שירת הברבור של מגדש הטורבו המכאני - עוד קורבן במלחמה בזיהום האוויר

תעשיית הרכב מתקדמת בצעדי ענק לעבר עידן של הנעה חשמלית ואין ספק שאנחנו עדים לישורת האחרונה של מנועי הבעירה הפנימית שליוו את תעשיית הרכב מיום היווסדה - יותר מ-120 שנים. עד שמנוע הבעירה הפנימית יידום לעד, תקנות זיהום האוויר שהופכות למחמירות יותר ויותר, דוחקות אט אט את מגדש הטורבו המכאני אשר יפנה את מקומו בזירה לטובת מגדשי טורבו חשמליים וסופר יעילים. אלו יהוו את התחמושת העדכנית (והאחרונה ?) של מנועי הבעירה הפנימית לעמידה בתקנות זיהום האוויר, עד הכניעה הסופית לטובת המנוע החשמלי.

להזכירכם מנוע בעירה פנימית אינו שותה - הוא נושם. מנוע, זקוק לחמצן כדי לנפק אנרגיה. במנוע אטמוספרי (מנוע נטול מגדש), תערובת הדלק/חמצן שהוא יונק מוכתבת מראש. מה שמגדש טורבו עושה הוא לדחוס יותר אוויר לריאות המתכת של המנוע ובכך מגדיל את הנצילות של המנוע. מגדש הטורבו המכאני ותיק למדי בתעשיית הרכב אך עד לפני קצת יותר מעשור, הוא נמצא לרוב במנועים ספורטיביים בלבד - זאת בעיקר בגלל העלות הגבוהה יחסית והמורכבות המכאנית, שדרשה תשומת לב הנדסית לטובת הבטחת אמינות סבירה. את מגדש הטורבו מניעים גזי הפליטה של המנוע. לכאורה זהו כוח "בחינם" (להבדיל ממגדש-על), אבל בלי גזי פליטה הרי אין אפקט טורבו - ובלי מנוע פועם בעוז אין גזי פליטה. לכן, הטורבו הפשוט נעשה אפקטיבי רק כשהמנוע כבר מגיע לתחום פעולה מסויים. במנועים הספורטיביים המוגדשים שלפני עשרות שנים, היה חולף פרק זמן עד שמנוע הטורבו היה מגיע לאותו תחום פעולה אפקטיבי, וכך גם לאחר הרפייה מהדוושה - פרק זמן זה מכונה "השהיית טורבו". אם מגדש הטורבו קטן, השיהוי קצר יותר - אך כזו גם השפעת הטורבו על עוצמת המנוע. באותן מכוניות ספורטיביות של פעם, בהן הדגש היה על ביצועים חזקים ולאו דווקא נסיעה נינוחה, הותקן לרוב מגדש טורבו גדול - ולרוב כזה שאופיין בהשהיית טורבו בין לחיצה על הדוושה לתגובת המנוע המתבקשת.

הפתרון הטריוואילי להתמודד עם אותה השהייה מעצבנת הייתה על-ידי תגבור המנוע בצמד מגדשים (Bi-Turbo) - אחד לעבודה בסל"ד נמוך, כדי לזרז את תגובת הדוושה, השני נכנס רק בסל"ד גבוה יחסית כדי לנפק את אותם ביצועים חורכי אספלט. עם השנים, הופיעו מגדשים מתקדמים יותר כמו Twin Scroll אשר הקטינו מאד את השהייה הטורבו.

במגדש טורבו רגיל, גזי הפליטה כאמור, מניעים את טורבינת המגדש - החיסרון בכך הוא שבמנוע תהליך הפליטה מתרחש בכל צילנדר בעיתוי אחר, כך שזרימת גזי הפליטה המסובבים את הטורבו אינה רציפה. אם תשימו את כף ידכם ליד קצה צינור הפליטה כאשר המנוע פועל, תרגישו בפעימות הגזים היוצאים מהמנוע. במגדש מסוג Twin Scroll, כל צמד צילנדרים מניע את הטורבינה (כפי שמתואר בציור למעלה) והדבר מאפשר יעילות גדישה טובה מאד כבר בסל"ד נמוך יחסית עם השהיית טורבו כמעט אפסית - אותה יעילות כמעט ואינה נפגעת בסל"ד גבוה (אני יכול להעיד שב-GTi שלי, המנוע מושך בצורה משכנעת מאד מ-2000 סל"ד עד המתנתק ב-6500 סל"ד). בנוסף, זרימת הגזים השרופים מופרעת פחות ע"י הטורבו והדבר מאפשר חפיפת שסתומים ארוכה יותר על-ידי תזמון שסתומים משתנה ויעיל יותר מאשר במנוע המצוייד במגדש רגיל, מה שמאפשר צריכת דלק טובה יותר והספק גבוה יותר. 

