אין רוכב שלא שמע על המושג 'תזמון שסתומים משתנה'. הוא עולה מדי פעם בהקשרים שונים, והפעמיים האחרונות ששמענו את המושג הזה היו עם ההשקות של הדוקאטי מולטיסטראדה DVT ושל הימאהה NMAX125. לפני כן שמענו את המושג בהקשר של קוואסאקי GTR1400. בימים אלו הנושא שוב עלה לכותרות, בזכות מערכת תזמון השסתומים המשתנה שסוזוקי הציגה ב-GSX-R1000 החדש שלה, שהוצג בתערוכת קלן לפני שבועיים. אבל מה זה בכלל תזמון שסתומים משתנה ולמה זה טוב? על זה ננסה לענות כאן.
גל הזיזים (CAMSHAFT) הוא זה שאחראי על פתיחה וסגירה של השסתום, כל שסתום. הזיז (CAM) בולט מהגל, יש לו צורה של ביצה, וכשגל הזיזים מסתובב בראש המנוע, כשהזיז מגיע לדחיף השסתום הוא לוחץ על הדחיף, וזה מצידו – בצורה ישירה או עקיפה – דוחף את השסתום ופותח אותו. כשהזיז עוזב את הדחיף, קפיצי השסתום מחזירים את השסתום למצב ברירת המחדל – שסתום סגור. בהקשר הזה נציין כי כשהמנוע קר, בין גל הזיזים לבין דחיף השסתום קיים מרווח קטן הידוע בשם 'מרווח שסתום', שאותו מכוונים על-פי הוראות היצרן בטיפול גדול. כשהמנוע מתחמם השסתום מתחמם גם הוא, וכתוצאה מכך הוא מתפשט והמרווח הזה נסגר. מרווח גדול מדי ישאיר מרווח גם כשהמנוע מתחמם ויגרום לנקישות ולבלאי, ואילו מרווח קטן מדי יגרום לפתיחה של השסתום באופן קבוע, וכתוצאה מכך איבוד לחץ וכוח ואף שריפה של שסתום.
בואו נמשיך. הצורה ההנדסית של הזיז קובעת 3 פרמטרים חשובים: גובה ההרמה של השסתום (VALVE LIFT – כמה מ"מ השסתום ייפתח אל תוך תא השריפה), מהירות הפתיחה והסגירה של השסתום, והכי חשוב לענייננו – זווית פתיחת השסתום (DURATION) – כמה מעלות של גל הארכובה השסתום ייפתח, וספציפית יותר – באיזו זווית של גל הארכובה השסתום ייפתח ובאיזו זווית הוא ייסגר.
לפרמטר הזה – זווית פתיחת השסתום – חשיבות עצומה להתנהגות המנוע, לאופיו ולטווח הסל"ד שבו יתקבל הכוח הזמין, ולמעשה הזווית הזו היא אוסף של פשרות שמתייחסות לצרכים שונים ומנוגדים מהמנוע. בין היתר – טווח יעיל, שיא מומנט, שיא הספק, תצרוכת דלק, שימושיות ועוד.
בואו נדבר על זה עוד קצת, ונתייחס ספציפית לשסתומי יניקה, אם כי בשסתומי פליטה העיקרון דומה.
שסתום היניקה נפתח הלכה למעשה לפני שמתחיל מהלך היניקה במנוע 4 פעימות, כלומר בזמן שהבוכנה עולה לכיוון נקודה מתה עליונה במהלך פליטה. הסיבה – להגדיל את המילוי הנפחי (להצליח להכניס יותר תערובת – אוויר ודלק – בזמן הקצרצר שבו השסתום פתוח). רק כדי לקבל אמת מידה – כשהמנוע מסתובב ב-6,000 סל"ד, הזמן שבו לוקח למנוע לבצע מהלך בודד (חצי סיבוב של גל הארכובה) הוא 0.005 ש', כלומר 5 אלפיות שנייה. בזמן הזה המנוע צריך לינוק נפח תערובת מקסימלי, כשבמנועים אטמוספריים (לא מוגדשים) המקסימום הוא נפח הצילינדר. אם ניקח לדוגמה מנוע עם צילינדר יחיד בנפח 250 סמ"ק, אז ב-5 אלפיות שנייה המנוע אמור להכניס רבע ליטר של אוויר לתוכו, דרך שסתום קטן, ואם מעלים את הסל"ד ל-12,000, הזמן הזה מתקצר ל-2.5 אלפיות שנייה. תהיו נינוחים – זה לא קורה. המנוע לא מצליח לינוק 100% תערובת.
