פורשה רשמה לאחרונה בקשת פטנט לשיטת פעולה חדשה של מנוע בעירה פנימית שמאפשרת לו לייצר פעולת עבודה אחת בכל שלוש תנועות בוכנה במקום ארבע – וזאת במטרה לשפר באופן ניכר את היעילות של המנוע הנפוץ ביותר בעולם הרכב.
על אף שההיסטוריה של ניסיונות לפתור את אחת הבעיות היסודיות של מנוע ארבע פעימות ארוכה כמעט כמו ההיסטוריה של מנוע הבעירה הפנימית עצמו – רוב רובם המכריע של מנועי הבעירה הפנימית בעולם הם מנועי 4 פעימות שבהם מבוצעת פעולת עבודה אחת בכל 4 תנועות של כל בוכנה.
כדי לרתום את האנרגיה שמשתחררת בעת הבערת או פיצוץ דלק ולהמיר אותה לתנועה סיבובית יש להזין תערובת דלק ואוויר לתוך תא בעירה, לדחוס אותה, להבעיר או לפוצץ את הדלק, ולפנות את הגזים שנוצרו כתוצאה משריפת הדלק. שלוש מתוך ארבע הפעולות האלה – יניקה, דחיסה ופליטה – לא מייצרות כוח אבל צורכות אנרגיה בגלל חיכוך, וכל הכוח מופק כאשר הדלק בוער במהלך פעולת העבודה.
בתכל'ס, מנוע ארבע פעימות עושה את מלאכתו בדרך מסובכת ומאוד לא יעילה, אבל כנראה שזאת הדרך הכי פשוטה ליישום. בין השאר נדרש מנוע כזה להתמודד עם אתגרים מכאניים ופיזיקליים מורכבים כמו היפוך תנועה מהיר של בוכנות, פינוי חום מחד וצורך בחום מאידך ועוד. מנוע דו-פעימתי משיג יעילות גבוהה יותר בתוך כדי ניסיון לשלב שתי מטלות בכל תנועה של הבוכנה, אבל מייצר כמות גדולה יותר של זיהום אוויר ומתמודד עם בעיות אחרות כמו שימון ואטימה.
תיאורטית, מנוע הבעירה הפנימית היעיל ביותר אמור להיות מנוע רוטורי (סיבובי, "ואנקל") שבו לא נדרשת המרת תנועה קווית לתנועה סיבובית, אבל השיטה הזאת מתמודדת עם בעיות אחרות, בעיקר של אטימה.
הרעיון של פורשה למנוע בעירה פנימית שש פעימתי נראה מבריק אם כי קשה לנבא את כל הבעיות שאיתן הוא ייאלץ להתמודד – במיוחד מבחינת מורכבות מכאנית, שימון, איזון ועוד. ההבטחה שבו טמונה בניסיון לייצר בכל מחזור שתי פעולות עבודה במקום אחת, ואנשי פורשה מגדירים את השיטה הזאת במסמכי הפטנט כ"שיטה למנוע בעירה עם שתיים כפול שלוש פעימות".
במילים אחרות – הרעיון של פורשה מוסיף שני מהלכים נוספים למחזור המוכר של 4 פעימות, אבל מייצר פעימת כוח בכל שלוש תנועות במקום ארבע: רצף התנועות הראשון בכל מחזור הוא יניקה-דחיסה-עבודה, ואז – במקום פליטה – מגיע הרצף השני של דחיסה-עבודה-פליטה.
כדי ליצור שני רצפים שונים במהותם בכל מחזור תוכנן גל הארכובה כך שהוא מסתובב בתוך טבעת על גלגלי שיניים פלנטריים. כאשר גל הארכובה מסתובב יש לבוכנות שני מיקומי שיא עליונים שונים ושני מיקומים תחתונים שונים בכל רצף בתוך כל מחזור, והתוצאה, כאמור, היא מחזור "שש פעימות" של יניקה, דחיסה, עבודה, ואז דחיסה, עבודה ופליטה. בכל מחזור עבודה יש שתי פעולות עבודה ושתי פעולות דחיסה, ורק פעולת יניקה אחת ופעולת פליטה אחת.
