שתי שיטות חדשות להגדשת מנועים עושות את דרכן אל מתחת למכסה המנוע שלנו
כ-130 שנים לאחר שהחל השימוש השגרתי במגדשי טורבו, וכתוצאה מטכנולוגיה שפותחה עבור מירוצי פורמולה 1, עתיד מגדש הטורבו הוותיק והטוב לקבל תפקיד חדש, וחיים חדשים: ייצור חשמל ואספקת אנרגיה למערכות היברידיות. במקביל, גם מגדש-העל, יריבו הוותיק של מגדש הטורבו, עובר מטהמורפוזה שתתאים אותו טוב יותר לשימוש במכוניות העתידיות שלנו.
בסוף השבוע האחרון חשפה מרצדס במירוץ הפורמולה 1 בספרד את "יחידת ההנעה" החדשה שלה, שפותחה בהתאם לתקנות החדשות של סדרת הפורמולה 1 לשנת 2014, וזו כוללת בין השאר את מערכת ה-"motor generator-heat" שמאפשרת חסכון של כ-30% בתצרוכת הדלק (יחסית למנועי העונה הקודמת). אנשי מרצדס, כמו גם רנו ויצרנים אחרים שמעורבים בספורט מוטורי, מצהירים שהטכנולוגיה החדשה, אשר פותחה כדי להתאים לתקנות המירוצים, עושה את דרכה במהירות גם אל המכוניות שלהם מייצור סדרתי.
ואכן, במקביל לתפוצה הגדלה והולכת של מגדשי טורבו בתפקיד הקונבנציונלי שלהם במנועי בעירה פנימית שוקדים כעת כל יצרני הרכב על פיתוח הדורות הבאים של הגדשת מנועים.
טורבו ידידי הטוב
הגדשת טורבו מנצלת את זרם גזי הפליטה מן המנוע כדי להפעיל טורבינה, וזו מחוברת באמצעות ציר אל מדחס שיונק אוויר ודוחס אותו בכח לסעפת היניקה של המנוע. דחיסת האוויר מאפשרת לשרוף יותר דלק ביעילות רבה יותר בכל מחזור פעולה של המנוע, וכך מעלה את ההספק שלו. הרעיון התיאורטי יכול היה להיות מושלם לולא נתקל הטורבו בכמה מגבלות פיזיקליות כמו ההיווצרות של חום רב, העומסים הגדולים שהוא יוצר בתוך המנוע וגם "השהיית הטורבו" המפורסמת, אשר נגרמת כתוצאה מכך שרוב המנועים לא פועלים בסל"ד קבוע אלא במהירויות סיבוב עולות ויורדות.
כדי לפתור חלק מן הסכנות לשלום המנוע מותקן בין המדחס לסעפת היניקה שסתום עודפים (waste gate) שדרכו מתבזבזת אנרגיה עודפת. בעיית "השהיית הטורבו", לעומת זאת, נפתרת במידה רבה באמצעות שתי שיטות שונות, ולמען האמת די מסובכות. שיטה (ותיקה) אחת, שהתגלתה כמורכבת ולא מספיק אמינה בינתיים, היא שילוב בין מגדש טורבו לבין מגדש-על ("סופר-צ'ארג'ר") אשר מקבל את כוחו מן המנוע עצמו. הרעיון טוב, אבל כאמור לא מספיק אמין בינתיים וכנראה גם יקר מידי לייצור סדרתי.
שיטה אחרת היא ריבוי מגדשי טורבו, כלומר שילוב של מגדשים קטנים שיעילים בסל"ד נמוך עם מגדשים גדולים שנדרשים לסל"ד גבוה יותר כדי להתחיל לזוז. גם זה רעיון נחמד, ב.מ.וו. (ויצרניות נוספות) משלבת שני מגדשים ואפילו שלושה, אבל גם כאן הפתרון יקר יחסית ודי מורכב.
הפורמולה המנצחת
השנה, לאחר כמעט שבע שנות קיפאון בתקנות המנועים, עוברת סידרת מירוצי פורמולה 1 את אחת המהפכות הגדולות בתולדותיה.
מנועי ה-V8 בנפח 2.4 ליטר מוחלפים במה שזכה לכינוי "יחידות כח", ללמדך שהמנוע לכשעצמו כבר לא נחשב לגורם הבלעדי להנעת המכונית. בלב "יחידת הכח" פועם מנוע V6 מוגדש טורבו בנפח 1.6 ליטר בלבד, אולם לצידו מותר כעת השימוש ביחידה היברידית לאיסוף חשמל ושימוש בו.
במקביל צומצמה בשליש קיבולת הדלק המותרת לנשיאה על המכונית והיא עומדת כעת על 100 ליטרים בלבד, כך שהאתגר של מהנדסי המנועים הוא להשיג את אותם הספקי מנוע (סביב 750 כ"ס) על בסיס יחידת כח קטנה שצורכת 30-40% פחות דלק.
