏2007

 

ירון כוכבי

"לרכב" – מהנדסי רכב בע"מ

‏09/12/2007

 

 

מנועי מכוניות – סקירה כללית

 

 

 

 

 

 

תוכן

 

מבוא. 3

מנוע בעירה פנימית. 3

מנוע אוטו3

מנוע אוטו – יתרונות וחסרונות. 4

מנוע דיזל. 4

מנוע דיזל – יתרונות וחסרונות. 4

מנוע ונקל. 5

מנוע ונקל – יתרונות וחסרונות. 5

מנוע חשמלי5

מנוע חשמלי מונע על-ידי מצבר. 6

יתרונות וחסרונות המנוע החשמלי המונע על-ידי מצבר. 6

מנוע תא דלק. 6

 

 

 

 

מנועי מכוניות

 

מבוא

 

 

במסמך זה נסקור את סוגי המנועים השונים המשמשים לשם הנעת מכוניות.

מנוע הנו התקן הממיר אנרגיה לעבודה מכאנית. מנוע המשתמש בדלק לשם ייצור אנרגיה קינטית נקרא מניע ראשוני; מנוע המשתמש בצורה מוכנה מראש של אנרגיה (חשמל, אוויר דחוס, זרם מים וכו') נקרא מוטור.

במכונית מותקנים מנועים שונים; כך, למשל, המתנע הנו מנוע חשמלי, וכך גם מנוע המגבים. מאמר זה יתרכז, מכל מקום, במנוע הראשי, המשמש להנעת המכונית בלבד.

שני סוגי מנועים עיקריים משמשים כיום להנעת מכוניות. הנפוץ מביניהם הנו מנוע בעירה פנימית. מנוע חשמלי מתחיל לתפוש נתח עולה בהנעת מכוניות. כן מצויות מכוניות המצוידות במנוע היברידי – שילוב של מנוע בעירה פנימית עם מנוע חשמלי.

מנוע בעירה פנימית

 

 

מנוע בעירה פנימית הנו מנוע המפיק אנרגיה על-ידי תהליך בעירה של דלק ושל מחמצן (בדרך-כלל חמצן) בתוך חלל מוגבל, הקרוי תא הבעירה. תהליך הבעירה יוצר גזים בטמפרטורה ובלחץ גבוהים. תהליך ההתפשטות של הגזים משמש להנעת המנוע.

ישנם סוגים רבים של מנועי בעירה פנימית: טורבינת גז, מנועי בורק, מנועי אוטו, מנועי דיזל, מנועי ואנקל ועוד; מכל מקום, רק שלושת הסוגים האחרונים נמצאים בשימוש רחב לצורך הנעת מכוניות.

מנוע אוטו

 

 

מנוע אוטו, הקרוי גם מנוע בנזין, נקרא על-שם ממציאו, ניקולס אוגוסט אוטו (Nikolaus August Otto), שפיתח מנוע עובד ראשון בשנת 1876.

מנוע אוטו מפיק תנועה על-ידי בוכנה, הנעה מעלה ומטה בתוך גליל. בסעיף זה נתאר את דרך הפעולה של מנוע אוטו בן ארבעה מהלכים.

מנוע אוטו בן ארבעה מהלכים (להלן: מנוע אוטו) מורכב מכמה גלילים (במכוניות, לרוב ארבעה עד שנים-עשר), שבתוכם נעות בוכנות. בראש כל גליל יש שסתומים (לרוב בין שניים לחמישה שסתומים) המיועדים ליניקה או לפליטה. כן ישנו מצת, המחולל ניצוץ חשמלי בתוך תא הבעירה.

במהלך הראשון, נפתח שסתום היניקה, הבוכנה יורדת, ותערובת של אוויר ודלק (לרוב בנזין) נשאבת לחלל הבוכנה. שלב זה קרוי שלב היניקה.

במהלך השני, שני השסתומים סגורים, הבוכנה עולה, והתערובת נדחסת. שלב זה קרוי שלב הדחיסה.

במהלך השלישי, שני השסתומים סגורים, וניצוץ (המופק על-ידי ניצוץ חשמלי) מצית את התערובת. הגזים המתפשטים במהירות דוחפים את הבוכנה למטה. שלב זה קרוי שלב העבודה, והוא השלב היחיד בו המנוע מבצע עבודה יעילה של המרת האנרגיה האצורה בדלק לאנרגיה קינטית ולתנועה.

במהלך הרביעי, שסתום הפליטה נפתח, הבוכנה עולה, והגזים נפלטים דרך צינור המפלט.

 

 

מנוע אוטו – יתרונות וחסרונות

 

 

יתרונותיו של מנוע אוטו הנם:

· פעולה מעודנת וחלקה.

· הספק גבוה (הספק נמדד בכוחות סוס).

· טווח סל"ד נרחב (יחסית למנוע בעירה פנימית).

חסרונות מנוע אוטו הנם:

· מפיק מעט כוח, ביחס למנועי טורבו-דיזל מודרניים (כוח נמדד בקג"מ).