במסמכי הפטנט מתוארת השיטה הזאת כ"שש תנועות בודדות שניתן לחלק לשני רצפים של שלוש פעימות", וקל להבחין ב"חסרונה" של פעולת יניקה אחת ולהבין שכאן טמון חלק עיקרי בגאונות של הרעיון. הצבת גל הארכובה על טבעת עם שני גלגלי שיניים קונצנטריים מאפשרת לבוכנה לשנות את יחס הדחיסה מכיוון שבתנועה השנייה שלה היא עוברת מהלך ארוך יותר.
את פעולת הפליטה בסוף הרצף הראשון מחליף שסתום פליטה סגור שלא מאפשר לתערובת השרופה לצאת מן הצילינדר. תחת זאת התערובת השרופה נדחסת מחדש ומוצתת מחדש. פעולת העבודה שמתקבלת בעקבות השריפה הנוספת יכולה להיות קלושה בעוצמתה ביחס לפעולת העבודה הראשונה אבל זה ממש לא משנה מפני שהמנוע שורף שרידי תערובת שאמורים היו להיפלט ולהתבזבז לחינם בתוך כדי יצירת זיהום אוויר מיותר.
ההיסטוריה של שתי הפעימות האבודות
כאמור, ניסיונות להתמודד עם נקודות התורפה של מנועי ארבע פעימות החלו מיד לאחר שהוא הומצא, וחלקן נועד פשוט כדי לעקוף את הפטנטים הראשונים שנרשמו יחד איתו.
מנוע "שש פעימות" ראשון הומצא בשנת 1883 על ידי המהנדס סמואל גריפין שייצר מנועי קיטור וגז ורצה לייצר מנוע בעירה פנימית. עקרון הפעולה של מנוע זה כלל מכשיר אידוי חיצוני מחומם לכ-288 מעלות צלזיוס שלתוכו רוסס הדלק באופן שגרם לאידוי שלו מבלי לפרק אותו מבחינה כימית. שלוש שנים לאחר מכן רכשה יצרנית קטרי הקיטור הסקוטית 'דיק, קר ושות" מגריפין את הזכויות להמצאה שלו ורשמה עליה פטנט, והיא אף ייצרה מנועים כאלה ומכרה אותם תחת השם 'קילמרנוק'.
מנועי שש הפעימות הראשונים היו מורכבים ומסורבלים ולא התאימו לתחבורה קלה אבל הם היו מוצלחים לצורך ייצור חשמל, והיתרון הגדול שלהם היה רגישות נמוכה מאוד לסוג הדלק שהניע אותם.
רוב מנועי השש פעימות שהונדסו ונבנו לאחר מכן מחלקים את ארבע הפעולות הנדרשות בין שני צילינדרים, ובדרך כלל צילינדר אחד מבצע שתי פעימות והשני מבצע ארבע פעימות בכל מחזור. בחלק מן הפיתוחים משמשת הבוכנה הנוספת כתחליף למערכת השסתומים במנוע ארבע פעימות קונבנציונלי וזה מצמצם את המורכבות המכנית שלו ומאפשר יחס דחיסה גדול יותר. בוכנה שנייה מאפשרת גם להפריד את יחס ההתפשטות מיחס הדחיסה וכך להגדיל את היעילות התרמודינמית, די דומה למה שמתקבל בשיטת 'מחזור מילר' או 'מחזור אטקינסון'.
מנוע בעירה פנימית עם מחזור שש פעימות שכולל הזרקת מים הומצא כבר בשנת 1915 על ידי לאונרד דייר, ובין היתרונות שלו אפשר למנות את הצמצום (או אף ביטול) בצורך במערכת קירור, שיפור משמעותי של תצרוכת הדלק ותוספת כוח. החיסרון: נדרשת אספקה קבועה של מים נקיים.
