מאמר זה מתמקד בסקירת חידושים טכנולוגיים במערכת השסתומים של מנוע הרכב. מערכת השסתומים במנוע מהווה חוליה מרכזית מאז הצגת מנוע הבעירה הפנימית בעל ארבע הפעימות הראשון בשנת 1867 ע"י הממציא הגרמני ניקולאוס אוטו.
טרם נצלול אל מעמקי מערכת השסתומים, חשוב לתת את הדעת למנועי בעירה פנימית ברכב ברמה הכללית. על מנת שנוכל להגדיר מהו מנוע נסביר תחילה מהי מכונה מאחר ומנוע הוא סוג ספציפי של מכונה. המכונה מוגדרת כהתקן המאפשר המרה של אנרגיה חיצונית כלשהי לעבודה מכנית. מנוע בעירה, שלפעמים נקרא גם מנוע חום, הוא סוג מיוחד של מכונה שהאנרגיה החיצונית שהיא יודעת לנצל היא האנרגיה הכימית האצורה בחומרי דלק (בנזין או סולר). המנוע שורף בתוך החלל הפנימי שלו תערובת של אוויר ודלק ובכך הוא ממיר את האנרגיה הכימית לאנרגיה תרמית (אנרגיית חום), בהמשך ובאמצעות מנגנון מכני (בוכנה, טלטל וגל ארכובה) מומרת האנרגי התרמית לעבודה מכנית. במילים אחרות ניתן לומר שמנועי בעירה הם מתקנים אשר ממירים אנרגיה כימית לאנרגיה תרמית שמומרת בסוף לעבודה מכנית בצורת תנועה סיבובית.
מבין האתגרים הרבים שעומדים בפני יצרני המנועים והרכב בעידן המודרני נמצא אתגר העמידה בדרישות המחמירות של תקני זיהום האוויר (תקן היורו באירופה למשל שתקף גם בארץ), תקנים אלו מכתיבים ליצרניות הרכב את כללי המשחק בכל הנוגע לפליטת גזים מזהמים מצינור הפליטה. יצרן שאינו עומד בדרישות יידרש לשלם קנס כספי כבד. כמובן שיצרניות הרכב יעשו את כל אשר ביכולתן על מנת להימנע מקנסות כאלה וזה מה שמניע אותן לשפר ולייעל את כלי הרכב שלהן בעיקר בכל הנוגע להפחתת פליטת מזהמים. על מנת לעמוד בדרישות התקן, פועלת תעשיית הרכב בשנים האחרונות במספר מישורים במקביל. בהזדמנות זו נציג שני מישורים עיקריים:
1. פיתוח מערכות הנעה חשמליות והיברידיות: שימוש במנוע חשמלי כתחליף למנועי בעירה או לחילופין הכלאה בין מנוע חשמלי ומנוע בעירה (רכב היברידי / כלאיים).
2. שיפור תהליכי השריפה במנועי בעירה והגדלת הנצילות של המנוע במטרה להפחית פליטה של גזים מזהמים ממנועי בעירה ולאפשר עמידה בדרישות המחמירות של תקני הזיהום מבלי לפגוע בביצועי המנוע.
במאמר זה נתמקד אנו במישור השני ונדון בחלק מהטכנולוגיות המאפשרות לשפר ולייעל את תהליך השריפה במנוע הבעירה הקונבנציונלי, שאותו תעשיית הרכב מכירה כבר שנים רבות.
כפי שכבר צוין קודם, מנועי בעירה פנימית הם מנועים ששורפים תערובת של אוויר ודלק בתוך חלל פנימי שנקרא חלל הצילינדר או חלל הבעירה. חלל זה כולל בתוכו בוכנה ניידת שנעה לסירוגין, הלוך וחזור ובתנועה קווית תוך ביצוע ארבעה מהלכים שונים המאפשרים לה להשלים מחזור פעולה שלם שחוזר חלילה בתדירות רבה. לצרוך העניין נציג בקצרה את ארבעת המהלכים המתבצעים במנוע בנזין סטנדרטי:
1. מהלך היניקה: הבוכנה נעה בצורה כזו שמגדילה את נפח חלל הצילינדר וגורמת ליניקת אוויר ודלק לתוך חלל זה דרך פתח מיוחד שנקרא פתח היניקה.
2. מהלך הדחיסה: פתח היניקה נסגר, הבוכנה דוחסת את התערובת בתוך חלל הצילינדר וגורמת לעליית הטמפרטורה של התערובת. לקראת סוף מהלך הדחיסה מופיע ניצוץ חשמלי שגורם להצתת התערובת ולעליה נוספת בלחץ ובטמפרטורה בתוך חלל השריפה.
