3 צילינדרים, בוקסר או V6: המדריך לתצורות המנוע

מנוע טורי / בוכנות בקו ישר

התצורה הנפוצה ביותר למכוניות בעולם כיום היא תצורת המנוע הטורי, ובו הבוכנות, לרוב ארבע במספר, מסודרות בטור ישר אחד. הסידור הפשוט של הבוכנות, בעיקר כשיש שלוש או ארבע כאלה, מאפשר בניית מנוע קטן לאורכו ולרוחבו, ובכך הוא תופס מעט מקום בתא המנוע. קוטנו מאפשר גמישות למהנדסים ולמעצבים בהתקנה שלו. כך, למשל, אפשר להתקינו לאורך או לרוחב. 

יתרון ברור נוסף, שנובע מהפשטות, היא כי המנוע זול ופשוט לפיתוח וייצור וגם נחשב לאמין מאוד. כללית, זוהי תצורה של מנוע מרוסן ונעים, אבל הקפיצות הלא-אחידות מעלה-מטה יוצרות רעידות שדורשות מעט איזון. חסרון נוסף של המנוע הזה הוא גובהו הרב, יחסית, דבר שדורש תא מנוע גבוה יחסית. היות שכך, יש מי שפיתחו מנועים כאלה המוטים מעט על צידם (slant engine), כמו קרייזלר וסאאב.

את מנועי הארבע בוכנות נמצא במרבית המכוניות המשפחתיות, הקרוסאוברים הקומפקטיים הפופולריים ואפילו במכוניות קטנות או גדולות יותר. מנועי שלושה צילינדרים בטור, קטנים, יעילים ונוחים להתאמה, הולכים ונעשים פופולריים בשנים האחרונות ואפשר לראות אותם אצל רוב היצרנים הגדולים כיום, למשל בדגמים שונים של יונדאי-קיה, קבוצת פולקסווגן ופיג'ו-סיטרואן. אפילו ב.מ.וו עוברת למנועי 3 צילינדרים בשנים האחרונות.

האפשרות להתאים למנוע הקטן טכנולוגיות חיצוניות כמו מגדשי טורבו, מאפשרת כיום להפיק הרבה כוח ועדיין ליהנות מהיתרונות הקומפקטיים של המנוע הזה. את הצלילים של המנועים הגדולים קשה יותר לשחזר באופן כזה.

הסידור הפשוט והיעיל מזמין ייצור של גרסאות כוחניות יותר של המנוע הטורי, עם יותר מ-4 צילינדרים, אבל אז המנוע הופך להיות ארוך יותר, ובמקרה של למעלה מ-6 בוכנות - ארוך במיוחד. אצל ב.מ.וו, ניסאן ואחרים, בחרו להשתמש במנועי שישה צילינדרים בטור ואלו זכו בלא מעט פרסים ומירוצים. תצורת שמונה צילינדרים בטור היתה נפוצה בארה"ב בתקופות מסוימות שבהן מכונית עם סיפון בממדים של רצפת ייצור לא באמת הפריעה למישהו.

יתרונות: מנוע צר וקומפקטי, קל להתאמה בתא המנוע, קל, זול ופשוט לבנייה ולתפעול.

חסרונות: מבנה גבוה, מרכז כובד גבוה, רעידות מעלה-מטה, ארוך מאוד בתצורה חזקה ומרובת בוכנות.

מנוע בתצורת V / בוכנות מסודרות בשני טורים עם זווית ביניהם

כדי ליצור את המנוע הטורי הפשוט והקומפקטי בנפח גדול, הוא נאלץ להימתח לאורך. אז הוא לא רק פחות קומפקטי, אלא שאורכו מתחיל להיות אתגר אמיתי למהנדסים. מנוע ה-V הראשון פותח בידי וילהלם מייבאך הגרמני ויוצר בידי גוטליב דיימלר. המנוע הזה רחב יותר מהטורי-הצר, אבל כך אפשר לדחוס שישה צילינדרים במנוע קצר יותר ממנוע 4 צילינדרים טורי. אפילו דחיסת שמונה צילינדרים בתצורה הזו אינם גובים מקום רב בתא המנוע. כך תצורת ה-V יעילה מאוד בכמות הכוח שאפשר לדחוס מתחת למכסה המנוע.

יתרונות נוספים לתצורת ה-V נמצאים בריסון טוב יותר של הרעידות מעלה-מטה, אם כי כאן נדרש יותר איזון בתנועה הרוחבית, דבר שמטופל בטכנולוגיות תואמות. המנוע גם נמוך יותר ממנוע ה-I ובכך הוא תופס פחות מקום לגובה וגם נהנה ממרכז כובד נמוך יותר, יתרון מובהק במכוניות ספורטיביות שיכולות להיות מאוזנות ומדויקות יותר בהתנהגות שלהן.