בשנת 1989 הציג רוג'ר באג'ולז (Bajulaz) מנוע שש פעימות שנראה כמו מנוע בעירה ארבע פעימות טיפוסי אבל על ראש המנוע מוצבים שני תאים: תא בעירה ותא לחימום אוויר – שניהם עם קיבולת קבועה. אוויר אטמוספירי מחומם מוחדר לתוך תא הבעירה ואז מוזרק אליה דלק שנשרף בתהליך שנקרא "נפח קבוע" ("שריפה איזוכורית"). כך מושגת יעילות תרמית גבוהה, והלחץ הגבוה שמושג כתוצאה מן הבעירה הזאת משוחרר אל צילינדר שמבצע את פעולת העבודה. במקביל – התא השני שמעל תא הבעירה מחמם את האוויר באמצעות ניצול החום שעובר מן הצילינדר דרך הדופן שלו.
בשעתו נטען שמנוע כזה מפחית ביותר מ-40% את תצרוכת הדלק (ביחס למנועי בעירה שיוצרו לפני 35 שנים) ושהוא מסוגל לפעול עם מגוון רחב של סגי דלק.
המנוע השש פעימתי של וולזטה (Velozeta) פותח בשנת 2005 על ידי צוות סטודנטים להנדסת מכונות ממכללת טריוונדרום להנדסה. מנוע זה מזכיר מעט את הפטנט של פורשה (או להיפך), מפני שבסוף מהלך הפליטה מוזרק לתוך הצילינדר אוויר נקי שמתחמם במהירות וכך מאלץ את הבוכנה לרדת פעם נוספת בלי שנדרשת הבערת דלק. גם לגבי מנוע זה נטען שהוא משיג תצרוכת דלק טובה בכ-40% ביחס למנועי 4 פעימות, וכמובן גם הפחתה משמעותית של כ-65%, בכמות הפליטה של פחמן דו חמצני.
בשנת 2012 הוצג מנוע שש פעימתי שנקרא NIYKADO ופותח במשך 15 שנים בהודו על ידי מכונאי בשם צ'נאייל קליוס אניל (Chanayil Cleetus Anil). שש הפעולות של המנוע הזה הן יניקה, דחיסה, פליטה, יניקת אוויר (ללא דלק) ופליטת אוויר. במנוע הזה יש ארבעה שסתומים אבל רק צמד אחד מבצע את הפעולות הרגילות ואילו השניים האחרים מנהלים את כניסת ויציאת האוויר הנקי.
בשעתו נטען שמנוע זה משיג תצרוכת דלק נמוכה בכ-23% ביחס למנועי ארבע פעימות, וממש כמו במנוע של פורשה – ההישג כאן נובע מכך שהאוויר הנקי, בפעימה החמישית, מעורבב עם שאריות הדלק שלא נשרף ובתוך כדי כך גם מקרר את חלקו הפנימי של הצילינדר.
שיטת "שש פעימות" אחרת הונדסה על ידי ברוס קרואר והוצגה בשנת 2006 אולם לאחר מכן נגנזה. בשיטת קרואר מוזרקים מים אל תוך הצילינדר לאחר פעולת הפליטה ואז הם הופכים מיד לקיטור שמתרחב ודוחס את הבוכנה כלפי מטה. כך נוצרת פעולת עבודה נוספת ושיפור היעילות מושג בזכות ניצול חום שאמור היה להיות מפונה מן המנוע על-ידי מערכת הקירור.
גם במקרה הזה ההבטחה הייתה לצמצום של 40% בתצרוכת הדלק. החיסרון: בנוסף לכל המערכות הרגילות של המנוע יש לצייד את הרכב במיכל מים ולמלא אותו בכל כמה מאות קילומטרים.