3. מהלך העבודה: התלקחות התערובת ועליית הלחץ בחלל הצילינדר גורמת להפעלת כוח גדול על ראש הבוכנה שדוחף אותה בעוצמה רבה בתוך חלל הצילינדר. הגזים השרופים בחלל גרמו בעצם לביצוע עבודה מכנית ובכך המנוע ממיר בעצם את האנרגיה התרמית לאנרגיה מכנית.
4. מהלך הפליטה: עם סיום תהליך העבודה, כל שנותר הוא להתפטר מהגזים השרופים הכלואים בחלל הצילינדר. במהל זה נפתח פתח מיוחד שנקרא פתח הפליטה ומאפשר לגזים השרופים לצאת החוצה על מנת לאפשר ביצוע מחזור פעולה חדש.
להוסיף אנימציה מתוך אלקטיוד פרק MPI מצבי פעולה מומחה עיגול 4
מתוך ההסבר הנ"ל ניתן לסכם ולומר שחלל הצילינדר חייב להיפתח פעמיים בכל מחזור פעולה, פעם אחת הוא נפתח לצורך הכנסת תערובת אוויר ודלק ובפעם השנייה הוא נפתח במטרה להדיח את הגזים השרופים. פעולת הפתיחה והסגירה של חלל הצילינדר נעשית באמצעות מנגנון מכני שכולל לפחות שני שסתומים לכל צילינדר במנוע, שסתום אחד שולט בפתח היניקה והשסתום האחר שולט בפתח הפליטה. במנועים מודרניים מקובל לצייד כל צילינדר בשני שסתומי יניקה ושני שסתומי פליטה במטרה לשפר את גמישות פעולתו של המנוע.
איור 1 : מנוע בנזין טיפוסי הכולל 4 צילינדרים, 16 שסתומים ושני גלי זיזים
אחת הדרכים לשיפור השריפה במנוע היא לשפר את היניקה של התערובת ואת הפינוי של הגזים השרופים. ברור לכולנו שתהליכים אלו מתרחשים במנוע בפרק זמן קצר ומוגבל שאותו צריך לנצל לצורך מילוי מקסימלי של חלל הצילינדר בזמן היניקה ולפינוי גזים שרופים יעיל ומהיר בזמן מהלך הפליטה. מכיוון שלמערכת השסתומים יש תפקיד חשוב בביצוע משימה זו, יצרני הרכב השקיעו ועדיין משקיעים מחשבה רבה בתחום זה. במהלך השנים הוצגו רעיונות רבים לשיפור תפקוד מערכת השסתומים שהביאו בהרבה מקרים לשיפור משמעותי בביצועי המנוע ובעיקר הפחתת צריכת הדלק ופליטת גזים מזהמים. בשורה התחתונה על מערכת השסתומים לשפר את המילוי הנפחי של חלל הצילינדר בזמן ביצוע מהלך היניקה ולאפשר הדחה מהירה ויעילה של גזים שרופים בעת ביצוע מהלך הפליטה. מכיוון שמנוע הרכב פועל בתנאי עומס שונים ובסל"ד (סיבובים לדקה) משתנה, על מערכת השסתומים להיות מספיק גמישה ובעלת יכול להתאים את עצמה לתנאי פעולת המנוע בכל מצב נתון.
ככל שמדובר בפתיחה וסגירה של שסתומים אנו מתייחסים למספר פרמטרים שניתן לשנות בזמן פעולתו של המנוע המודרני. בעבר מערכת השסתומים הייתה פשוטה ולא הייתה לה כל יכולת להתאים את עצמה לתנאי הפעולה המשתנים, דבר שהביא להגבלה בהספק המנוע ולשריפת דלק לא יעילה בחלק מתנאי הפעולה של המנוע. במנועים מודרניים ולמרות שהשליטה בשסתומים עדיין נעשית באופן מכני מלא באמצעות גל זיזים, נוספו מנגנוני עזר שונים, בוקרים ע"י יחידת בקרה אלקטרונית, המאפשרים למערכת השסתומים לפעול עם יכולת התאמה עצמית למצב העומס שבו פועל המנוע. על מנת להבין ולו ברמת היכרות את החידושים הטכנולוגיים בתחום השסתומים, נגדיר תחילה את הפרמטרים שאיתם אנו יכולים לגרום לשינוי במערכת השסתומים בזמן פעולת המנוע:
1. תזמון או זימון השסתומים: פרמטר זה מגדיר את הרגע שבו נפתח או נסגר כל אחד מהשסתומים. תזמון נכון של השסתומים ושינוי התזמון בהתאם לתנאי העומס מאפשר למנוע לעבוד בתנאים טובים יותר בתנאי עומס שונים.