אבל יש גם חסרונות בולטים לתצורת ה-V. הדחיסות הזו של הבוכנות פוגמת משמעותית ביכולת הצינון העצמי של המנוע, דבר שדורש לעתים פתרונות מורכבים יותר. נוסף על כך, כפל הטורים במנוע תופס הרבה יותר מקום לרוחב וגם דורש הכפלה של רכיבים מכאניים רבים תחת שני ראשי מנוע. כל אלו גורמים לכך שמנועי V6 קלים יותר להתאמה בתא המנוע, אבל בתמורה הרבה יותר מסובכים, מורכבים ויקרים לייצור ולא פחות מכך, מסורבלים לתפעול שוטף ולתיקונים.

תצורת ה-V במנוע נפוצה אם כך במכוניות שבהן הכוח והתכנון המדוקדק חשובים הרבה יותר מפשטות ואמינות, או מקלות טיפולים. אפשר למצוא אותה במכוניות קטנות וחזקות, גדולות ועוד-יותר-חזקות וגם במכוניות ספורט ומכוניות-על, שבהן במרכב קטן יחסית צריך לדחוס כמה שיותר בוכנות וכוח. גם אופנועים, כמו הארלי דייווידסון, נהנים מהתצורה הזו, שבמקרים האלה גם נראית נהדר - שני צילינדרים מסודרים האחד בזווית לשני.

לרוב מספר הצילינדרים זוגי, בחלוקה מאוזנת של שני טורי הצילינדרים, אולם בעבר נבנו כמה אופנועי מירוץ עם מנוע V3, שבו נדחס נפח רב לתצורה קטנה מספיק כדי להתאים למבנה האופנוע. כיום אפשר למצוא תצורות V מ-2 ועד ל-24 צילינדרים.

יתרונות: הרבה כוח בשטח קטן, מרכז כובד נמוך, ריסון טוב של תנודות המעלה-מטה

חסרונות: מורכב ויקר לייצור, מורכב ויקר לתפעול ותיקון

מנוע בתצורת W / ארבע שורות בוכנות המחוברות לגל ארכובה אחד

מי שלא מכיר את השפה העברית נאלץ להשתמש באות W הלא-מדויקת לתיאור המנוע הזה. האות העברית ש מתאימה יותר, אבל זו שיש לה ארבע זרועות, כמו ה-ש' שעל התפילין. אפשר להגדיר מנוע בתצורת W כשני מנועי V המחוברים בבסיס שלהם לגל ארכובה* אחד (*גל הארכובה הוא הרכיב שהופך את התנועה הקווית של הבוכנות לתנועה הסיבובית הנדרשת לגלגלים).

מדוע לחבר שני מנועי V במקום אחד? נלמד מצמד המלים הכי נפוץ של ג'רמי קלארקסון: "עוד כוח!". אם רוצים לדחוס הכי הרבה נפח מנוע (וכוח) לאורך ונפח סביר בתא המנוע, יש מי שמאמין שתצורת ה-W היא היעילה ביותר. 

התצורה הזו מעצימה את היתרונות וגם את החסרונות של תצורת ה-V. ניתן לדחוס כמות עצומה של כוח, מרוסן היטב, בממדים קומפקטיים מאוד, יחסית, וזאת בתוך מנוע מסובך ויקר במיוחד, לפיתוח, ייצור ותפעול. אם נדרשת עוצמה גדולה במיוחד בתוך שטח מוגבל, זהו הפתרון. אגב, בתקופה הנאצית, דיימלר-בנץ חיברו שני מנועי V12 זה לזה דרך גל ארכובה אחד והשיגו מנוע מפלצתי במיוחד (נפח של 46,500 סמ"ק, הספק קרוב ל-3,000 כ"ס), אבל הזוויות בין ארבע שורות הבוכנות לא דימתה אותו לאות W (או ש') אלא לאות X.

יתרונות: המון כוח בשטח קטן, אם הוא בנוי נכון - ריסון מעולה של התנודות.

חסרונות: מורכב, מסובך ויקר במיוחד לתכנון, בנייה, תפעול ותיקון.

מנוע שטוח, בוקסר / שתי שורות בוכנות, אחת מול השנייה בזווית 180 מעלות

הצליל הייחודי של מנוע הבוקסר עומד מאחורי תצורה שונה מהמקובל. יש מי שהפריעו לו במיוחד גובה המנועים הטוריים ומנועי ה-V, וגם הרעידות שלהם. את המנוע לא המציא בסובארו וגם לא בפורשה או בפולקסווגן.

