‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע )‪(1985-2009‬‬ ‫הנושא‪ :‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל‬ ‫שרטט דיאגרמה מעגלית למחזור פעולה במנוע דיזל ‪ 4‬פעימות )מחזור שלם(‪ ,‬ציין במקורב את‬ ‫זוויות פתיחת וסגירת השסתומים במחזור הפעולה‪ .‬הסבר את המושג "חפיפת שסתומים"‬ ‫במנוע מסוג זה‪] .‬קיץ ‪[2007‬‬ ‫תחילת הזרקה‬ ‫נמ"ע‬ ‫‪0‬‬ ‫‪40‬‬ ‫סוף פליטה‬ ‫‪100‬‬ ‫תחילת יניקה‬ ‫‪600‬‬ ‫תחילת דחיסה‬ ‫תחילת פליטה‬ ‫‪500‬‬ ‫‪400‬‬ ‫נמ"ת‬ ‫דיאגרמת תזמון של מנוע ארבע פעימי בינוני‬ ‫טיפוסי עם טעינת טורבו‬ ‫חפיפת שסתומים היא פרק הזמן במחזור ארבע‪-‬פעימות‪ ,‬שבו שסתום הפליטה ושסתום היניקה‬ ‫פתוחים בו זמנית; שסתום הפליטה הולך ונסגר ואילו שסתום היניקה הולך ונפתח‪.‬‬ ‫שסתומי היניקה והפליטה אינם מסוגלים להיפתח ולהיסגר בבת‪-‬אחת‪ ,‬וחולף זמן‪ ,‬אומנם קצר מאוד‪,‬‬ ‫בין תחילת הפתיחה של השסתום לבין הגעתו למצב פתוח לגמרי ולהפך‪ .‬מהירות הפתיחה והסגירה‬ ‫תלויה בצורת הפיקה ‪ -‬בעלת שיפוע מתון או תלול‪.‬‬ ‫על מנת לנצל את מלוא מהלך הבוכנה לפליטת גזי השריפה מן הצילינדר אחרי העבודה‪ ,‬חייב שסתום‬ ‫הפליטה להיות פתוח לגמרי הן בנמ"ת הן בנמ"ע‪ .‬לכן מתחילים לפתוח אותו לפני נמ"ת וסוגרים אותו‬ ‫אחרי נמ"ע‪ .‬אם שסתום הפליטה היה נסגר לגמרי בנמ"ע‪ ,‬היה צריך להתחיל לסגור אותו לפני כן‪,‬‬ ‫כשהבוכנה עדיין עולה‪ ,‬והמשמעות היא שגזי שריפה היו נשארים בצילינדר‪ ,‬תופסים את מקום האוויר‬ ‫הנקי והספק המנוע היה קטן‪.‬‬ ‫מצב דומה קורה עם שסתום היניקה‪ .‬כדי לנצל את מלוא מהלך הבוכנה להכנסת אוויר‪ ,‬השסתום צריך‬ ‫להיות פתוח לגמרי בנמ"ע ובנמ"ת‪ .‬השסתום מתחיל להיפתח לפני נמ"ע והוא נסגר אחרי נמ"ת‪.‬‬ ‫אלמלא כן‪ ,‬הבוכנה הייתה מספיקה להכניס לצילינדר כמות קטנה יותר של אוויר נקי‪ ,‬והספק המנוע‬ ‫היה קטן‪.‬‬ ‫משך החפיפה במנועים ללא טעינת טורבו הוא כ‪ 200-‬ובמנועי עם טעינת טורבו עד ‪ .1100‬במנועי‬ ‫טורבו לא מתבצעת למעשה יניקה )ואקום(‪ ,‬ומטען היתר מספק את האוויר בלחץ נמוך לצילינדרים‪.‬‬ ‫זווית החפיפה במנועים עם טעינת טורבו גדולה במיוחד משתי סיבות‪) :‬א( כדי להספיק להכניס משקל‬ ‫גדול של אוויר לצילינדרים ולפלוט משקל גדול של גזי שריפה מן הצילינדרים‪) .‬ב( מאחר שמנועים‬ ‫אלה שורפים יותר דלק )בגלל משקל האוויר הנוסף(‪ ,‬טמפרטורת העבודה שלהם יותר גבוהה; חלק‬ ‫לא מבוטל מאוויר הטעינה נפלט אומנם עם גזי השריפה‪ ,‬אך הוא מקרר את הצילינדרים ואת שסתומי‬ ‫הפליטה ומוריד את הטמפרטורה הממוצעת של גזי הפליטה‪.‬‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע ‪ /‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 1‬מתוך ‪10‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫באיור לשאלה נתון תרשים עקרוני של מנוע ראשי באנייה‪) .‬א( האם התרשים מתאר מנוע מסוג‬ ‫‪ trunk‬או מנוע מסוג ‪ ?crosshead‬נמק את תשובתך‪) .