התפתחות יכולת המחשוב בניהול המנוע סייעה רבות ביכולת ניהול הגדישה והיצרנים הבינו ששימוש במגדשים קטנים, יכולה לשפר את נצילות האנרגטית של המנוע, מה ששיפר מאד את צריכת הדלק ואיפשר לעמוד בתקני זיהום האוויר 5 ו-6.1-2, אולם התקנים העתידיים מחמירים עוד יותר ודחפים את נצילות המנועים לקצה. וכאן נכנס מגדש הטורבו החשמלי.

ישנם למעשה שני סוגים מובחנים של מגדשים חשמליים עבור מנועים שהופיעו בשנים האחרונות. הסוג הראשון שכבר נמצא בשימוש על ידי קבוצת פולקסווגן ומרצדס בנץ הוא בוסטר אלקטרוני e-booster. זהו למעשה רק צד המדחס של הטורבו המונע על-ידי מנוע חשמלי קטן יחסית. גודל המדחס מוגבל מטבעו על ידי גודל המנוע הנדרש לסובב אותו במהירויות גבוהות (עד 70,000 סל"ד) ובוסטרים אלקטרוניים מותקנים בצורה טורית בצימוד למגדש מכאני הפועל על-ידי גז הפליטה - כלומר מדובר בשתי יחידות מגדש שאחת חשמלית ואחת מכאנית. הבוסטר האלקטרוני נותן תגובה מהירה בבסל"ד נמוך בתחום בו המנוע הבעירה הפנימית פחות יעיל בלייצר גדישה, ואז ככל שסל"ד המנוע עולה, הטורבו הגדול יותר (המכאני) הופך להיות דומיננטי יותר באספקת דחיפה מירבית.

הסוג השני והמתקדם יותר הוא מגדש טורבו חשמלי עצמאי ללא שילוב עם מגדש מכאני, בדומה ליחידה המצוייה בשימוש במנועי הפורמולה 1 משנת 2014. מגדש זה כולל טורבינה שמונעת באמצעות מנוע חשמלי גדול יותר ללא תלות בגזי הפליטה ולא בכח המנוע. השליטה בעוצמת המנוע הרבה יותר מדויקת וניתנת להתאמה אופטימלית לדרישות מנוע הבעירה הפנימית.

שני סוגי המגדשים החשמליים דורשים זרם חשמלי חזק יחסית כדי להניע את המנוע החשמלי שבתורו מסובב את הטורבינה שדוחסת אוויר לסעפת היניקה, מה שעיקב את כניסתו לשרות במכוניות שלנו. עם המעבר לשימוש בטכנולוגיית Miled Hybrid ושימוש במצברי 48V הבעייה הזאת נפתרה ואפשר לשלב מגדשים כאלו במקום המגדשים המכאניים ששירתו עד עתה. המערכת החשמלית המשודרגת אוגרת עודפי אנרגיה מן הבלמים הרגנרטיביים ומאחסנת אותה בסוללות ליתיום-יון קטנות (48V) אשר מאפשרים להניע את המנוע החשמלי של המגדש. בשנה הבאה תגיע לשוק מערכת מתוחכמת יותר אשר תיוצר על-ידי אחת היצרניות הוותיקות והמוכרות בתחום ההגדשה: חברת 'גארט' אשר מייצרת מגדשי טורבו משנות החמישים של המאה הקודמת. החידוש המערכת של גארט הוא שכאשר הטורבו מגיע לשלב "פריקת הלחצים" שלו, משתמש המנוע באנרגיה הזאת בתוך כדי כך שהוא משמש כגנרטור ויוצר חשמל שמועבר באמצעות מערכת ה-48 וולט אל הסוללות. בגארט מעריכים שתכונה זאת לבדה תשפר את תצרוכת הדלק ב-2-4% באופן קבוע, ועד 10% בתנאי נהיגה ספציפיים. במנועי דיזל יכולה מערכת כזאת, כאשר היא משולבת בניהול תערובת הדלק-אוויר לצמצם כ-20% מפליטת תחמוצות החנקן.

גארט לא לבד. לאחרונה הכריזה גם חברת Aeristech הבריטית על השקת מגדש חשמלי חדש ופטנטי כיחידה חשמלית עצמאית ללא תלות בגזי הפליטה. מגדש זה מסוגל להגיע למהירות סיבוב פנטסטית של 120,000 סל"ד לעומת כ-70,000 סל"ד במגדשים מהסוג הראשון אשר עובדים בשילוב מגדש מכאני. לדברי אנשי החברה, המערכת שלהם תתאים למנועי בנזין בנפח 1.2 עד 1.5 ליטר אשר מניעים כיום את נתח הארי של מכוניות הנוסעים והקרוסאוברים בעולם. יתרון משמעותי של מגדש זה הוא האפשרות להרחיק אותו מסעפת הפליטה ובכך לפעול בתנאים טובים יותר בסביבה פחות חמה, מה שיתרום יותר ליעילות המנוע.