מדריך מקיף מה זה מנוע דיזל (סולר)+ הסבר על מנועי טורבו

אביעד

ברוכים הבאים לכולם… וכמו שכבר ודאי שמתם לב- היום אנחנו נצלול לחלק הבא (וכנראה לא האחרון…) והוא… מנועי דיזל!!
רגע, זה לא אותו הדבר???
אז גם אני חשבתי פעם ככה, וכיום אני יודע בוודאות שלא!!
מסקרן אותכם?
קריאה מהנה!

למי שלא יודע במה מדובר- בלי דיבורים… פשוט תראה כאן

מבוא- ועיקרון הפעולה של מנוע דיזל (בקצרה)

מנוע דיזל הוא מנוע בעירה פנימית הפועל על עיקרון שונה ממנוע בנזין, למרות הדמיון החיצוני במבנה הכללי (בוכנות, צילינדרים, גל ארכובה וכו’). ההבדל המרכזי אינו בצורת החלקים אלא בצורה שבה מתרחשת ההצתה של הדלק ויצירת האנרגיה.

ההבדלים ממנוע בנזין

מנוע בנזין-
מנוע דיזל-

אין מצת (פלאג)

במנוע בנזין: כמו שכבר אנחנו יודעים-תערובת של אוויר ודלק נדחסת בצילינדר, והמצת יוצר ניצוץ חשמלי שמדליק את התערובת.
במנוע דיזל: אין כלל מצת. אין רכיב שיוצר ניצוץ לצורך הצתה. המשמעות היא שכל תהליך הבעירה חייב להתרחש באופן אחר, ללא תלות במקור הצתה חיצוני, ודבר זה נוצר רק על ידי הדחיסה וכמו שיפורט מיד.

הצתה מדחיסה בלבד

העיקרון שעליו מבוסס מנוע דיזל הוא הצתה עצמית הנגרמת כתוצאה מדחיסה.
התהליך מתרחש כך:

בשלב היניקה נכנס לצילינדר אוויר בלבד, ללא דלק.
הבוכנה עולה ודוחסת את האוויר לנפח קטן מאוד.
כתוצאה מהדחיסה, הטמפרטורה של האוויר עולה בצורה חדה מאוד (מאות מעלות צלזיוס).
ברגע השיא מוזרק דלק לתוך האוויר הלוהט.
הדלק נדלק באופן מיידי מעצמו, ללא צורך בניצוץ.

כלומר, מקור ההצתה אינו חשמלי אלא תרמי - החום שנוצר מהדחיסה הוא זה שמפעיל את הבעירה.
זהו ההבדל (בשיטת העבודה) בין מנוע דיזל למנוע בנזין.

מדוע משתמשים במנועי דיזל

כמובן שכאן תגיע השאלה, למה צריך את זה? מה היה חסר במנוע בנזין שהכניסו גם מנוע נוסף??
אז יש לזה כמה תשובות:

כוח ומומנט

למי שלא יודע מה זה מומנט-אני יסביר בצורה פשוטה- יש שתי דברים מומנט וכח סוס ויש הבדל גדול ביניהם:
כח סוס: זהתכלס’ המהירות והסל’'ד שהמנוע מסוגל להגיע ולשמור עלהיציבות שלו.
מומנט: זה הכח (הפוש) של ההתחלה.
בשביל הדוגמא- בשביל לפתוח בורג צריך גם את הכח של ההתחלה (כשהוא תפוס חזק) וגם מהירות סיבוב- הכח זה המומנט והמהירות זה הכח סוס)
יאללה נחזור לענייננו:
מנוע דיזל מתאפיין ביכולת לייצר מומנט גבוה כבר בסל”ד נמוך. הסיבה לכך נעוצה בכמה גורמים:

יחס דחיסה גבוה יותר
מהלך בוכנה ארוך יותר במקרים רבים
אופי הבעירה והלחצים הגבוהים בתא השריפה

התוצאה היא כוח “זמין” יותר, במיוחד במצבים של עומס (נסיעה בעליות, גרירת משקל גבוה יותר\כלי רכב כבדים)
לכן מנועי דיזל נפוצים מאוד במשאיות, אוטובוסים ורכבי עבודה.