‬ב( ציין את שמותיהם של ארבעה מבין‬ ‫החלקים המסומנים במספרים ‪) .1-8‬ג(ציין את שמם ואת תפקידם של המוטות המסומנים‬ ‫במספר ‪] .9‬קיץ ‪[2005‬‬ ‫המנוע המתואר בתרשים הוא מנוע ראש‪-‬צלב מתוצרת‬ ‫‪ .Sulzer‬הדבר מובחן על פי היחס בין גובה המנוע לרוחבו‬ ‫ועל פי מובילי ראש הצלב )חלק מס' ‪.(4‬‬ ‫מנועי ראש‪-‬צלב מפתחים הספק עצום‪ ,‬עד ‪ 5000‬כוחות סוס‬ ‫ויותר לכל צילינדר‪ .‬הדבר מתאפשר בשל אורך המהלך‬ ‫וקוטר הצילינדר הגדולים מאוד שלהם‪ .‬ברם‪ ,‬ככל שקוטר‬ ‫הבוכנה ושטחה גדולים יותר‪ ,‬הכוח שמפעילים גזי השריפה‬ ‫על הבוכנה גדול יותר‪.‬‬ ‫במנוע בוכנאי פשוט מועבר העומס מן הבוכנה אל פין‬ ‫הבוכנה‪ ,‬וממנו אל הטלטל וגל הארכובה‪ .‬כדי שיוכל לעמוד‬ ‫בעומסים כבדים במיוחד‪ ,‬פין הבוכנה צריך להיות בעל קוטר‬ ‫גדול מאוד‪ .‬אלא שממדיו מוגבלים על ידי ממדי הבוכנה‪,‬‬ ‫בעוד שמגבלה זו אינה קיימת במנועי ראש‪-‬צלב‪ .‬המקום‬ ‫לאכלוס פין ראש‪-‬צלב רחב הרבה יותר‪ ,‬ולכן ניתן להגדיל‬ ‫את קוטר פין ראש הצלב ולהתאימו לעומסים הכבדים יותר‪.‬‬ ‫זאת ועוד‪ ,‬מאחר שהקצה העליון של הטלטל לא מבצע‬ ‫תנועה סיבובית שלמה סביב הפין‪ ,‬אלא נע בתנועת קשת‪,‬‬ ‫לא ניתן לקיים בו סיכה הידרודינמית‪ .‬מגבלות הסיכה‬ ‫משפיעות על העומס המקסימלי שיכול המסב לשאת‪.‬‬ ‫במנועי ראש‪-‬צלב‪ ,‬לעומת זאת‪ ,‬אספקת השמן למסב‬ ‫הטלטל ופין ראש‪-‬הצלב פשוטה יותר‪ ,‬ולכן הוא מסוגל‬ ‫לשאת עומס רב יותר‪.‬‬ ‫שמות החלקים‪:‬‬ ‫‪ – 1‬ראש הצילינדר )‪(cylinder head‬‬ ‫‪ – 2‬בלוק הצילינדר )‪(cylinder block‬‬ ‫‪ – 3‬מאסף אוויר שטיפה )‪(scavenge air box‬‬ ‫‪ – 4‬מובילי ראש הצלב )‪(crosshead guides‬‬ ‫‪ – 5‬מסגרת ‪(A frame) A‬‬ ‫‪ – 6‬מכסה מסב ראשי )‪(main bearing cup‬‬ ‫‪ – 7‬יצוע )‪(bedplate‬‬ ‫‪ – 8‬גל ארכובה )‪(crankshaft‬‬ ‫מוטות מס' ‪ 9‬הם בורגי מתיחה )‪ ,(tie rods‬המחברים יחד את בלוק הצילינדר‪,‬מסגרת ‪A‬‬ ‫והיצוע‪.‬‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע ‪ /‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 2‬מתוך ‪10‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫שרטט דיאגרמת תזמון של מנוע דיזל שתי פעימות‪ .‬כלול בדיאגרמה את הזוויות שעל פניהן‬ ‫מתרחשים התהליכים על פי הרצף הנכון‪ ,‬ורשום את שמות התהליכים‪) .‬ב( באיור לשאלה ‪ 1‬נתון‬ ‫סדר ההזרקה במנוע דיזל שתי פעימות בעל שישה צילינדרים‪ ,‬כפי שנקבע על ידי היצרן‪ .‬סדר‬ ‫ההזרקה נקבע כדי שהמנוע יעבוד באופן תקין ושקט‪ .‬זה יתקיים אם ההזרקה בכל צילינדר‪ ,‬על‬ ‫פני מעגל התזמון‪ ,‬תתבצע תוך שמירת מרווח זמן מרבי מן הצילינדר הסמוך ותוך חלוקת מעגל‬ ‫התזמון לרווחים שווים‪ .‬סדר ההזרקה ‪ ,1-4-5-2-3-6‬הזווית בין הארכובות ‪ .600‬הצע סדר הזרקה‬ ‫שונה מזה המוצג באיור‪ ,‬תוך שמירת הכלל שהוסבר‪ ,‬כאשר צילינדר מספר ‪ 3‬מחליף את צילינדר‬ ‫מס' ‪] .1‬קיץ ‪[2004‬‬ ‫א‪.‬‬ ‫דיאגרמות תזמון אופייניות של מנוע ראש‪-‬צלב בעל שסתום פליטה מרכזי‪.‬‬ ‫למעלה‪ :‬זוויות הפתיחה והסגירה של שסתום הפליטה זהות‪ .‬למטה‪ :‬זוויות הפתיחה והסגירה‬ ‫של שסתום הפליטה אינן זהות‪ .‬בשני המקרים פתחי השטיפה נפתחים ונסגרים באותה זווית‪.