· טווח סל"ד יעיל מצומצם (לרוב בתחום העליון של פעולתו).

· יעילות נמוכה (כ – 7% בלבד מהאנרגיה האצורה בדלק מומרת לתנועה).

· צורך הרבה דלק.

מנוע דיזל

 

 

[רודולף דיזל פיתח מנועי דיזל המונעים בדלק מבוסס שמן צמחי ("ביו דיזל"). לאחר מותו, התמקדו המאמצים בפיתוח מנוע דיזל מונע בדלק על בסיס נפט (סולר). רק כיום, כ – 90 שנה לאחר מותו, מתחדשים המאמצים לפיתוח מנוע דיזל המונע בדלק אורגאני.]

 

מנוע דיזל, נקרא על-שם ממציאו, רודולף דיזל (Rudolf Diesel), שפיתח מנוע עובד ראשון בשנת 1893.

מנוע דיזל מפיק תנועה על-ידי בוכנה, הנעה מעלה ומטה בתוך גליל. בסעיף זה נתאר את דרך הפעולה של מנוע דיזל בן ארבעה מהלכים.

מנוע דיזל בן ארבעה מהלכים (להלן: מנוע דיזל) מורכב מכמה גלילים (במכוניות, לרוב ארבעה עד עשרה), שבתוכם נעות בוכנות. בראש כל גליל יש שסתומים (לרוב בין שניים לחמישה שסתומים) המיועדים ליניקה או לפליטה. כן כולל המנוע מזרקים, המזריקים דלק לתא הבעירה.

במהלך הראשון, נפתח שסתום היניקה, הבוכנה יורדת, ואוויר נקי (ללא דלק) נשאב לחלל הבוכנה. שלב זה קרוי שלב היניקה.

במהלך השני, שני השסתומים סגורים, הבוכנה עולה, והאוויר נדחס. שלב זה קרוי שלב הדחיסה. מנוע דיזל דוחס את האוויר לנפח קטן בהרבה מאשר מנוע אוטו דוחס את התערובת, ועל-ידי כך האוויר מתחמם לטמפרטורה גבוהה מאוד (בערך 600 מעלות צלסיוס).

במהלך השלישי, שני השסתומים סגורים, ודלק מוזרק לחלל הבעירה. בשל הטמפרטורה הגבוהה של האוויר הדחוס, הדלק מוצת באופן ספונטאני; הגזים המתפשטים במהירות דוחפים את הבוכנה למטה. שלב זה קרוי שלב העבודה, והוא השלב היחיד בו המנוע מבצע עבודה יעילה של המרת האנרגיה האצורה בדלק לאנרגיה קינטית ולתנועה.

במהלך הרביעי, שסתום הפליטה נפתח, הבוכנה עולה, והגזים נפלטים דרך צינור המפלט.

מרבית מנועי הדיזל המודרניים מכילים מגדש טורבו, הגודש כמות גדולה יותר של אוויר לגליל, ומאפשר יצירת הספק גבוה מנפח קטן יחסית.

מנוע דיזל – יתרונות וחסרונות

 

 

יתרונותיו של מנוע דיזל הנם:

· מפיק הרבה כוח ביחס לנפחו (כוח נמדד בקג"מ).

· יעיל כמעט לאורך כל טווח הסל"ד שלו.

· חסכוני בדלק.

· יעילות גבוהה (כ – 20% מהאנרגיה האצורה בדלק הופכת לתנועה).

חסרונות מנוע דיזל הנם:

· הספק נמוך (הספק נמדד בכוחות סוס).

· טווח סל"ד מצומצם.

· תהליך התנעה ארוך.

· פעולה לא מעודנת – רעש ורעידות.

מנוע ונקל

 

 

מנוע ונקל הנו הבן הצעיר (והנדיר) במשפחת מנועי הבעירה הפנימית. מנוע ונקל, הקרוי על-שם ממציאו, פליקס ונקל (Felix Wankel), שפיתח אותו בשנת 1951, פועל על עיקרון שונה לחלוטין ממנועי אוטו ודיזל: במקום בוכנה הנעה מעלה-מטה בגליל, מנוע ונקל מפיק תנועה מרוטור.

הרוטור מעוצב בצורה כללית של משולש, ונע בתוך מיכל הבנוי בצורה אליפטית. המבנה יוצר שלושה חלקים, המשמשים ליניקה, דחיסה ועבודה (בתוך חלל אחד) ופליטה. במנוע ונקל אין שסתומים.

מנוע ונקל – יתרונות וחסרונות

 

 

יתרונות מנוע ונקל הנם:

· מבנה פשוט, עם פחות חלקים נעים.

· אין צורך להמיר תנועה קווית בתנועה סיבובית, מה שתורם הן לפשטות המנוע, והן ליעילות העברת הכוח.

· מנוע קטן, בעל משקל נמוך.

· רגישות נמוכה להתחממות יתר (האליפסה העוטפת בנויה מאלומיניום והרוטור – ברזל; הואיל ואלומיניום מתפשט יותר מברזל, קטן הסיכון ל – "היתפסות" מנוע כתוצאה מחום-יתר.