במנועי שש פעימות אחרים הוצבו בוכנות על ראש המנוע, כמו בתכנון של האוסטרלי מלקולם בייר שהמציא את מנוע Beare-head. חלקו התחתון של המנוע זהה למנוע מארבע הפעימות המוכר לנו אבל על ראש הצילינדר מותקנת בוכנה נגדית שמהירות הפעולה שלה הוא מחצית מהירות הפעולה של הבוכנה שמתחתיה. למעשה – הבוכנה העליונה פועלת במקום מערכת התזמון הרגילה ונטען שזה משפר את היעילות התרמודינמית בזכות הגדלת יחס הדחיסה.
תכנון מאוד דומה הוצג על-ידי אנשי האוניברסיטה הטכנולוגית של שלזיה, פולין, וההבדל הוא שהבוכנה העליונה לא מחליפה את מערכת השסתומים אלא מחלקת את העבודה בין הבוכנות ויוצרת משהו שנראה כמו חיבור בין מנוע ארבע-פעימתי למטה עם מנוע דו-פעימתי למעלה. לכל אחד מחלקי המנוע יש גל ארכובה משלו ושניהם מחוברים יחד אל מערכת התמסורת.
החלפת מערכת השסתומים בבוכנה מיושמת גם במנועי שש פעימות אחרים שהוצגו במהלך השנים האחרונות, למשל מנוע שהונדס על-ידי הגרמני הלמוט קוטמן שבו מבוצעת פעולת יניקה, ולאחריה פעולה שמוגדרת כ"קדם-דחיסה" ואז העברת גז, דחיסה, עבודה ופליטה.
המהנדס הבלגי גרהרד שמיץ בנה יחד עם חברת אילמור הנדסה מנוע "חמש פעימות" שמתאים למנועים בעלי מספר זוגי של צילינדרים עם "מחזור אוטו" (ארבע פעימות קונבנציונלי): בוכנה נוספת נעה בצילינדר משלה והיא משותפת לשני הצילינדרים והבוכנות שסמוכים לה. בכל פעם שצילינדר כזה מפנה את התערובת השרופה ממנו היא מוזרקת לתוך הבוכנה הנוספת ושם נוצרת פעולת עבודה נוספת.
ובחזרה לפורשה
ביחס לכל ההמצאות שתוארו כאן, ורבות נוספות שלא הוזכרו, הפטנט של פורשה נראה פשוט מפני שכולו ממוקד במערכת התמסורת של הבוכנות והוא לא זקוק לצילינדרים נוספים, מכלי מים או מערכת תזמון מתוחכמת.
יחד עם זאת, עדיין מדובר בפטנט בלבד וכאמור – אנחנו לא יודעים מה יהיו ההשלכות של מערכת תמסורת כזאת על האיזון של מנוע, אופי הפעולה שלו וטווחי מהירויות עבודה, פינוי חום ועוד ועוד.
אם פורשה תתקדם משלב הפטנט אל ניסיון לייצר אבות טיפוס ייתכן מאוד שמהנדסיה ירצו לשלם בתכנון הזה גם חלקי רעיונות מן הפטנטים שהוזכרו כאן. בשורה תחתונה, בעיקר לנוכח המאבק של מנוע הבעירה הפנימית על חייו – הגביע הקדוש שפורשה רוצה להשיג הוא צמצום דרמטי בפליטות המזהמים ואם מנוע כזה באמת מספק שיפור של 50% ביחס למנוע ארבע פעימתי – נראה שפורשה נמצאת בכיוון נכון.
לקריאה נוספת:
מנוע פעימה אחת: האם זה העתיד של מנוע הבעירה הפנימית?
חשבתם שכבר שמעתם הכל? אז מה לגבי מנוע דו-פעימתי שפועל על אמוניה?
מנוע המימן של AVL מספק 410 כוחות סוס. האם הוא יציל את מנוע הבעירה?
