עקרונות הפעולה של מנועי דיזל : הנושא

‫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