הרעיון ההיברידי מתקיים בפורמולה 1 במידה מסוימת כבר משנת 2009, תחת מגבלות שונות, ושודרג שוב בשנת 2011, אך בשני המקרים "הולבשו" היחידות ההיברידיות על תצורות המנוע הקיימות. לקראת 2014 החלו יצרני המנועים לפתח ממסך מחשב ריק את "יחידות הכח" שלהם, והמגבלות על המערכת ההיברידית השתנו וצומצמו. כך אנחנו מקבלים שתי מערכות שאוספות אנרגיה עודפת – האחת מן הבלמים והאחרת מן המנוע.
ובחזרה לטורבו: צמד המילים " waste gate", בעידן שבו כל מהנדס שוקד על ניצול כל טיפת אנרגיה, נשמע כמו חילול הקודש. לכן, במקום לאפשר לאנרגיה טובה להתבזבז דרך שסתום, מותקן מעתה גנרטור חשמלי על הציר שבין הטורבינה למדחס. כאשר הטורבינה מגיעה למהירויות סיבוב גבוהות מידי לוקח הגנרטור חלק מן האנרגיה העודפת, ומייצר באמצעותה חשמל שנאגר בסוללה יחד עם החשמל שאוספים הבלמים.
מכאן ואילך מתחולל קסם נוסף, אשר מנצל את יכולתו של החשמל לזרום לשני הכיוונים, ויכולת הגנרטור להפוך למנוע: בסל"ד נמוך מאיץ הגנרטור הנ"ל את מהירות הסיבוב של הטורבו. במילים אחרות, כאשר לחץ הגזים בסעפת הפליטה של המנוע גבוה, והטורבינה מסתובבת מהר מידי, חלק מן האנרגיה מגדישה את מנוע הבעירה הפנימית וחלק ממנה מנוצל להפקת חשמל. אבל כאשר סל"ד מנוע הבעירה הפנימית צונח, ואיתו גם לחץ הגזים בסעפת הפליטה, שמתקשה לסובב את הטורבינה (וזה מה שגורם ל"השהיית טורבו") – נכנס לפעולה הגנרטור בתפקידו כמנוע חשמלי ומסובב בעצמו את המדחס.
לחץ האוויר בסעפת היניקה נותר גבוה גם כאשר מגדש הטורבו לא יכול לספק אותו, וברגע שהנהג לוחץ שוב על דוושת המצערת הוא מקבל מהר יותר כח מנוע זמין.
כך נופלות שדודות שתי ציפורים במכה אחת: אין השהיית טורבו, ואין צורך בפתרונות המסובכים האחרים שנועדו למנוע אותה (וזאת, כמובן, בהנחה שהפתרון הזה יתגלה כפחות מסובך ויותר אמין…).
נכון להיום, ההערכה היא שבזירת הפורמולה 1 חוסך הפתרון הזה כשליש מתצרוכת הדלק של מנועים, וזהו נתון פנטסטי. אם ניתן יהיה לייצר מערכת "אזרחית" שתחסוך אפילו 5-10% מתצרוכת הדלק, ואם המחיר שלה יהיה סביר ורמת האמינות גבוהה מספיק – די בטוח שהיא תאומץ מהר מאד על-ידי תעשיית הרכב. ב.מ.וו, למשל, כבר נמצאת בשלבי פיתוח מתקדמים של טורבו-גנרטור שיותקן בין הטורבינה למדחס ויוצג, כך אומרות השמועות, כבר ב-M3 הבאה.
אגב, יכול להיות שבמכוניות סדרתיות תהיה בעתיד פחות חשיבות להגדשה חשמלית של המנוע בסל"ד נמוך. אבל גם במקרה כזה יש עדיין מקום לטורבו-גנרטור, היות שהוא יכול לספק אנרגיה למערכת היברידית קונבנציונלית.
הסופר-צ'ארג'ר עוד יגדוש
גם הגדשת-העל, שיטת ההגדשה שמתחרה באופן מסורתי בטורבו, עומדת בפני חידוש חשוב ובאופן די דומה. מגדש-על קונבנציונלי מונע על-ידי מנוע בעירה פנימית באמצעות חיבור חיצוני ישיר אליו, כמו שאר אביזרי המנוע. יתרונו, יחסית לטורבו, נובע מכך שהוא משיג רמת הגדשה גבוהה כבר בסל"ד נמוך, אבל יש לו גם שני חסרונות: החיבור הקבוע גוזל אנרגיה מהמנוע, והמגדש פחות יעיל בסל"ד גבוה.
הפתרון לשתי הבעיות האלה יושג בתוך זמן לא רב על-ידי ניתוק הקשר הפיזי בין מגדש-העל למנוע, והפעלתו באמצעות מנוע חשמלי. ממש כמו שקרה למגבר ההיגוי ולאביזרי מנוע נוספים, גם כאן נחסכת אנרגיה על-ידי הפחתת העומס שמוטל על המנוע, אלא שמדחס זקוק להרבה יותר חשמל מאשר מגבר-היגוי.
קבוצת פולקסוואגן, למשל, שודאי ראויה לתואר "מובילת הגדשת המנועים בקרב יצרניות המכוניות העממיות", מפתחת כעת משפחה רחבה של מגדשים חשמליים אשר, בהתאם למנועים בהם יותקנו, יופעלו עם מתח של 12 או 48 וולט.