‬‬ ‫תחילת הזרקה‬ ‫‪ 100-200‬לפני נמ"ע‬ ‫תחילת דחיסה‬ ‫)סוף פליטה(‬ ‫‪ 950‬לפני נמ"ע‬ ‫תחילת פליטה‬ ‫‪ 550‬לפני נמ"ת‬ ‫תחילת שטיפה‬ ‫)המשך פליטה(‬ ‫‪ 400‬לפני נמ"ת‬ ‫סוף שטיפה‬ ‫)המשך פליטה(‬ ‫‪ 400‬אחרי נמ"ת‬ ‫תחילת הזרקה‬ ‫‪ 100-200‬לפני נמ"ע‬ ‫תחילת פליטה‬ ‫‪ 700‬לפני נמ"ת‬ ‫תחילת שטיפה‬ ‫)המשך פליטה(‬ ‫‪ 400‬לפני נמ"ת‬ ‫תחילת דחיסה‬ ‫)סוף פליטה(‬ ‫‪ 700‬לפני נמ"ע‬ ‫סוף שטיפה‬ ‫)המשך פליטה(‬ ‫‪ 400‬אחרי נמ"ת‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע ‪ /‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 3‬מתוך ‪10‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫ב‪.‬‬ ‫מהלכי העבודה בצילינדרים מתבצעים בהפרשים שווים זה מזה‪ ,‬אך לא בסדר המספור הרגיל‬ ‫)‪ 1,2,3,4‬וכו'(‪ ,‬אלא על פי סדר מיוחד – סדר הזרקה )‪ .(firing order‬מטרת סדר ההזרקה‬ ‫לחלק את המאמצים בצורה שווה לאורך גל הארכובה והמסבים הראשיים על ידי מיקום‬ ‫ההזרקות העוקבות רחוק ככל האפשר אחת מהשניה ועל ידי כך לתרום גם לפעולה שקטה‬ ‫ומאוזנת של המנוע‪ .‬לכל מנוע סדר הזרקה אחד בלבד‪ ,‬שנקבע על ידי היצרן ולפיו נבנה גל‬ ‫הארכובה‪.‬‬ ‫גל הארכובה המוצג באיור לשאלה הוא של מנוע דו‪-‬פעימי‪ ,‬משום שהזווית בין הארכובות שווה‬ ‫ל‪ .600-‬הזווית בין הארכובות מחושבת עפ"י הנוסחה‪:‬‬ ‫מספר המעלות במחזור‬ ‫מספר הארכובות‬ ‫= הזווית בין הארכובות‬ ‫באופן תיאורטי קיימות אפשרויות סידור הארכובות הבאות‪:‬‬ ‫‪1-4-2-6-3-5 ,1-5-3-6-2-4 ,1-3-5-6-4-2‬‬ ‫באיור לשאלה מתואר מנוע דיזל ימי בעל צילינדר בודד ונתון מעגל התזמון שלו‪) .‬א( מהו סוג‬ ‫המנוע ומהו מספר המהלכים )הפעימות( בו? נמק את תשובתך‪) .‬ב( מה מסמלת כל אחת מן‬ ‫האותיות ‪ A, B, C, D, E‬באיור? )ג( תאר את המתרחש במנוע בכל אחד מארבעת השלבים של‬ ‫מעגל התזמון הנתון באיור‪] .‬קיץ ‪[2002‬‬ ‫א‪.‬‬ ‫המנוע המוצג בתרשים הוא מנוע דו‪-‬פעימי בעל פתחי שטיפה ושסתום פליטה מרכזי‪ .‬ניתן‬ ‫לראות זאת גם לפי מעגל התזמון‪ ,‬משום שהפליטה אינה מתחילה ומסתיימת באותה זווית ביחס‬ ‫לנמ"ת‪.‬‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע ‪ /‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 4‬מתוך ‪10‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫ב‪.‬‬ ‫שמות החלקים‪ (A) :‬מרסס דלק; )‪ (B‬פתח פליטה; )‪ (C‬שסתום פליטה מרכזי; )‪ (D‬פתחי‬ ‫שטיפה; )‪ (E‬משאבת הזרקה‪.‬‬ ‫ג‪.‬‬ ‫ההזרקה מתחילה ב‪ 200-‬לפני נמ"ע ומסתיימת כ‪ 100-‬אחרי נמ"ע‪ ,‬תלוי בכמות הדלק המוזרקת‪.‬‬ ‫גזי השריפה דוחפים את הבוכנה ומבצעים עבודה‪ ,‬ותוך כדי כך קטנים הלחץ והטמפרטורה‬ ‫שלהם‪ .‬ב‪ 850-‬לפני נמ"ת שסתום הפליטה מתחיל להיפתח ומסתיימת העבודה‪ .‬גזי הפליטה‬ ‫מתחילים להיפלט לאטמוספרה‪ ,‬ותוך כדי ירידת הבוכנה לחצם נופל עד קצת מעל ‪.1 bar‬‬ ‫שסתום הפליטה נפתח מוקדם כל כך‪ ,‬כדי שלחץ גזי השריפה הגבוה יספיק ליפול מתחת ללחץ‬ ‫אוויר השטיפה‪.‬‬ ‫ב‪ 450-‬לפני נמ"ת מתחילה הבוכנה לחשוף את פתחי השטיפה‪ ,‬ואוויר בלחץ נמוך – המסופק על‬ ‫ידי מפוח מכני – שוטף את הצילינדר מגזי השריפה וממלא אותו מחדש‪ .