הבעיה שאיתה מתמודדת הזרקת מים לצילינדרים היא שכאשר החום והלחץ בתוך הצילינדרים של מנועי בנזין גבוהים מידי – נוצרות נקישות אשר פוגעות במנוע ועלולות להרוס אותו.
הפתרון הנוכחי, של כל יצרני המנועים, הוא תכנון מנועים שעובדים ביחס דחיסה נמוך יחסית ו/או התקנת חיישן נקישות שמפחית את העומס באמצעות הקטנת ההספק שלו.
הבעיה חמורה במיוחד במנועים מוגדשים אשר פועלים בעומס מלא, ולכן היא הופכת להיות משמעותית במיוחד בימינו, כאשר יצרני הרכב מפתחים מנועים קטני נפח ומוגדשי טורבו כדי להתגבר על דרישות מחמירות והולכות לצמצום בזיהום האוויר ותצרוכת הדלק.

הזרקת מים לתוך הצילינדרים במהלך תהליך הבעירה אינה חדשה, היא נמצאת בשימוש בצורות כאלה ואחרות מזה עשרות שנים, והייתה אחד הפתרונות היחידים (בעיקר במנועי מטוסים) לפני המצאת חיישן הנקישות. הוספת מים במהלך הבעירה מאדה אותם וכך מפחיתה את הטמפרטורה בחלל הצילינדר.
דרך אידאלית לבצע פעולה כזאת היא לערבב את המים עם תערובת המים-אוויר בתוך תא השריפה, אולם עד היום לא נמצא פתרון מושלם לעשות את זה, לכן החדרת המים מבוצעת דרך סעפת היניקה.

כאמור, בב.מ.וו. שוקדים על פיתוח מערכת הזרקת מים ישירה מזה כשלוש שנים, ולפני כשנה הוצג אחד השלבים בפיתוח שלה במנוע השישה צילינדרי של M4 אשר משמשת כ"מכונית הבטיחות" הרשמית של סדרת מירוצי האופנועים MotoGP.

בנזין יעיל כמו דיזל

אתמול, על מסלול הניסויים של ב.מ.וו. במיראמאס (MIRAMAS) שליד העיר מארסיי שבצרפת, חשפה ב.מ.וו. את המערכת באופן רשמי בפני קבוצת עיתונאי רכב מכל העולם – באירוע שאליו הוזמנתי כאורח החברה.

מאהרל וורנר (Mahrle Werner), מנהל הפרויקטים היישומיים למנועי בנזין בב.מ.וו, אשר הציג את הפיתוח, הסביר שהמערכת מבוססת על הזרקת מים ישירה באמצעות מזרק שדומה בפעולתו למזרק דלק, ואשר מרסס את המים בתזמון מדויק ובהתאם לצורך.

"באמצעות הזרקת מים ישירה למנועי בנזין מוגדשים", הסביר וורנר, "אנחנו מקווים להגיע לרמת יעילות תרמו-דינמית קרובה מאד לזו של מנועי דיזל, ולהשיג חסכון אמיתי בדלק, בשימוש שגרתי יום-יומי, של בין 3-8% – בהתאם לאופי הנהיגה, ולשיפור של כ-10% בהספק ובכח המנוע. החסכון בדלק גדול יותר ככל שהנהיגה ספורטיבית ו"חזקה" יותר, מכיוון שהזרקת מים מבוצעת רק כאשר יש בה צורך – כלומר כאשר המנוע מתקרב לעומס המירבי שלו".

וורנר מסביר שהזרקת המים הישירה מפחיתה את החום בצילינדרים בכ-25 מעלות, ומכיוון שהיא איפשרה להעלות את יחס הדחיסה מ-1:9.5 ל- 1:11 היא משפרת את הנצילות, ההספק, המומנט ופליטת המזהמים גם בסל"ד נמוך ובינוני.

