מנוע הבוכנה: עקרונות ומחזור ארבע הפעימות – מבחן מנוע בוכנה רת״א

מה מנוע בוכנה עושה

מנוע בוכנה הוא מנוע בעירה פנימית. הוא הופך אנרגיה כימית שבדלק לחום, ואת החום לעבודה מכנית. התערובת של דלק ואוויר נשרפת בתוך הצילינדר, הגזים מתפשטים ודוחפים את הבוכנה. מוט הטלטל (Connecting rod) מעביר את התנועה הקווית של הבוכנה לגל הארכובה (Crankshaft), שהופך אותה לסיבוב. גל הארכובה מסובב את המדחף, ישירות או דרך תיבת הפחתה.

במטוסים קלים המנועים הנפוצים הם מנועים בעלי צילינדרים מנוגדים (Horizontally opposed), מקוררי אוויר, של היצרנים Lycoming ו-Continental.

מחזור ארבע הפעימות (מחזור אוטו)

מחזור שלם דורש ארבע תנועות של הבוכנה (פעימות), כלומר שני סיבובים של גל הארכובה (720°). בכל מחזור יש פעימת הספק אחת בלבד לכל צילינדר.

פעימה	תנועת הבוכנה	שסתום יניקה	שסתום פליטה	מה קורה
יניקה (Intake)	למטה	פתוח	סגור	התערובת נשאבת לצילינדר
דחיסה (Compression)	למעלה	סגור	סגור	התערובת נדחסת ומתחממת
הספק (Power)	למטה	סגור	סגור	הצתה, התפשטות, עבודה על הבוכנה
פליטה (Exhaust)	למעלה	סגור	פתוח	הגזים השרופים נדחפים החוצה

ההצתה מתבצעת לפני שהבוכנה מגיעה לנקודה המתה העליונה (TDC) בפעימת הדחיסה, בדרך כלל 20°–30° לפני. הסיבה: לבעירה לוקח זמן להתפתח, והלחץ המקסימלי צריך להיווצר קצת אחרי TDC, כשהבוכנה מתחילה לרדת.

מונחים בסיסיים

נקודה מתה עליונה (TDC – Top Dead Center): המיקום העליון ביותר של הבוכנה.
נקודה מתה תחתונה (BDC – Bottom Dead Center): המיקום התחתון ביותר.
מהלך (Stroke): המרחק שהבוכנה עוברת בין TDC ל-BDC. שווה לפעמיים רדיוס הארכובה (Throw).
קדח (Bore): הקוטר הפנימי של הצילינדר.
נפח עקירה (Displacement): הנפח שהבוכנה מפנה במהלך אחד, כפול מספר הצילינדרים.
חפיפת שסתומים (Valve overlap): הזמן שבו שסתום היניקה ושסתום הפליטה פתוחים יחד, בסוף פעימת הפליטה ותחילת היניקה. החפיפה עוזרת לגזים היוצאים למשוך פנימה את התערובת הטרייה ולשטוף את הצילינדר.
הקדמה ופיגור שסתומים (Lead / Lag): שסתום היניקה נפתח לפני TDC (Lead) ונסגר אחרי BDC (Lag), כדי לנצל את האינרציה של האוויר הזורם ולמלא את הצילינדר טוב יותר.

מחזור שתי פעימות

במנוע דו-פעימתי יש פעימת הספק בכל סיבוב. הוא פשוט וקל, אבל פחות יעיל ופולט יותר, ולכן כמעט לא משמש במטוסים מאושרים – בעיקר במטוסים אולטרה-קלים.

מחזור ברייטון ומנוע דיזל – להשוואה

מנוע דיזל: דוחס אוויר בלבד ליחס דחיסה גבוה מאוד. הדלק מוזרק לאוויר החם ונדלק מעצמו, בלי מצת. יש מנועי דיזל למטוסים קלים (למשל מנועי Jet-A).
מנוע טורבינה: פועל לפי מחזור ברייטון. כל ארבעת השלבים (יניקה, דחיסה, בעירה, פליטה) מתרחשים ברציפות ובו-זמנית במקומות שונים במנוע, ולא בזה אחר זה באותו מקום.

סידורי צילינדרים

סידור	תיאור	שימוש
מנוגד (Opposed)	שתי שורות צילינדרים משני צדי גל הארכובה	הנפוץ ביותר במטוסים קלים – שטוח, חלק, יחס משקל להספק טוב
כוכבי (Radial)	צילינדרים בעיגול סביב גל הארכובה	מטוסים ישנים ומטוסי ריסוס; מספר אי-זוגי בכל שורה
בשורה (In-line)	צילינדרים בשורה אחת	מנועים ישנים; חזית צרה
V	שתי שורות בזווית	מנועי לוחמה ישנים, מקוררי נוזל

מנוע כוכבי – סדר הצתה

במנוע כוכבי יש מספר אי-זוגי של צילינדרים בכל שורה, כדי שסדר ההצתה ידלג על צילינדר אחד בכל פעם. במנוע של 9 צילינדרים סדר ההצתה הוא 1-3-5-7-9-2-4-6-8. במנוע כוכבי, צילינדר 1 מחובר למוט ראשי (Master rod), ושאר הצילינדרים מחוברים למוטות מפרקיים (Articulating rods) שמחוברים למוט הראשי.

יעילויות

יעילות תרמית: כמה מהאנרגיה של הדלק הופכת לעבודה. במנוע בוכנה בערך 25%–30%. השאר הולך לחום בפליטה, בקירור ובחיכוך.
יעילות נפחית (Volumetric efficiency): היחס בין כמות התערובת שנכנסת בפועל לבין נפח הצילינדר. במנוע לא מוגדש היא תמיד פחות מ-100%. גורמים שמורידים אותה: מהירות גבוהה, טמפרטורה גבוהה, גובה, צינורות יניקה ארוכים, מצערת סגורה חלקית.
יעילות מכנית: היחס בין ההספק שמגיע למדחף (BHP) להספק שנוצר בצילינדרים (IHP). מבטאת הפסדי חיכוך ואביזרים.

נקודות למבחן

4 פעימות = 2 סיבובי ארכובה = פעימת הספק אחת לכל צילינדר.
בפעימת הדחיסה ובפעימת ההספק שני השסתומים סגורים.
ההצתה מתבצעת לפני TDC.
חפיפת שסתומים – בסוף הפליטה ותחילת היניקה.
מנוע כוכבי – מספר אי-זוגי של צילינדרים בשורה, מוט ראשי, סכנת נעילה הידראולית.