חיסכון בדלק (יעילות תרמית)

מנוע דיזל נחשב ליעיל יותר ממנוע בנזין מבחינה תרמית, כלומר הוא מצליח להמיר אחוז גבוה יותר מהאנרגיה שבדלק לאנרגיה מכנית.
הסיבות לכך:

יחס דחיסה גבוה יותר
אובדן אנרגיה קטן יותר בתהליך הבעירה
עבודה עם תערובת “ענייה” יותר (יותר אוויר ביחס לדלק)

התוצאה היא צריכת דלק נמוכה יותר עבור אותה עבודה מכנית, במיוחד בנסיעות ארוכות או תחת עומס קבוע.

אמינות ועמידות

מנועי דיזל מתוכננים לעמוד בלחצים ובטמפרטורות גבוהים מאוד, ולכן:

בלוק המנוע חזק וכבד יותר
הבוכנות, הטלטלים וגל הארכובה מסיביים יותר
מערכת הקירור והשימון מתוכננות לעומסים גבוהים

ולכן מנועי דיזל ידועים באורך חיים גבוה (כמובן כאשר הם מתוחזקים כראוי). עם זאת, יש לציין כי מערכות ההזרקה המודרניות הן מורכבות ורגישות, ולכן אמינות המערכת הכוללת תלויה גם בתחזוקה נכונה ואיכות הדלק.

הסבר חלקי המנוע

כמו במדריך הקודם גם כאן אני יסכם את חלקי המנוע- רק שלא נביא תמונות שחוזרות על עצמם אלא תמונות של החלקים החדשים…

1. המבנה הקבוע

בלוק מנוע (חזק יותר מבנזין – עמיד בלחצים גבוהים)
ראש מנוע
אטם ראש (חשיבות קריטית יותר בדיזל)
קרטר (אגן השמן)

2. החלקים הנעים

בוכנות (עבות וכבדות יותר)
טלטל
גל ארכובה
גלגל תנופה (בדיזל לרוב גדול יותר)

3. מערכת היניקה והדחיסה

שסתומי יניקה/פליטה
גל זיזים
מגדש טורבו (Turbocharger)

לא הכנסתי את זה במדריך הקודם (לא יודע למה) אז לפחות כאן…
זה מה שכולנו יודעים- מנוע טורבו, מה שאומר שזה כולל גם כן את המגדש שנותן תוספת כח ע"י הכנסת אויר נוספת לתוך הצילינדרים
אינטרקולר

זה אומנם לא חלק מהמנוע -אבל חשוב מאוד, זה רכיב שתפקידו לצנן את האויר הדחוס (אויר דחוס-אויר חם) כדי ליצור יותר מומנט (אני הבנתי בגלל שככל שהאויר יותר קר-יש בו יותר חמצן ככה שזה נותן בעירה יותר טובה- לא יודע אם זה מדוייק )

4. מערכת הדלק

משאבת הזרקה (High Pressure Pump)

~~את המהלך שלה נראה בפירוט בהמשך המדריך~~, [לא היה לי כח להרחיב בחלק הזה בעז"ה בהזדמנות] כאן נסקור את התפקידים שלה בצורה כללית:
יצירת לחץ גבוה: כדי שהדלק יגיע למצב שהוא שמתלקח בקלות, המשאבה דוחסת אותו ללחצים גבוהים מאוד (במערכות מודרניות מדובר על מעל 2,000 בר).
מדידת כמות (Metering): המשאבה קובעת בדיוק כמה דלק ייכנס לצילינדר בכל פעימה. אם תלחץ על הגז, המשאבה תגדיל את המנה, אם תעזוב-היא תצמצם אותה.
תזמון (Timing): במנוע דיזל אין פלאגים. הדלק חייב להיכנס בדיוק ברגע שהבוכנה נמצאת בשיא הגובה שלה והאוויר חם מספיק כדי להצית אותו. טעות של מילי-שנייה בתזמון תגרום למנוע לקרטע או לא להניע בכלל.
מסילת דלק (Common Rail)