2. מגבה השסתום: הכוונה לגובה או עומק פתיחת השסתום. ההיגיון אומר שככל שהשסתום נפתח יותר כך הוא מאפשר תחלופת גזים מהירה ויעילה יותר אך מסתבר שאין הדבר נכון בכל תנאי פעולת המנוע. בסיבובי מנוע נמוכים, דווקא הקטנת מגבה השסתום יכולה להביא לשיפור בתנאי השריפה. בסיבובים גבוהים יש צורך לפתוח את השסתומים במידה רבה יותר וזאת למרות קוצר הזמן הנובע מסיבובי מנוע גבוהים (אתגר טכנולוגי לא קל).
3. שהות השסתום: הכוונה לזמן שעובר מרגע פתיחת השסתום ועד לסגירתו, כמובן ששהות השסתום היא נגזרת של התזמון והמגבה של השסתום, כל שינוי בתזמון או במגבה יגרום לשינוי בשהות השסתום.
4. חפיפת שסתומים: בסוף מהלך הפליטה ועם תחילת מהלך היניקה נוצרת תופעה בה גם שסתום היניקה מתחיל להיפתח בזמן ששסתום הפליטה הולך ונסגר, התוצאה היא שבמשך זמן קצר קיימת חפיפה בין השסתומים ושניהם פתוחים בו זמנית. שינוי משך החפיפה כתלות בסיבובי המנוע מאפשר שיפור הן בביצועי המנוע והן בהקטנת תצרוכת הדלק ופליטת מזהמים.
5. מספר הפעמים בו נפתח שסתום היניקה בכל מחזור: במנועים מודרניים קיימת אפשרות לפתוח את שסתום היניקה פעמיים בזמן ביצוע מהלך היניקה, כלומר בזמן שהבוכנה יונקת דרך שסתום היניקה השסתום נסגר ונפתח שוב. בתנאי פעולה מסוימים (כגון בסל"ד נמוך) פעולה זו משפרת את המילוי הנפחי של חלל הצילינדר.
6. נטרול פעולת השסתומים: בחלק מהמנועים המודרניים ובתנאי פעולה בעומס קל, מנטרל יחידת הבקרה את פעולת השסתומים בחלק מהצילינדרים של המנוע במטרה לחסוך בדלק ובפליטת מזהמים. בתנאי שיוט של הרכב, מערכת זו יודעת להעביר את המנוע ממצב פעולה עם ארבעה צילינדרים למצב פעולה עם שני צילינדרים, בזמן שהנהג מבקש להאיץ בחוזקה עם הרכב המערכת חוזרת לפעול עם כל הצילינדרים.
איור 2: מנוע בנזין המצויד במערכת נטרול צילינדרים (מתוצרת פולקסוואגן)
תעשיית הרכב פיתחה מערכות שונות המאפשרות שליטה בפרמטרים הנ"ל והכל במטרה לאפשר גמישות מרבית של המנוע לצורך שיפור בביצועים, בצריכת הדלק ובעיקר הקטנת פליטת מזהמים.
מבין הטכנולוגיות הזמינות כיום במנועי רכב והתורמות לשיפור פעולת מערכת השסתומים ניתן למנות:
1. מערכת VVT לתזמון שסתומים משתנה: מערכת זו יודע לשנות את תזמון השסתומים בהתאם לסל"ד המנוע ולעומס. מערכת VVT מבוקרת בדרך כלל באמצעות מנגנון הידרולי מבוקר באופן אלקטרוני.
2. מערכת VVL לשינוי מגבה השסתום: בשונה ממערכת VVT מערכת זו יודעת לשנות את גובה פתיחת השסתום ולהתאימו באופן מיטבי לתנאי פעולת המנוע בכל רגע נתון.
3. מערכת MultiAir (תוצרת Fiat) המאפשר שליטה רחבה בשסתומי היניקה כולל שינוי התזמון, המגבה ואפילו מספר הפעמים שבו נפתח השסתום בכל מהלך יניקה.
4. מערכת VTEC (מבית Honda): למערכת זו דורות שונים, בחלק מהווריאציות שלה היא מאפשרת שינוי במספר שסתומי היניקה שפועלים בצילינדר: בסיבובים נמוכים נפתח שסתום יניקה אחד בלבד ובסיבובים גבוהים היא מאפשרת פתיחה של שני שסתומי היניקה במקביל.
5. מערכת שסתומים ללא גל זיזים (Camless) אשר שולטת בשסתומים באופן מלא באמצעות סולונואידים חשמליים. שיטה זו מאפשרת גמישות רבה ותורמת לא מעט לשיפור ביצועי המנוע בכל תנאי הפעולה שלו. מערכת זו עדיין יקרה באופן יחסי ולכן אינה נפוצה במנועי רכב סטנדרטיים.
איור 3: מערכת שסתומים ללא גל זיזים Freevalve (תוצרת Koenigsegg שוודיה)