‬פעולת השטיפה‬ ‫נמשכת עד ‪ 450‬אחרי נמ"ת‪ ,‬אז מתכסים פתחי השטיפה‪.‬‬ ‫על פי התרשים‪ ,‬שסתום הפליטה נסגר ב‪ 450-‬אחרי נמ"ת יחד עם פתחי השטיפה‪ .‬בנקודה זו‬ ‫מתחילה דחיסת האוויר‪ ,‬הנמשכת עד ‪ 200‬לפני נמ"ע‪ ,‬ובמהלכה גובר הלחץ ועולה הטמפרטורה‬ ‫של האוויר בצילינדר‪.‬‬ ‫ב‪ 200-‬לפני נמ"ע מתחיל מחזור חדש‪.‬‬ ‫הערה‪ :‬בדרך כלל שסתום הפליטה נסגר כ‪ 50-‬אחרי כיסוי פתחי השטיפה; אמנם חלק מן האוויר‬ ‫הטרי נפסד‪ ,‬אך היתרון הוא שטיפה יותר יעילה של הצילינדר וקירור של שסתום הפליטה‪.‬‬ ‫קיימים מנועים‪ ,‬בהם שסתום הפליטה נסגר לפני כיסוי פתחי השטיפה‪ ,‬ולכן אין בהם הפסד של‬ ‫אוויר טרי‪.‬‬ ‫הסבר בקצרה חמישה מהנושאים הבאים )בהתייחס למנוע דיזל(‪) :‬א( עומס יתר )ב( טעינת יתר‬ ‫)ג( חפיפת שסתומים )ד( חפיפת שסתומי התנעה )ה( הזרקה מאוחרת )ו( הצתה מאוחרת‪] .‬קיץ‬ ‫‪[1999‬‬ ‫א‪.‬‬ ‫עומס יתר )‪ (over load‬פירושו‪ ,‬שהמנוע מפתח הספק גדול מההספק המקסימלי הרצוף שלו‬ ‫)‪ .(MCR‬לכל מנוע מהירות מקסימלית נקובה‪ ,‬שבה הוא מפתח הספק מקסימלי מסוים ויכול‬ ‫לעבוד בתנאים אלה ללא הגבלת זמן‪ .‬כאשר המנוע בעומס יתר‪ ,‬טמפרטורות ולחצי העבודה שלו‬ ‫גבוהים יותר‪ ,‬תנאי עבודתו קשים ואורך חייו מתקצר‪ .‬במקרים חריגים מותר להפעיל את המנוע‬ ‫בעומס יתר עד ‪ 120%‬מההספק המקסימלי הרצוף שלו לפרק זמן מוגבל כפי שקובע היצרן‪.‬‬ ‫ב‪.‬‬ ‫טעינת יתר היא שיטה להגדלת משקל האוויר המסופק לצילינדר‪ .‬כך ניתן להגדיל את כמות‬ ‫הדלק המוזרקת ולקבל מן הצילינדר הספק גדול יותר מבלי לשנות את ממדיו‪ .‬כאשר מגדילים‬ ‫את משקל האוויר‪ ,‬ניתן להגדיל גם את משקל הדלק המוזרק ועל ידי כך להעלות את ההספק‬ ‫)יחס ‪ 14.5‬ל‪ .(1-‬הגדלת משקל האוויר נעשית על ידי דחיסתו לתוך הצילינדר‪ .‬ניתן להשתמש‬ ‫במדחס המונע על ידי המנוע‪ ,‬אך הדבר גורע מן ההספק שהוא ימסור למדחף‪ .‬במקום זאת‬ ‫מנצלים את האנרגיה של גזי הפליטה‪ ,‬אשר בלאו הכי הולכים לאיבוד‪ ,‬ועל ידי משפרים את‬ ‫הנצילות התרמית של המנוע )מקטינים את הפסדי החום שלו( ואת תצרוכת הדלק הסגולית‪ .‬גזי‬ ‫הפליטה הנפלטים מן הצילינדרים מסובבים טורבינת גזי פליטה‪ ,‬אשר מניעה על ציר משותף‬ ‫מדחס צנטריפוגלי‪ .‬המדחס יונק אוויר מחדר המכונות דרך מסנן אוויר‪ ,‬וסונק אותו לסעפת‬ ‫היניקה דרך מצנן אוויר טעינה‪ .‬קירור האוויר במצנן מגדילה עוד את צפיפותו‪.‬‬ ‫ג‪.‬‬ ‫חפיפת שסתומים היא פרק הזמן במחזור ארבע‪-‬פעימות‪ ,‬שבו שסתום הפליטה ושסתום היניקה‬ ‫פתוחים בו זמנית; שסתום הפליטה הולך ונסגר ואילו שסתום היניקה הולך ונפתח‪ .‬כדי לנצל את‬ ‫מלוא מהלך הבוכנה לפליטת גזים מן הצילינדר‪ ,‬שסתום הפליטה חייב להיות פתוח לגמרי‬ ‫בנמ"ת ובנמ"ע‪ .‬מאחר שלא ניתן לפתוח את השסתום בבת‪-‬אחת‪ ,‬יש להתחיל לפתוח אותו לפני‬ ‫נמ"ת ולהתחיל לסגור אותו אחרי נמ"ע‪ .‬מצב דומה קורה עם שסתום היניקה‪ .