מנוע בעירה פנימית

מנוע בעירה פנימית או מנוע שרפה פנימית הוא מנוע חום השורף דלק, והופך את אנרגיית החום הנוצרת בשרפה לאנרגיית לחץ, אשר מנוצלת לביצוע עבודה מכנית. הוא נקרא כך משום ששריפת הדלק והעבודה המכנית נעשות בתוך המנוע עצמו, למשל בצילינדר של מנוע בוכנאי. במנוע בעירה חיצונית, לעומת זאת, שריפת הדלק מתבצעת במכלול נפרד וחיצוני למנוע, למשל בדוד קיטור, בעוד שהעבודה המכנית נעשית בתוך המנוע עצמו, למשל בטורבינת קיטור. עם מנועי בעירה פנימית נמנים מנועי דיזל ובנזין בוכנאיים, טורבינות גז ומנועים סילוניים. מנועי הבעירה הפנימית המוקדמים ביותר היו כנראה רקטות וזיקוקים שפותחו בידי הסינים עוד במאה ה-3 לפנה"ס, תוך שימוש באבק שרפה. אלו היו למעשה צעצועים עד למאה ה-11 שבה החלו לשמש ככלי נשק. פרנסואה איזק דה ריבז בנה את מנוע הבעירה הפנימית הראשון שהתבסס על בעירה לסירוגין ב-1807. עם זאת, המנוע לא היה שימושי מכיוון שהוא יצר כוח מזערי ודרש תערובת של מימן וחמצן בתור דלק. הפטנט הראשון למנוע בעירה פנימית ניתן בארצות הברית ב-1826 לסמואל מורי. ב-1859 הבלגי אטיין לנואר המציא בצרפת את מנוע הבעירה פנימית הראשון שהיה בעל ערך שימושי. הוא התבסס על גז פחמי שנשאב לתוך הצילינדר בתחילת כל פעימה ואז הוצת כדי לדחוף את הבוכנה לצד השני של הצילינדר. תהליך זה חזר על עצמו גם בצד השני של הצילינדר ולפיכך מנוע זה היה בעל פעולת שרפה כפולה. בשנת 1863 בנה את דגם הרכב היפומוביל. ב-1867 בנה הממציא הגרמני ניקולאוס אוטו את מנוע השרפה הפנימית בעל ארבע הפעימות הראשון. המנוע התגלה כיעיל יותר ממנועו של לנואר ושווק בהצלחה לצרכים תעשייתיים. תכנון מנוע זה שופר בהמשך על ידי הגרמני גוטליב דיימלר שהתמקד בהפיכת הטכנולוגיה לניתנת לשימוש במכוניות, במיוחד על ידי הוספת מאייד הבנזין. ב-1890 בנה הגרמני וילהלם מייבאך את מנוע השרפה הפנימית הארבע-צילינדרי הראשון. דיימלר ומייבאך עבדו לפני כן בחברה של אוטו אך עזבו ב-1882 כדי להקים חברה משלהם. באותו זמן לערך הלך והשתכלל תכנונו של מנוע בעירה פנימית בעל מחזור של שתי פעימות. מנוע זה הומצא ב-1867 על ידי סר דוגאלד קלרק, ושופר על ידי ג'וזף דיי ב-1891. ב-1930 הוציא סר פרנק ויטל פטנט על מנוע הטורבינה שנודע לאחר מכן כמנוע הסילון. ב-1937 הופעל מנוע כזה לראשונה, וב-1939 מטוס של חברת ארנסט היינקל בשם HE178 טס בפעם הראשונה עם מנוע סילון בלבד. מנועי הבעירה הפנימית משמשים בדרך כלל כלי רכב ממונעים. הם מופיעים ברוב המכוניות, האופנועים, הסירות הממונעות, כלי הטיס וקטרי הרכבת. טיפוס מנועי הטורבינה יופיע בדרך כלל במטוסי סילון ואוניות גדולות. מנועי הבעירה הפנימית משמשים גם בתעשייה, בעיקר ביישומים נייחים, שם הם מתחרים במנועים חשמליים. מנועים חשמליים טומנים בחובם יתרונות על פני מנועי הבעירה הפנימית, אך בתחילת המאה ה-21 הם עדיין רחוקים מלהחליף את מנועי הבעירה הפנימית בכלי רכב. לחצו כדי להקטין חזרה לחצו להגדלה קיימים מספר סוגי מנועי בעירה פנימית, אשר שונים זה מזה במבנה ובחלקי המנוע. מנועי ארבע פעימות הם המנועים