יניקה, דחיסה, פיצוץ, פליטה
בתוך המנוע של מכונית, גוש מתכת שנקרא בוכנה מחליק למעלה ולמטה בתוך צינור סגור, הצילינדר, פעמים רבות בכל שנייה. טלטל מחבר אותה לגל ארכובה, שהארכובה שלו, הבולטת הצידה מהציר, הופכת את התנועה למעלה ולמטה לסיבוב, כמו שהרגל שלכם מסובבת דוושה של אופניים. משקולת איזון בצד השני של הארכובה מאזנת את התנופה.
מנוע בנזין חוזר על ארבעה שלבים, שנקראים פעימות, וכל אחד מהם נמשך חצי סיבוב של הארכובה:
- יניקה. הבוכנה יורדת כששסתום היניקה פתוח, ושואבת פנימה אוויר עם רסס דק של בנזין.
- דחיסה. שני השסתומים נסגרים, והבוכנה העולה דוחסת את התערובת לתוך מרחב קטן בראש הצילינדר.
- עבודה. המצת יורה ניצוץ. התערובת בוערת בהבזק, הלחץ שלה מזנק, והיא דוחפת את הבוכנה למטה בכוח.
- פליטה. שסתום הפליטה נפתח, והבוכנה העולה דוחפת את הגז השרוף החוצה.
כלומר, שני סיבובים של הארכובה על כל פעימת עבודה. זיזים בצורת ביצה לוחצים על כוסות הרמה ודוחפים את השסתומים ופותחים אותם, נגד הקפיצים שלהם; גלי הזיזים מסתובבים בחצי ממהירות הארכובה, ולכן כל שסתום נפתח פעם אחת בכל שני סיבובים.
מנוע בחתך
המנוע בהדמיה חתוך באמצע, כמו המנועים החתוכים שמציגים במוזיאונים ובבתי ספר למכונאות, ופני החתך צבועים באדום. הצילינדר קדוח בתוך גוש מנוע מברזל יצוק, ומסביבו מעטפת קירור שבה זורם נוזל קירור שלוקח את החום. ראש צילינדר מאלומיניום סוגר אותו מלמעלה. המעברים המעוקלים שבו מובילים את התערובת פנימה ואת גזי הפליטה החוצה, וכל אחד מהם נאטם בשסתום שיושב על טבעת קשה, מושב השסתום. טבעות בוכנה בחריצים מסביב לבוכנה אוטמות אותה מול דופן הצילינדר, ופין בוכנה חלול מחבר אותה לטלטל. המבודד הקרמי הלבן של המצת מונע מהמתח הגבוה שלו לדלוף אל המתכת שסביבו. הפעילו את תוויות כדי לראות את שמות החלקים.
לחץ כפול נפח הוא עבודה
כשגז דוחף בוכנה, העבודה שהוא עושה היא הלחץ שלו כפול השינוי בנפח שהבוכנה עוברת בתנועתה. שרטטו את לחץ הגז מול נפח הצילינדר לאורך כל ארבע הפעימות, ותקבלו לולאה סגורה. השטח שבתוכה הוא העבודה שהגז עשה על הבוכנה במחזור אחד.
בזמן הדחיסה הבוכנה עושה עבודה על הגז; אחרי הניצוץ, הגז החם, בלחץ גבוה בהרבה, מחזיר הרבה יותר בדרך למטה. ההפרש, השטח המוצלל, הוא מה שמסובב את הגלגלים. מתחת ללולאה הזאת יושבת לולאה דקה ושטוחה שמסתובבת בכיוון ההפוך: העבודה שהבוכנה משקיעה בנשימה, כשהיא שואבת תערובת טרייה פנימה ודוחפת את גזי הפליטה החוצה.
נסו: בחרו פועל תחת שרטוט לולאת לחץ–נפח, ואז העבירו את המצערת (לחץ יניקה) מ־30 kPa עד 100 kPa. הלולאה הגבוהה גדלה, ולולאת השאיבה שבפינה מתכווצת.
כל מחזור עושה בערך אותה עבודה בכל מהירות, ולכן ההספק, העבודה שנעשית בכל שנייה, עולה בקצב אחד עם מהירות המנוע. כשהמצערת פתוחה למחצה, ב־2,000 סיבובים לדקה, הצילינדר הזה עושה כ־370 ג’ול בכל מחזור ומשלים כ־17 מחזורים בשנייה, כלומר בערך 6 קילוואט. במנוע של ארבעה צילינדרים יש ארבעה כאלה.
איך המצערת עובדת
דוושת הגז פותחת דש, המצערת, בפתח שדרכו נכנס האוויר. כשהיא כמעט סגורה, היא מכניסה אוויר לאט, ולכן הלחץ בסעפת היניקה יורד הרבה מתחת ללחץ האוויר שבחוץ. כל פעימת יניקה ממלאת אז את הצילינדר באוויר דליל יותר, המזרק מוסיף דלק בהתאם, וכל הלולאה מתכווצת. הבוכנה גם צריכה למשוך נגד תת־הלחץ הזה, ולכן מנוע מבזבז חלק גדול יותר מהדלק שלו כשהוא פועל בסרק מאשר כשהוא עובד קשה.
למה לדחוס קודם?
יחס הדחיסה הוא פי כמה קטן נפח הגז בראש המהלך מאשר בתחתיתו. ככל שדוחסים את התערובת יותר, כך היא מתפשטת יותר אחרי הבעירה, וחלק גדול יותר מהחום שלה הופך לעבודה לפני ששסתום הפליטה נפתח. במחזור האידאלי, החלק של החום שהופך לעבודה הוא
1 − r^(1−γ),
כאשר r הוא יחס הדחיסה ו־γ, כ־1.4 באוויר, מתאר כמה הגז מתחמם כשדוחסים אותו. יחס של 10 נותן 60 %; יחס של 6 נותן 51 %; יחס של 14 נותן 65 %. מנועי בנזין נעצרים בערך ב־10 עד 13, כי דחיסה חזקה יותר מחממת את התערובת מספיק כדי שתתפוצץ מעצמה לפני הניצוץ, דטונציה שגורמת נזק. מנועי דיזל מנצלים את התופעה הזאת בכוונה: הם דוחסים אוויר בלבד פי 15 עד 20, ואז מרססים פנימה דלק שניצת מהחום.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
זהו מחזור אוטו האידאלי, מודל של ספרי הלימוד, ולא מנוע שנמדד. בעירה אמיתית נמשכת כמה אלפיות שנייה, ולכן שיא הלחץ נמוך ומעוגל יותר; חום בורח אל מי הקירור; החיכוך ומשאבות השמן והמים לוקחים את חלקם; ושסתומים אמיתיים נפתחים מוקדם ונסגרים מאוחר כדי לעזור לגז לזרום, כמו בזיזים המצוירים, אבל הלחצים כאן מתעלמים מזה. כל אלה יחד מורידים את הנצילות של מנוע אמיתי לכ־30 עד 40 % במקרה הטוב. המודל גם מוסיף כמות קבועה של חום לכל קילוגרם של תערובת, כשני שלישים ממה שהדלק מכיל, כהערכה גסה של ההפסדים האלה. התנועה מוצגת לאט פי 60 מהמציאות, צבעי הגז נועדו להמחשה ואינם מה שהייתם רואים, ורק צילינדר אחד מצויר.