‬על מנת שהבוכנה‬ ‫תשאב מקסימום אוויר‪ ,‬צריך להתחיל לפתוח את שסתום היניקה לפני נמ"ע ולהתחיל לסגור‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע ‪ /‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 5‬מתוך ‪10‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫אותו אחרי נמ"ת‪ .‬משך החפיפה במנועים ללא טעינת טורבו הוא כ‪ 200-‬ובמנועי עם טעינת‬ ‫טורבו עד ‪.1100‬‬ ‫ד‪.‬‬ ‫חפיפת שסתומי התנעה פירושה ששני שסתומי התנעה עוקבים )על פי סדר הזרקה( פתוחים בו‬ ‫זמנית‪ ,‬אחד לקראת סגירה והשני לאחר פתיחה‪ .‬כדי שניתן יהיה להתניע מנוע מכל מצב בו‬ ‫נעצר גל הארכובה‪ ,‬חייבת להתקיים חפיפה מינימלית של ‪ 150‬בין שני שסתומי התנעה עוקבים‪.‬‬ ‫אם החפיפה קטנה מ‪ 150-‬מעלות‪ ,‬יהיה צורך לסובב את המנוע בצורה ידנית ולהביא את הבוכנה‬ ‫של הצילינדר התורן לתחילת התנעה‪.‬‬ ‫ה‪.‬‬ ‫הזרקה מאוחרת מתבצעת אחרי העיתוי שנקבע לכך‪ ,‬לדוגמה ב‪ 150-‬לפני נמ"ע במקום ב‪250-‬‬ ‫לפני נמ"ע‪ .‬זוהי תקלה‪ ,‬הנגרמת על ידי כיוון שגוי של תחילת ההזרקה במשאבת ההזרקה או‬ ‫עקב תקלה במשאבת ההזרקה‪ .‬הזרקה מאוחרת גוררת אחריה שריפה מאוחרת‪ ,‬וניתן לאבחן‬ ‫אותה על פי ירידת ההספק‪ ,‬טמפרטורת גזי פליטה גבוהה מדי ועשן שחור‪.‬‬ ‫ו‪.‬‬ ‫הדלק המוזרק לתוך הצילינדר מתלקח ‪ 3-5‬אלפיות השניה לאחר המגע הראשון שלו עם האוויר‬ ‫הדחוס והחם בצילינדר‪ .‬בפרק זמן זה טיפות הדלק קולטות חום מן האוויר החם‪ ,‬מתאדות‬ ‫ומתלקחות‪ .‬הצתה מאוחרת פירושה‪ ,‬שההתלקחות הראשונית מתבצעת אחרי פרק זמן גדול‬ ‫מכפי שנקבע‪ ,‬כך ששיא הלחץ נבנה הרבה אחרי נמ"ע‪ ,‬תוך כדי מהלך העבודה‪ .‬פיגור ההצתה‬ ‫מושפע על ידי סוג הדלק )נקודת ההצתה שלו( ועל ידי טמפרטורת האוויר הדחוס בצילינדר‪.‬‬ ‫)א( שרטט דיאגרמת תזמון )עיתוי( של מנוע ארבעה מהלכים וציין )בקירוב( את הזוויות בין‬ ‫הנקודות הרלוונטיות‪) .‬ב( שרטט צורת זיז של שסתום פליטה‪ ,‬ועל פי נתונים מן הדיאגרמה ציין‬ ‫בו את הזווית בין הפתיחה והסגירה של השסתום‪] .‬קיץ ‪[1998‬‬ ‫תחילת הזרקה‬ ‫‪1350‬‬ ‫סוף פליטה‬ ‫‪400‬‬ ‫תחילת יניקה‬ ‫‪600‬‬ ‫סוף‬ ‫פליטה‬ ‫תחילת‬ ‫פליטה‬ ‫תחילת דחיסה‬ ‫‪400‬‬ ‫פיקת פליטה של מנוע ארבע פעימי עם‬ ‫טעינת טורבו‬ ‫תחילת פליטה‬ ‫‪500‬‬ ‫דיאגרמת תזמון של מנוע ארבע פעימי בינוני‬ ‫עם טעינת טורבו‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע ‪ /‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 6‬מתוך ‪10‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫שרטט דיאגרמות תזמון )‪ (timing diagrams‬של מנוע דיזל ארבעה מהלכים ושל מנוע דיזל שני‬ ‫מהלכים לפי בחירתך‪ .‬התאם לכל מנוע את הדיאגרמות האינדיקטוריות המתאימות‪ .‬חשב‪,‬‬ ‫בהתאם לנתונים שנתת בדיאגרמת התזמון‪ ,‬את זמן ההזרקה )בשניות( של מנוע ימי בעל ‪90‬‬ ‫סל"ד‪] .‬קיץ ‪[1995‬‬ ‫נמ"ע‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫מנוע דו‪-‬פעימי עם פתחי שטיפה‬ ‫ופתחי פליטה‬ ‫‪ -1‬תחילת הזרקה )‪(200‬‬ ‫‪ – 2‬סוף הזרקה )‪(80‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪ – 3‬תחילת פליטה ) ‪(60‬‬ ‫‪ – 4‬תחילת שטיפה )‪(500‬‬ ‫‪ – 5‬סוף שטיפה )‪(500‬‬ ‫‪ – 6‬תחילת דחיסה )‪(600‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪5‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪5‬‬ ‫נמ"ת‬ ‫תחילת ההזרקה על פי הדיאגרמה של המנוע הדו‪-‬פעימי היא ב‪ 200-‬לפני נמ"ע ומסתיימת ב‪ 80-‬אחרי‬ ‫נמ"ע‪ ,‬סה"כ ‪ 280‬מעלות‪.