קארל בנץ בכבודו ובעצמו המציא ב-1896 את המנוע השטוח, בשם "קונטרה", שבו הבוכנות נעות על מפלס אחד שטוח, זו מול זו. המנוע נקרא "בוקסר" בשל אופי התנועה של ארבע הבוכנות, שנראה כמו תנועת הידיים של מתאגרפים.

מטבעו, מנוע שבו שתי שורות של בוכנות נעות בכיוונים מנוגדים, הוא מנוע רחב מאוד יחסית, אולם לרוב זו לא בעיה בתא מנוע. המאפיין השני במבנה הוא גובהו הדל-במיוחד של המנוע. מדובר ביתרונות גדולים הן עבור מי שמחפש עיצוב פרופיל רכב נמוך וגמיש וכן עבור מי שמחפש מרכז כובד נמוך במיוחד. זהו, בלי ספק, אחד התבלינים הסודיים של יכולות פורשה עתירות השנים והמוניטין. 

מרכז הכובד הנמוך של מנוע הבוקסר הוא גם אחת הסיבות לאופי המיוחד של דגמי סובארו, בעיקר פורסטר, XV וגרסאות הראלי של האימפרזה לדורותיהן: המרכב הוגבה יותר מהמקובל לשם הרחקת הרצפה מהאבנים והבורות ובמקביל לא הוקרב קורבן של מרכז כובד גבוה והרכב נשאר מאוזן ויציב במיוחד, בכביש ובשטח. מבנה המנוע הפתוח גם מקל מאוד את צינון הבוכנות וכן את הגישה לטיפול ותיקון.

יתרונות: מרכז כובד נמוך, מנוע מאוזן ונעים, קל מאוד לצינון ולתפעול.

חסרונות: שני ראשי מנוע מייקרים את ייצורו על פני מנוע טורי. רוחבו עשוי להקשות את תכנון תא המנוע.

מנוע רוטורי "ואנקל" / פעולה סיבובית בתוך תא בעירה אחד

כמה יכול היה להיות פשוט, לו במקום כל תצורת הגלילים/בוכנות המסובכת, אפשר היה פשוט ליצור את כל הכוח בתוך תא בעירה אחד… מהנדס גרמני בשם פליקס ואנקל פיתח משנות העשרים ועד לשנות החמישים (עם הפוגה ארוכה במלחמת העולם השנייה) מנוע בתצורה ייחודית שעונה בדיוק על משאלת הלב הזו. 

כל פעילות שריפת הדלק וייצור הכוח במנוע מתרחשת בתוך תא הבעירה האחד ובתוכו מסתובב רוטור, רכיב דמוי-משולש מרכזי שנע בתנועה סיבובית, רוטורית (מכאן שמו, מנוע רוטורי). עם סיבוב הרוטור נפתחים ונסגרים אזורים בתוך תא הבעירה, שבהם מתרחשת הפעילות המוכרת ממנועי בעירה פנימית: יניקה, דחיסה, הצתה ופליטה. 

המנוע הגאוני הצליח לייצר ביעילות מרשימה כמויות גדולות של כוח מנפחים קטנים מאוד, וממבנה פשוט (לפחות לכאורה), שגם שומר על איזון, ריסון ושקט. עם זאת, הוא סבל מראשית דרכו ועד היום מהקושי הגדול לייצר איטום יעיל ועמיד של אזורי הבעירה תוך כדי פעולת המנוע, וכן מצריכת דלק גבוהה יחסית. המורכבות הזו גרמה לכך שכמעט אף יצרן לא השתמש בטכנולוגיה. 

בתחילת הדרך ייצר NSU הגרמני (לימים אודי) מכוניות עם מנועים רוטוריים ויצרני האופנועים נורטון וסוזוקי ניסו את כוחם עם הטכנולוגיה גם כן. לאחר מכן, בתחום המכוניות, הטכנולוגיה הופיעה כמעט אך ורק אצל מאזדה, שייצר מכוניות ספורט מונעות מנועי ואנקל, בעיקר RX7 ו-RX8 שייצורה הופסק בתחילת העשור הנוכחי. לאחרונה נשמעים ממאזדה שמועות וקולות על כוונה לחזור לייצור של מנועים כאלה.

מנוע הוואנקל, נכון להיום, הוא דוגמה טובה, וגם קצת עצובה, על טכנולוגיה מבריקה ומהפכנית על הנייר, שלא עומדת במבחן המציאות הגס. האם יצליחו להפוך את המנוע הזה לרלוונטי לפני שמנועי הבעירה הפנימית יאבדו מהעולם? אני בספק.

יתרונות: מנוע קטן, מרוסן ושקט שמייצר המון כוח. תפישה פשוטה וגאונית

חסרונות: בעיות איטום בתוך תא הבעירה, צריכת דלק ופליטות מזהמים גבוהות

למאמר זה התפרסמו 6 תגובות