הנפוצים ביותר. חלקים עיקריים במנועים אלו: גל הזיזים (מופיע באיור בצבע כחול/אדום) - קובע באמצעות רצועת/שרשרת התזמון את קצב פתיחת וסגירת השסתומים. שסתומים (בכחול/אדום) - מאפשרים לתערובת להיכנס לתא הבעירה (הצילינדר), מאפשרים את פעולת הדחיסה והכוח ולבסוף את הפליטה. גל ארכובה (בסגול) - גל יציאת האנרגיה הקינטית מהמנוע. צילינדר (באפור בהיר) - תא הבעירה של הדלק. מצת (באפור כהה - בין השסתומים) - רכיב חשמלי המסוגל לייצר ניצוץ חזק, המספיק לשרפה יעילה ומהירה של התערובת. לשם כך נדרש מתח גבוה של עשרות אלפי וולט. בוכנה (בצהוב) - החלק האחראי על שאיבת התערובת, דחיסתה, המרת הלחץ שנוצר עקב השרפה לאנרגיה קינטית, ולבסוף פליטת התערובת השרופה לסעפת הפליטה. טלטל (בחום) - אחראי על סיבוב גל הארכובה, בהתאם לתנועות הבוכנה. מנועי שתי פעימות דומים בתכנונם, אך לא כוללים שסתומים וגל זיזים. מנועים אלו מתוכננים כך שהבוכנה אוטמת את שסתום הפליטה בעת דחיסה והצתה. עבור יניקת התערובת, קיים שסתום חד כיווני הנקרא "שסתום עלים", המאפשר כניסת תערובת דרך סעפת הפליטה, אך לא מאפשר את יציאתה. מכיוון שעיצוב זה גורם לכך ששסתום הפליטה והיניקה יהיו פתוחים במקביל, מתעורר הצורך באגזוז לחץ - אגזוז ההופך את כיוון גלי ההדף הבוקעים מסעפת הפליטה, וגורם להם לדחוס את התערובת שברחה לסעפת הפליטה, בחזרה לצילינדר. מנוע מודרני מכיל חלקים רבים נוספים, כגון מספר רב של מסבים, רצועת מנוע (רצועת אביזרים נלווים, רצועת המזגן), מערכות שימון וקירור במים/שמן, חיישנים, משאבות, ועוד, כאשר כל יצרן עושה שימוש בטכנולוגיות נוספות הייחודיות לו. כל מנועי הבעירה הפנימית תלויים בתהליך הבעירה שבו דלק כלשהו, בדרך כלל בשילוב עם אוויר אך לא רק, יוצר ריאקציה כימית שמספקת אנרגיה שמתורגמת לכוח ההנעה. הדלקים הנפוצים ביותר מאז תחילת המאה ה-20 עשויים מפחמימנים ומיוצרים מנפט. בין אלו ניתן למצוא את הבנזין, הסולר והגז הטבעי. יש המשערים שבעתיד, המימן עשוי להחליף את סוגי הדלק האלו. היתרון של מימן הוא שהבעירה שלו מפיקה מים בלבד, זאת בניגוד לדלק המקובל שהבעירה שלו מפיקה גם פחמן דו-חמצני – גז חממה הגורם להתחממות העולמית בכדור הארץ. בכל מנועי הבעירה הפנימית, ללא תלות בסוג הדלק, נדרשים אמצעים להציתו כדי לגרום לבעירה. רוב המנועים עושים שימוש במצת חשמלי או בהצתה בעזרת לחץ דחיסה. מערכות הצתה חשמליות נעזרות במצבר וסליל מושרה כדי לספק מתח גבוה שמצית את תערובת הדלק אוויר בחלל הצילינדר. המצבר נטען מחדש תוך כדי פעולת המנוע בעזרת מחולל זרם חילופין (אלטרנטור) שמופעל בכוח המנוע. מערכות הצתה בעזרת לחץ דחיסה עושות שימוש בחום שכבר נמצא ממילא בתא השרפה כדי להצית את הדלק המוזרק. לאחר ההצתה, תוצרי הבעירה אוצרים בתוכם יותר אנרגיה זמינה משהייתה בתערובת האוויר דלק הדחוסה (שהייתה בעלת אנרגיה כימית גבוהה יותר). אנרגיה זו באה לידי ביטוי בטמפרטורה ובלחץ גבוהים שמתורגמים לעבודה על ידי המנוע. במנועי בוכנה למשל, הבעירה יוצרת גזים בלחץ גבוה בחלל הצילינדר והם דוחפים את הבוכנה. לאחר