מעין מאגר זמני של הדלק לפני שהוא נכנס לפעוה, התפקיד שלה הוא להבטיח שכל המזרקים יקבלו דלק בלחץ שווה ומדויק בכל רגע, מה שמאפשר למנוע לעבוד בצורה שקטה חסכונית וחזקה יותר.
מזרקים

התפקיד שלו הוא להפוך את הסולר הנוזלי לענן רסיסים (Atomization) דק מאוד, ברמה שהוא יתלקח תוך מילי-שניות מהחום בלבד (כמו שאמרנו-ללא פלאגים).
מסנן דלק

כפשוטו, נמצא בתוך המנוע ושומר שלא יכנס לכלוך (במנועי בנזין הוא נמצא בתא הדלק ולכן לא נכנס למדריך)

5. מערכות עזר

משאבת שמן
משאבת מים
פלאג חימום (Glow Plugs)

במקרה שהמנוע קר (כמו ביום גשום וקר) יתכן מצב שבו החום לא יהיה מספיק בשביל להצית את הסולר - ולכן יש את הפלאג הזה שנותן חום כדי שההנעה תהיה בקלות.

עיקרון הפעולה

אני לא הולך להרחיב כאן
כי למעשה בין במנוע דיזל ובין במנוע בנזין עיקרון הםעולה הוא אותו דבר- להפוך את האנרגיה הכימית לאנרגיה פיזית.- בדיוק כמו במנוע בנזין, ורק ב4 הפעימות נעשות בצורה שונה וכמו שיתבאר מיד.

מחזור ארבע פעימות בדיזל

פעימה 1 - יניקה

1. כניסת האוויר (החלק הכחול משמאל)

סעפת היניקה: הצינור שדרכו מגיע אוויר נקי מהמסנן (פילטר).
שסתום יניקה פתוח: שים לב שהשסתום השמאלי ירד למטה. זה מאפשר לאוויר לזרום פנימה לתוך הצילינדר. בניגוד למנוע בנזין, במנוע דיזל נכנס רק אוויר בשלב זה, ללא דלק.

2. תנועת הבוכנה והטלטל.

הבוכנה (Piston): נעה כלפי מטה (מסומן בחץ האפור). התנועה הזו פועלת כמו מזרק ששואב נוזל - היא יוצרת תת-לחץ (ואקום) ש"יונק" את האוויר פנימה.
נקודה מתה תחתונה (נמ"ת): זהו הקו המקווקו שמסמן את הגבול הכי נמוך שאליו הבוכנה יכולה להגיע.
טלטל (Connecting Rod): המחבר בין הבוכנה לגל הארכובה. הוא זה שמתרגם את התנועה הקווית של הבוכנה לתנועה הסיבובית של המנוע.

3. אטימת המערכת

שסתום פליטה סגור: השסתום הימני נשאר סגור הרמטית. זה קריטי כדי שהמנוע ישאב אוויר טרי בלבד ולא ימשוך בחזרה גזים שרופים מהאגזוז.

פעימה 2 - דחיסה

1. איטום מוחלט של הבוכנה

שני השסתומים סגורים: שים לב שגם שסתום היניקה (משמאל) וגם שסתום הפליטה (מימין) סגורים הרמטית. זה הכרחי כדי לבנות את הלחץ העצום הנדרש.

2. עליית הבוכנה

הבוכנה (Piston) עולה למעלה: גל הארכובה ממשיך להסתובב ודוחף את הבוכנה כלפי מעלה (מסומן בחץ האפור).
דחיסת האוויר: האוויר שנכנס בפעימה הראשונה נדחס לתוך חלל קטן מאוד (תא הבעירה). במנועי דיזל, יחס הדחיסה הוא גבוה מאוד (פי 14 עד 23 מהנפח המקורי).

3. יצירת חום קיצוני

חוקי הפיזיקה בפעולה: כשדוחסים גז (אוויר) במהירות ובעוצמה כזו, המולקולות שלו מתנגשות זו בזו בחוזקה והטמפרטורה שלו מזנקת. האוויר בראש הצילינדר מגיע לטמפרטורה של 700 עד 900 מעלות (!)

4. נקודה מתה עליונה (TDC / נמ"ע)

הבוכנה מתקרבת לקו המקוקו העליון שנקרא נמ"ע (Top Dead Center). זהו שיא הלחץ. ברגע זה, המנוע מוכן להזרקת הדלק.