‬‬ ‫מחשבים את מהירות המנוע בסיבובים לשניה‪:‬‬ ‫‪90‬‬ ‫‪= 1.5‬‬ ‫‪60‬‬ ‫= ‪RPS‬‬ ‫מחשבים בכמה שניות מבצע גל הארכובה סיבוב אחד )‪:(3600‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪= 0.666 sec‬‬ ‫‪1.5‬‬ ‫מחשבים בכמה שניות מסתובב גל הארכובה ‪:280‬‬ ‫‪28‬‬ ‫‪× 0.666 = 0.051 sec‬‬ ‫‪360‬‬ ‫נוסחת חישוב אחת תיראה כך‪:‬‬ ‫‪28 60‬‬ ‫×‬ ‫‪= 0.051 sec‬‬ ‫‪360 90‬‬ ‫=‪T‬‬ ‫משך ההזרקה הוא ‪ 51‬אלפיות השניה‪.‬‬ ‫הסבר בעזרת שרטוט את מטרתם‪ ,‬מבנם ופעולתם של החלקים הבאים‪ ,‬המתייחסים בעיקר‬ ‫למנועים בעלי מהירות בינונית או גבוהה‪) :‬א( תא שריפה מוקדמת‪) ,‬ב( תא מערבולת אוויר‪) ,‬ג(‬ ‫תא חצי דחיסה‪.‬‬ ‫א‪.‬‬ ‫תא שריפה מוקדמת )‪ (pre-combustion chamber‬מותקן במנועי דיזל מהירים‪ .‬מטרתו לשפר‬ ‫את ערבול הדלק עם האוויר לשם השגת שריפה מושלמת בזמן הקצר המוקצב לכך‪ .‬בתוך ראש‬ ‫הצילינדר מותקן תא שריפה קטן משני‪ ,‬המחובר אל חלל השריפה הראשי בצילינדר באמצעות‬ ‫נחיר אחד או כמה נחירים‪ .‬לקראת סוף הדחיסה ותחילת ההזרקה נוצרת בתא השריפה‬ ‫מערבולת אוויר ללא כיוון מוגדר‪ .‬מרסס הדלק מזריק את הדלק לתוך התא בסילון אחד‪ ,‬הדלק‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע ‪ /‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 7‬מתוך ‪10‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫מתערבב עם האוויר ורק חלק ממנו מתלקח‪ ,‬משום שכמות האוויר בתא קטנה‪ .‬תערובת גזי‬ ‫השריפה והדלק שעדיין לא נשרף פורצים בלחץ לתוך הצילינדר‪ ,‬והשריפה נמשכת בחלל‬ ‫השריפה הראשי‪.‬‬ ‫כאשר שורפים דלק בזמן קצר ביותר‪ ,‬כפי שמתחייב במנועים מהירים‪ ,‬עליית לחץ גזי השריפה‬ ‫חדה מאוד‪ .‬כתוצאה מכך נוצרת דטונציה‪ ,‬הבאה לידי ביטוי ב"נקישות" מנוע ומאמצים גבוהים‬ ‫ופתאומיים על הבוכנה ומסבי הטלטל וגל הארכובה‪ .‬תא השריפה המוקדמת תורם לעלייה‬ ‫מתונה יותר של לחץ השריפה בהשוואה למנוע בעל הזרקה ישירה‪ ,‬משום שהיא מתרחשת‬ ‫למעשה בשני שלבים – ראשיתה בתא והמשכה בצילינדר‪.‬‬ ‫לחץ ההזרקה נמוך יחסית )‪ (80-100 bar‬והדלק מוזרק בסילון אחד‪ ,‬משום שאין צורך לפרקו‬ ‫לטיפות או להעניק לו תוספת מהירות כדי שיחדור לתוך האוויר הדחוס בצילינדר‪ .‬הדבר נעשה‬ ‫על ידי מערבולת גזי השריפה‪.‬‬ ‫ב‪.‬‬ ‫תא מערבולת אוויר )‪ (swirl chamber‬נועד אף הוא לשפר את ערבול הדלק והאוויר במנועים‬ ‫מהירים לשם השגת שריפה מושלמת בזמן קצר‪ .‬בניגוד לתא שריפה מוקדמת‪ ,‬כניסת האוויר‬ ‫לתא נעשית בכיוון משיקי‪ ,‬כך שהאוויר מסתחרר בתוך התא בצורה מעגלית מסודרת‪.‬‬ ‫ג‪.‬‬ ‫תא חצי דחיסה )‪ (half-compression chamber‬הוא אמצעי נושן‪ ,‬שאינו בשימוש יותר‪ ,‬להקלת‬ ‫ההתנעה ביד של מנועי דיזל מהירים בעלי ‪ 1-3‬צילינדרים‪ .