שהאנרגיה נוצלה, הגזים החמים הנותרים מוצאים החוצה דרך שסתום או פתח הפליטה והבוכנה חוזרת למצבה ההתחלתי, המכונה נקודה מתה עליונה (נמ"ע). הבוכנה ממשיכה משם לשלב הבא (המשתנה מטיפוס מנוע אחד לשני). כל תוצר של חום שלא תורגם לעבודה, הוא למעשה תוצר מבוזבז, והוא מטופל בעזרת מערכת קירור (מבוססת מים, אוויר ובשיטות אחרות). ישנם סוגים רבים של מנועי בעירה פנימית, המתאימים לסוגי יישומים שונים. בדומה, יש גם דרכים רבות לסווג את מנועי הבעירה הפנימית, שחלקם מופיעים להלן: מנועים המבוססים על מחזור שתי פעימות מפיקים שתי פעימות לכל פעימת כוח, ונמצאים בשימוש בקטנועים, מכסחות דשא, סירות קטנות ובמעט אופנועים. מנועים אלו בדרך כלל רועשים יותר ובעלי נפח קטן. מנועים מבוססי מחזור ארבע פעימות (המכונה גם מחזור "אוטו") מפיקים ארבע פעימות לכל פעימת כוח, ונמצאים בשימוש במכוניות, אופנועים, סירות גדולות וכלי טיס. הם בדרך כלל שקטים יותר ובעלי נפח גדול בהשוואה למנועי שתי הפעימות. ישנן מספר וריאציות נוספות על מחזור ארבע פעימות הנמצאות בשימוש מועט יחסית. הבולטות מביניהן ידועות בשם מחזור מילר ומחזור אטקינסון. מנועי דיזל נחשבים דומים למנועי ארבע פעימות, אך בתוספת מערכות להצתה על ידי דחיסה ניתן לסווגם כמנועים בעלי מחזור פעולה שונה. מנועי דיזל עושים שימוש בדלק מסוג סולר. בהשוואה למנועי הבנזין, מנועי דיזל הם בדרך כלל כבדים, רועשים, חזקים יותר בסל"ד נמוך ויעילים יותר בצריכת הדלק. הם משמשים כלי רכב, משאיות, אוניות, קטרים, וציוד תעשייתי כבד. מנועי בנזין משמשים את רוב כלי הרכב, כולל מכוניות, אופנועים וקטנועים. הם עושים שימוש בבנזין ברמות זיקוק שונות. מנועים אחרים עושים שימוש בסוגי דלק כגון מימן, גז טבעי נוזלי ותחליפי סולר המבוססים על שמנים צמחיים (ביו דיזל). מנועי הבעירה הפנימית יכולים להכיל כל מספר של צילינדרים כאשר מספר של אחד עד עשרים נחשב לנפוץ. הגדלה במספר הצילינדרים עוזרת להגדיל את כוח המנוע אך משמעותה מנוע גדול יותר וצריכת דלק פחות יעילה. רוב מנועי המכוניות הם בעלי ארבעה עד שמונה צילינדרים, בעוד מספר מכוניות יקרות עשויות להגיע גם ל-12, ומספר מכוניות קטנות ישתמשו בשלושה בלבד. בעבר היו נהוגים מנועים רדיאליים במטוסים והם היו מורכבים מחמישה עד 20 צילינדרים. שורה אחת תמיד הכילה מספר אי זוגי של צילינדרים, כך שמספר זוגי מקורו בשתיים או ארבע שורות. מנועי אופנועים מורכבים בדרך כלל מאחד עד ארבעה צילינדרים, עם מספר חריגים המורכבים משישה. מנועי מכשירים קטנים כגון מכסחות דשא ומסורי שרשרת מורכבים בדרך כלל מצילינדר אחד. ניתן לסווג מנועי בעירה פנימית בהתאם למערכת ההצתה. בתחילת המאה ה-21 נפוצות מערכות הצתה חשמליות בעזרת מצת או מערכות הצתה בעזרת חימום על ידי דחיסה. בעבר היו נפוצות גם מערכות של להבה חיצונית או שפופרת חמה. ניתן לסווג מנועי בעירה פנימית בהתאם לתצורתו. סידורים נפוצים הם סידור בשורה, סידור בתצורת V, או סידור שטוח המכונה בוקסר. מנועי מטוסים יכולים להיות מסודרים בתצורה מעגלית (רדיאלית). סידורים אחרים פחות נפוצים