פעימה 3 - עבודה (בעירה)

1. הזרקת הדלק וההתלקחות

מזרק הדלק (Injector): במרכז למעלה, המזרק (שראינו בתמונות הקודמות) מרסס ענן דק של סולר ישירות לתוך האוויר הלוהט.
הצתה עצמית: בגלל שהאוויר נדחס כל כך חזק בפעימה הקודמת, הסולר לא צריך ניצוץ. הוא פשוט מתלקח ברגע שהוא נוגע באוויר.

2. יצירת הכוח

לחץ הגזים: הפיצוץ יוצר התפשטות מהירה מאוד של גזים לוהטים. הגזים האלו מחפשים לאן לצאת, והמקום היחיד שזז הוא ראש הבוכנה.
תנועת הבוכנה: הלחץ האדיר דוחף את הבוכנה כלפי מטה בעוצמה רבה (מסומן בחץ האפור למטה). הכוח הזה מועבר דרך הטלטל לגל הארכובה, וזה מה שמסובב בסופו של דבר את גלגלי הרכב.

פעימה 4 - פליטה

וכן… פשוט מאוד, כמו שאנחנו כבר יודעים ממנוע הבנזין- אותו תהליך בדיוק ששסתום הפליטה נפתח והגזים יוצאים (דרך האגזוז).

טורבו בדיזל

וכן… הגענו לחלק האחרון שבו בעז"ה נפרט על הטורבו!
נתחיל בתרשים של הגבינה המשובחת:

שלב 1: ניצול גזי הפליטה (הצד האדום)

ברגע שהמנוע מסיים את “פעימת הפליטה” (הפעימה הרביעית שלמדנו), גזי הפליטה הלוהטים נפלטים החוצה בלחץ גבוה. במקום שילכו ישר לאגזוז, הם מופנים אל הטורבו ונכנסים לטורבינה.

שלב 2: סיבוב הטורבינה

גזי הפליטה פוגעים בלהבי הטורבינה (הגלגל השמאלי בתרשים). בגלל המהירות והלחץ שלהם, הם מסובבים את הגלגל הזה במהירות אדירה שיכולה להגיע למעל 150,000 סל"ד (הרבה יותר מהיר מהמנוע עצמו!).

שלב 3: העברת הכוח דרך הציר

גלגל הטורבינה מחובר למוט מתכת מרכזי שנקרא ציר (Shaft). ברגע שהטורבינה מסתובבת, היא מסובבת איתה את הציר, שבתורו מסובב את הגלגל בצד השני.

שלב 4: דחיסת אוויר נקי (הצד הכחול)

בצד השני של הציר נמצא המדחס (Compressor). המדחס שואב אוויר נקי וקריר מבחוץ (דרך פילטר האוויר). בגלל שהוא מסתובב במהירות עצומה, הוא “דוחס” את האוויר ומעלה את הצפיפות שלו.

שלב 5: הזרקת אוויר דחוס למנוע

האוויר הדחוס (והעשיר בחמצן) יוצא מהמדחס ומוזרם לתוך סעפת היניקה של המנוע. (כמובן שהוא עובר דרך האינקולטר שתפקידו לצנן את האויר הדחוס הזה (שכמו שראינו כבר במדריך- אויר דחוס גורם להתממות גדולה) ומשמה למנוע)
מה שזה גורם זה לעוצמה יותר גבוה של הבעירה- וזה בגלל שיש עכשיו הרבה יותר חמצן בתוך הצילינדר, אז המחשב של הרכב יכול להזריק הרבה יותר דלק, וכך נוצר פיצוץ חזק יותר בפעימת העבודה.

שלב 6: יציאה לאגזוז

אחרי שגזי הפליטה סיימו לסובב את הטורבינה, הם יוצאים מבית הטורבינה וממשיכים בדרכם למערכת הפליטה (אגזוז) ומשם החוצה.

סיכום

זה היה יותר קצר ממה שחשבתי
אבל מעניין לא פחות!. אני מקווה שנהניתם, ובעז"ה שיהיה לכולנו זמן קיץ בריא ומוצלח