‬העיקרון הוא יצירת חלל דחיסה בעל‬ ‫נפח משתנה‪ ,‬הניתן להגדלה בשעת ההתנעה ולהקטנה לאחריה‪.‬‬ ‫תא שריפה מוקדמת‬ ‫תא ערבול‬ ‫הסבר את המונחים הבאים ואת סיבתם‪) :‬א( קירור אוויר שטיפה‪) ,‬ב( טעינת יתר‪) ,‬ג( חימום‬ ‫מוקדם של הדלק‪) ,‬ד( חפיפת שסתומים‪) ,‬ה( חפיפת שסתומי התנעה‪) ,‬ו( חימום מוקדם של‬ ‫המנוע‪.‬‬ ‫א‪.‬‬ ‫קירור אוויר השטיפה נועד להגדיל את משקל האוויר בצילינדרים וכתוצאה מכך את כמות הדלק‬ ‫המוזרקת והספק המנוע‪ .‬צפיפות האוויר פוחתת במידה מסוימת בשל התחממותו במהלך‬ ‫הדחיסה במטען הטורבו‪ .‬ניתן למנוע הפסד זה על ידי קירורו ביציאה ממטען הטורבו‪ .‬לקירור‬ ‫אוויר השטיפה יתרון נוסף‪ :‬הקטנת טמפרטורות גזי הפליטה והמאמצים התרמיים של הבוכנה‪,‬‬ ‫שרוול הצילינדר והשסתומים הבאים במגע עם גזי השריפה‪.‬‬ ‫ב‪.‬‬ ‫טעינת יתר היא שיטה להגדלת משקל האוויר המסופק לצילינדר‪ .‬כך ניתן להגדיל את כמות‬ ‫הדלק המוזרקת ולקבל מן הצילינדר הספק גדול יותר מבלי לשנות את ממדיו‪ .‬כאשר מגדילים‬ ‫את משקל האוויר‪ ,‬ניתן להגדיל גם את משקל הדלק המוזרק ועל ידי כך להעלות את ההספק‬ ‫)יחס ‪ 14.5‬ל‪ .(1-‬הגדלת משקל האוויר נעשית על ידי דחיסתו לתוך הצילינדר‪ .‬ניתן להשתמש‬ ‫במדחס המונע על ידי המנוע‪ ,‬אך הדבר גורע מן ההספק שהוא ימסור למדחף‪ .‬במקום זאת‬ ‫מנצלים את האנרגיה של גזי הפליטה‪ ,‬אשר בלאו הכי הולכים לאיבוד‪ ,‬ועל ידי משפרים את‬ ‫הנצילות התרמית של המנוע )מקטינים את הפסדי החום שלו( ואת תצרוכת הדלק הסגולית‪ .‬גזי‬ ‫הפליטה הנפלטים מן הצילינדרים מסובבים טורבינת גזי פליטה‪ ,‬אשר מניעה על ציר משותף‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע ‪ /‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 8‬מתוך ‪10‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫מדחס צנטריפוגלי‪ .‬המדחס יונק אוויר מחדר המכונות דרך מסנן אוויר‪ ,‬וסונק אותו לסעפת‬ ‫היניקה דרך מצנן אוויר טעינה‪ .‬קירור האוויר במצנן מגדיל עוד את צפיפותו‪.‬‬ ‫ג‪.‬‬ ‫חימום מוקדם של הדלק לפני כניסתו למשאבות ההזרקה נועד להקטין את צמיגותו‪ ,‬אשר גדלה‬ ‫אחר כך בשיעור רב בזמן דחיסתו ללחץ גבוה במשאבות ההזרקה‪ .‬הדלק מחומם על ידי מחמם‬ ‫קיטור‪ ,‬אשר ספיקת הקיטור דרכו נשלטת על ידי מד הצמיגות‪ .‬טמפרטורת החימום של הדלק‬ ‫מוגבלת ל‪.1400C-‬‬ ‫ד‪.‬‬ ‫חפיפת שסתומים היא פרק הזמן במחזור ארבע‪-‬פעימות‪ ,‬שבו שסתום הפליטה ושסתום היניקה‬ ‫פתוחים בו זמנית; שסתום הפליטה הולך ונסגר ואילו שסתום היניקה הולך ונפתח‪ .‬כדי לנצל את‬ ‫מלוא מהלך הבוכנה לפליטת גזים מן הצילינדר‪ ,‬שסתום הפליטה חייב להיות פתוח לגמרי‬ ‫בנמ"ת ובנמ"ע‪ .‬מאחר שלא ניתן לפתוח את השסתום בבת‪-‬אחת‪ ,‬יש להתחיל לפתוח אותו לפני‬ ‫נמ"ת ולהתחיל לסגור אותו אחרי נמ"ע‪ .‬מצב דומה קורה עם שסתום היניקה‪ .‬על מנת שהבוכנה‬ ‫תשאב מקסימום אוויר‪ ,‬צריך להתחיל לפתוח את שסתום היניקה לפני נמ"ע ולהתחיל לסגור‬ ‫אותו אחרי נמ"ת‪ .‬משך החפיפה במנועים ללא טעינת טורבו הוא כ‪ 200-‬ובמנועי עם טעינת‬ ‫טורבו עד ‪.1100‬‬ ‫ה‪.