אחד הפתרונות האלגנטיים ביותר במערכת הזאת הוא שהיא לא דורשת שום סוג של התעסקות מצידו של הנהג, וזה לא דבר מובן מאליו במערכת שצריכה – ברגעי השיא שלה – להזריק מים ביחס של 30% מכמות הדלק שבה נעשה שימוש.
בשונה ממכוניות מירוץ, שבהן מותקן מיכל מים מיוחד והמכונאים מקפידים למלא אותו כחלק מהכנת המכונית, השאיפה של מהנדסי ב.מ.וו. הייתה לייצר מערכת סגורה, לכן הם פנו אל מערכת מיזוג האוויר ש"מייצרת" מים כתוצאה מעיבוי אדי המים שבאוויר.

"ערכנו סקר כלל עולמי כדי לבחון היכן משתמשים במכוניות שלנו ומה אופי השימוש בהן", מסביר וורנר, "והגענו למסקנה שאצל כ-80% מן הלקוחות מייצרת מערכת מיזוג האוויר כמות מספקת של מים לצרכי מערכת ההזרקה".

המערכת שב.מ.וו. בנתה, בינתיים כאב-טיפוס, אוספת מים ממיזוג האוויר למיכל בנפח 5 ליטרים, משם הם נשאבים באמצעות משאבת מים מיוחדת, שמסוגלת להתמודד עם מצבי קיפאון, אל מערכת הזרקת המים למנוע.

אב-הטיפוס של המערכת הותקן על מנוע ה-1.5 ליטר התלת צילינדרי ומוגדש הטורבו שמניע את ב.מ.וו. סדרה 1, ולנו ניתנה האפשרות לנהוג בה על אחד מבין המסלולים הרבים במתקן הניסויים של ב.מ.וו.
למעט מסך המגע שמוצב מימין לעמדת הנהג – ועליו מוצגים נתוני המערכת, אין כמעט אף הבדל בולט לעין בין המכונית שמצוידת במערכת לבין ה-1 הסדרתית.
בתוך כדי נהיגה מגלה התצוגה הגרפית מתי מקבלים שלושת הצילינדרים את הזרקת המים – וניכר שזה קורה רק כאשר מופעל לחץ על המנוע – ותצוגות נוספות מראות את החסכון בדלק, את השיפור בהספק המנוע, את תצרוכת המים ואת תוספת המים שמתקבלת ממיזוג האוויר.

בתום שלוש הקפות של המסלול צרכה המכונית בה נהגתי מעט יותר מרבע ליטר מים, אבל בגלל (או בזכות) תנאי מזג האוויר ששררו בצרפת – חום ולחות ברמות המוכרות לנו מקייץ ישראלי טיפוסי – אגרה המערכת באותו פרק זמן קרוב לליטר מים.

תצרוכת הדלק צנחה, כך על-פי נתוני המערכת ב-19% (!), כלומר קרוב מאד לחסכון המירבי שהושג באמצעותה עד היום, של כ-23%, ובסך הכל נחסכו כחמישה ליטרים של דלק – נתון מדהים ביחס למרחק וזמן הנסיעה על אף שמדובר בנהיגת מסלול מהירה.

בדרך לייצור סדרתי

באופן טבעי נאסר על וורנר לשתף אותנו בתוכניות העתידיות של ב.מ.וו. ולכן גם אם הוא יודע מה הן הוא לא יכול לגלות לנו.
ובכל זאת, בתשובה לשאלה הוא אמר ש"הפיתוח שלנו הושלם והוכיח את עצמו, ומכאן הוא עובר לידיהם של מחלקות אחרות בחברה, אשר בין השאר צריכות לפתח את הדרכים לייצור התעשייתי שלו, לקבל החלטות בנושאי עלויות, ולקבוע אם ומתי ייעשה שימוש בטכנולוגיה תוך כדי בחינת שיקולים שונים. בעולם אידאלי, אם יוחלט לאמץ את הטכנולוגיה, היא יכולה להגיע לשוק בתוך כשלוש שנים".

The post ממסלול המירוצים למכונית שלך: ב.מ.וו. מפתחת הזרקת מים לצילינדרים appeared first on TheCar.

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.

The post טורבו, תעשה חשמל appeared first on TheCar.