· הספק גבוה.

· יציב מאוד עבור מערכות הזרקה ישירה.

חסרונות מנוע הונקל הנם:

· בשל זמן הבעירה הקצר, מנוע ונקל דורש מערכות הזרקת דלק מורכבות ויקרות.

· צורך דלק רב, ביחס לנפחו.

מנוע חשמלי

 

 

מנוע חשמלי הנו מנוע הממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכאנית.

המנוע מורכב משני חלקים:

1. סטרטור – מערכת סלילים המלופפת סביב ליבה, או שני מגנטים. הסטרטור מוצב כך שקוטב צפוני של מגנט אחד יוצב את מול הקוטב הדרומי של המגנט השני.

2. רוטור - ציר העובר בתוך הסטטור ועליו מלופפים שלושה סלילים. ציר זה חופשי להסתובב.

כאשר מעבירים זרם חשמלי ברוטור הוא מתמגנט. הקוטב החיובי שלו נדחה מהקוטב החיובי של הסטרטור ונמשך לקוטב השלילי, והרוטור (המחובר לציר ההינע) מבצע חצי סיבוב. לאחר מכן הופכים את הקוטביות (במנוע זרם חילופין), או שרכיב בתוך הרוטור הופך את הקוטביות (במנוע זרם ישר), והמנוע מבצע חצי סיבוב נוסף.

מנועים חשמליים במכוניות הנם, לרוב, מנועי זרם ישר. מקור הכוח הנו מצברים או תא דלק.

 

 

מנוע חשמלי מונע על-ידי מצבר

 

 

בסוג מנוע זה החשמל נוצר על-ידי סוללת מצברים.

יתרונות וחסרונות המנוע החשמלי המונע על-ידי מצבר

 

 

יתרונות המנוע החשמלי הנם רבים:

· המנוע מפיק את מלוא המומנט בכל סל"ד בו הוא עובד.

· ניתן לעצור את המנוע ולהפעילו ללא תהליך התנעה.

· המנוע יכול להסתובב בשני כיוונים.

· שלושת היתרונות הראשונים מובילים ליתרון של היעדר צורך בתמסורת.

· מנוע חשמלי מייצר אפס זיהום.

· יעילות גבוהה מאוד: כמעט 100% של האנרגיה החשמלית מומרת לאנרגיה של תנועה.

· המנוע קל וזול לתחזוקה.

חסרונות המנוע החשמלי המונע על-ידי מצבר נובעים כולם מהמצבר:

· המצברים כבדים וגדולים, מה שמעלה את משקל המכונית, ומצריך מנוע חשמלי חזק יותר, שדורש מצברים יותר כבדים וגדולים...

· קיבולת המצברים מוגבלת, מה שמוביל למהירות נסיעה נמוכה, טווח נסיעה קצר, או שניהם.

· טעינת המצברים אורכת זמן רב.

· תוחלת החיים של המצברים קצרה (לרוב שנתיים עד שלוש).

· המצברים יקרים.

מנוע תא דלק

 

 

תא הדלק מורכב מאנודה וקתודה, המופרדות בממברנה, המתירה מעבר פרוטונים (אך לא אלקטרונים); מתחת לממברנה יש קטליזטור (בנוי מפלטינה), המאיץ את הראקציה של אטומי המימן.

אטומי מימן נדחפים כנגד הקתודה, מקום בו הם מופרדים, על-ידי ריאקציה עם הקטליזטור, ליוני מימן שליליים (המועברים למעגל חשמלי המניע את מנוע המכונית) וליוני מימן חיוביים, הנותרים על הקתודה.

במקביל, מוזרמים יוני חמצן שליליים על האנודה; היונים מושכים את היונים החיוביים שנשארו על הקתודה, ובראקציה הכימית ביניהם נוצרים אטומי H2O (מים), הנפלטים החוצה (כך שהתוצר הסביבתי היחיד של מכונית מונעת תא דלק הוא מים)...

למכונית מונעת תא דלק יש יתרונות רבים, וחסרונות מעטים: הקושי לאחסן את המימן, ומספר "תחנות מימן" מועט... נכון להיום, מכוניות חשמליות מונעות תא דלק הן, כנראה, הפתרון התחבורתי של העתיד!

[אלון חלווה]

אופסס.... גם אני טועה.

עלה בפורום הלא נכון....

מנהלים - נא להעביר.

אלון

[אליה]

מה הקטע עם הפאקינג "קישורים"?

[Nakamichi]

ירון כוכבי זה לא ההוא עם האלמרה מפורום YNET של פעם?

[אליה]

כן, אבל זה לא הראשון באפריל..

[Dan-idin]

הרבה טעויות, מיושן ולא מעודכן, במיוחד הקטע עם ההסבר על הדיזל.. הנעה ארוכה? הספק נמוך? רעש ורעידות? זה היה פני הרבה שנים ולא במנועי דיזל המודרניים של היום, את תאי הדלק זנחו יצרני הרכב מזמן ומנועי ונקל כמעט לא רואים ומכירים.