הם סידורים בצורת W, X ו-H. סידור הצילינדרים במנוע, משפיע רבות על אופי המנוע, בתחומים כגון גודל פיזי, משקל, אפשרות לקירור ופיזור החום, עלות הייצור, כמות הויברציות המתקבלות, ועוד. היצרנים בוחרים את סידור הצילינדרים האופטימלי, בהתאם לייעוד כלי הרכב. כך לדוגמה, ברוב המכוניות ניתן למצוא מנועי ארבעה צילינדרים בתצורה שטוחה, התופסים מעט מקום, שוקלים מעט, וזולים לייצור ולתחזוקה. מנועים אלו מיועדים לשימוש ברחוב, ולא למרוצים או מאמצים קשים, ולכן אין בהם צורך בתצורה שתאפשר פיזור חום יעיל יותר. לעומת זאת, יצרנית האופנועים הרלי-דייווידסון, בחרה דווקא במנוע בתצורת V לאופנועים שלה, בשל המראה שמנוע מסוג זה מקנה, ובשל הויברציות המאפיינות את האופנועים מתוצרת החברה. תצורת מנוע נדירה יחסית היא כזאת שבה יש יותר מגל ארכובה אחד והצילינדר הוא בעל שני פתחים לשתי בוכנות הנעות זו מול זו, ללא ראש צילינדר. תצורה זו שימשה בעבר במטוסים, קטרים ועדיין משמשת בכלי שיט. נפח המנוע הוא החלל דרכו עוברות הבוכנות בפעימה אחת. הנפח נמדד בדרך כלל בסמ"ק או בליטרים. מנועים גדולים הם בדרך כלל חזקים יותר, ומספקים מומנט גבוה יותר בסל"ד נמוך יותר אך גם צורכים יותר דלק. חישוב הנפח מתבצע על ידי מכפלה של מהלך הבוכנה כפול שטחה כפול מספר הצילינדרים. מהלך הבוכנה מוגדר כדרך אותה הבוכנה עוברת מהנקודה העליונה אליה מגיעה הבוכנה (נקודה מתה עליונה - נמ"ע), עד לנקודה התחתונה ביותר (נקודה מתה תחתונה - נמ"ת). שטח הבוכנה מחושב על פי קדח הבוכנה, כלומר מחצית הקדח בריבוע כפול פאי (כפול "מהלך"). מעבר להגדלת מספר הצילינדרים, ניתן להגדיל נפח מנוע בעזרת הגדלה של מהלך הבוכנה או קוטרה. צעד כזה דורש התאמה של מערכות מנוע אחרות כדוגמת מערכת אספקת תערובת הדלק והאוויר, כדי להבטיח ביצועים אופטימליים. נפחי המנוע המוצהרים על ידי היצרנים הם לעיתים קרובות מעוגלים, כך שלמשל מנוע בן 1,453 סמ"ק עשוי להיקרא 1,500. במדינות שונות לנפח המנוע יש השפעה על מיסוי הרכב שבו מותקן המנוע. עקב כך, בתכנון מנוע מובאים בחשבון גם שיקולי מיסוי, כך שיתאפשר שיווק מכוניות שחל עליהן מיסוי נמוך. בהתאם לכך ניתן למצוא מנוע שנפחו דווקא 1,999 סמ"ק, משום שב-2,000 סמ"ק מתחילה מדרגת מיסוי גבוהה יותר. בישראל דבר זה כבר לא קיים, אך לנפח המנוע באופנועים ישנה השפעה על מחירי הביטוח כך שלאופנוע עד 250 סמ"ק הביטוח יהיה מוזל מאופנוע בעל נפח מנוע מעל 250 סמ"ק. כל מנועי השרפה הפנימית נתונים בהתאם לתצורתם באופן תאורטי למגבלת יעילות עבודה עליונה. יעילות עליונה זו מושגת רק על ידי מכונת קרנו התאורטית. סוג נדיר יחסית של מנוע שרפה פנימית משתמש בתנועת בוכנה סיבובית במקום תנועה אורכית ובכך משיג יעילות עבודה גבוהה יחסית. מנוע זה מכונה מנוע ונקל. מנוע המי מנוע תא להט HCCI מנוע בעירה חיצונית כיצד עובד מנוע בעירה פנימית, עם אנימציה (באנגלית) technology/intermittent-combustion-engine מנוע בעירה פנימית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) מנועי בעירה פנימית, דף שער בספרייה הלאומית