‬‬ ‫חפיפת שסתומי התנעה פירושה ששני שסתומי התנעה עוקבים )על פי סדר הזרקה( פתוחים בו‬ ‫זמנית‪ ,‬אחד לקראת סגירה והשני לאחר פתיחה‪ .‬כדי שניתן יהיה להתניע מנוע מכל מצב בו‬ ‫נעצר גל הארכובה‪ ,‬חייבת להתקיים חפיפה מינימלית של ‪ 150‬בין שני שסתומי התנעה עוקבים‪.‬‬ ‫אם החפיפה קטנה מ‪ 150-‬מעלות‪ ,‬יהיה צורך לסובב את המנוע בצורה ידנית ולהביא את הבוכנה‬ ‫של הצילינדר התורן לתחילת התנעה‪.‬‬ ‫ו‪.‬‬ ‫חימום מוקדם של המנוע פירושו חימום מי הקירור המתוקים שלו‪ .‬כדי להקל על ההתנעה‬ ‫ולהקטין את המאמצים התרמיים על שרוול הצילינדר עקב הפרשי טמפרטורות קיצוניים בתחילת‬ ‫עבודת המנוע‪ ,‬מחוממים מי הקירור בהדרגה לטמפרטורה של ‪ 600C‬לפחות‪ .‬על ידי חימום‬ ‫השרוולים‪ ,‬ראשי הצילינדרים ומטען הטורבו מקרבים יותר את הטמפרטורה שלהם לטמפרטורת‬ ‫העבודה‪ .‬זאת ועוד‪ ,‬כאשר המנוע קר קשה יותר להתניעו‪ ,‬משום שחום האוויר הדחוס נפסד‬ ‫במהירות לדופן שרוול הצילינדר בשל הפרש הטמפרטורות הגדול ביניהם‪.‬‬ ‫תאר בעזרת סקיצות שיטות שטיפה שונות במנועי דיזל גדולים‪ .‬הסבר מדוע שטיפה הכרחית‬ ‫ובאילו אמצעים היא מושגת‪.‬‬ ‫פעולתם של מנועים דו‪-‬פעימיים תלויה באספקת אוויר טרי בלחץ הגבוה מעט מלחץ גזי השריפה‬ ‫בצילינדר בתחילת הפליטה‪ .‬השטיפה הכרחית כדי להרחיק את גזי הפליטה מן הצילינדר בסוף‬ ‫העבודה וכדי למלא את הצילינדר מחדש באוויר טרי לצורך השריפה הבאה‪.‬‬ ‫במנועי ראש צלב מודרניים משתמשים בשטיפה ישרה )‪ .(uniflow scavenge‬במנועי ראש‪-‬צלב‬ ‫ישנים יותר השתמשו בשטיפת ערב )‪ (cross scavenge‬או בשטיפת לולאה )‪.(loop scavenge‬‬ ‫בשיטת השטיפה הישרה האוויר נכנס דרך פתחי שטיפה בחלקו התחתון של הצילינדר‪ ,‬זורם מעלה‬ ‫לאורכו של הצילינדר ודוחק את גזי השריפה החוצה דרך שסתום פליטה מרכזי‪ .‬שיטה זו נחשבת‬ ‫ליעילה ביותר בשל פשטותה‪ .‬על ידי בניית פתחי השטיפה בזווית ניתן לסחרר את האוויר המוזרם‬ ‫לצילינדר‪ ,‬וכך לתרום להרחקה יעילה יותר של גזי השריפה וליצירת תנאי שריפה טובים יותר של‬ ‫הדלק‪.‬‬ ‫במנועים בעלי שטיפת ערב ושטיפת לולאה מצויד הצילינדר בשורת פתחי פליטה ומתחתיה שורת‬ ‫פתחי שטיפה‪ .‬על ידי כך נמנע הצורך בשסתום פליטה בראש הצילינדר ובמנגנון הדרוש להנעתו‪.‬‬ ‫המשמעות המעשית היא מנוע בעל מבנה פשוט ותחזוקה קטנה יותר‪ .‬אולם נצילות שיטה זו קטנה‬ ‫יותר‪ ,‬משום שנשארים בצילינדר כיסים של גזי שריפה שאינם מורחקים על ידי זרם האוויר‪.‬‬ ‫אספקת האוויר במנועי ראש‪-‬צלב מודרניים נעשית בהתנעה ובעומסים נמוכים על ידי הצד התחתון‬ ‫של הבוכנה ו‪/‬או מפוח חשמלי‪ ,‬ובעומסים גבוהים יותר על ידי מטען טורבו והצד התחתון של הבוכנה‪.‬‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע ‪ /‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 9‬מתוך ‪10‬‬ ‫כ"ג יורדי הסירה – ביה"ס לקציני‪-‬ים עכו ‪ /‬מגמת מכונאות ימית‬ ‫שטיפת לולאה‬ ‫שטיפת ערב‬ ‫שטיפה ישרה‬ ‫פתרון מבחני הבגרות במכונאות מנוע ‪ /‬עקרונות הפעולה של מנועי דיזל )‪(1985-2009‬‬ ‫עמוד ‪ 10‬מתוך ‪10‬‬