נמשיך. אמרנו ששסתום היניקה נפתח עוד לפני שמהלך היניקה מתחיל, אז באותו האופן הוא נסגר הרבה אחרי שמהלך היניקה מסתיים, כלומר עמוק אל תוך מהלך הדחיסה. הסיבה – כשהאוויר זורם בסעפת היניקה יש לו תנופה (בכל זאת, האוויר הוא מאסה, גם אם קטנה מאוד). כשהבוכנה מגיעה לנקודה מתה תחתונה ומהלך היניקה מסתיים, האוויר עדיין זורם אל תוך הצילינדר מכוח התנופה וגם מהפרש הלחצים שבין הצילינדר ובין האטמוספרה (תת-לחץ בצילינדר, לחץ אטמוספרי מחוץ למנוע). את שסתום היניקה משאירים פתוח אל תוך מהלך הדחיסה פשוט כדי לאפשר לתערוכת להמשיך ולזרום פנימה ולמלא את הצילינדר, ובכך להגדיל את המילוי הנפחי. זכרו – יותר מילוי נפחי אומר יותר תערובת שנכנסת לצילינדר, שזה אומר יותר חום ולחץ אחרי תהליך השריפה, שזה אומר יותר כוח במנוע.
אם בודקים זווית פתיחת השסתום במנועים שונים, מקבלים תוצאה ממוצעת של כ-250-260 מעלות של גל הארכובה. נזכיר שמהלך היניקה (וגם הפליטה) הוא 180 מעלות של גל הארכובה, חצי סיבוב. יוצא אפוא ששסתום היניקה פתוח הרבה יותר זמן מאשר מהלך היניקה. שוב, המטרה היא להגדיל את המילוי הנפחי.
הבעיה היא שלתחומי סל"ד שונים זווית הסגירה האידאלית של שסתום היניקה משתנה. בסל"ד נמוך למשל, נרצה לסגור את השסתום מוקדם יותר, ובסל"ד גבוה נרצה לסגור אותו מאוחר יותר. זה הזמן לדבר על אפקט נוסף: זוכרים שאמרנו שהאוויר ממשיך לזרום פנימה אל תוך הצילינדר גם כשמהלך היניקה מסתיים והבוכנה מתחילה לנוע למעלה במהלך דחיסה? ובכן, במסגרת אוסף הפשרות של המנוע, סביב שיא המומנט יש אפקט נוסף וחשוב מאין כמוהו – שסתום היניקה נסגר בזמן שהתערובת עדיין זורמת דרכו, ומיד אחרי סגירת השסתום נוצר לחץ רגעי מעל ראש השסתום, כלומר מחוץ לתא השריפה, בסעפת היניקה. הלחץ הזה לא מספיק להתפזר, והמנוע שוב מגיע למהלך יניקה. שסתום היניקה נפתח, והלחץ שהיה מעליו גורם לפריצת תערובת אל תוך הצילינדר והתחלה של זרימה. אין להמעיט בחשיבות האפקט הזה, שמתחיל את זרימת האוויר מוקדם ולמעשה מגדיל את המילוי הנפחי. אולם כאמור, אפקט זה מתרחש רק על-פני טווח סל"ד צר למדי – אזור שיא המומנט. לשם הוא מכוון ושם יעילותו מקסימלית.
אם היינו יכולים לסגור את שסתום היניקה מוקדם יותר בסל"ד נמוך כשמהירות הזרימה דרך סעפת היניקה היא איטית ומאוחר יותר בסל"ד גבוה כשמהירות הזרימה גבוהה, האפקט הזה היה מתרחש על-פני טווח סל"ד גדול יותר, וכך שיא המומנט היה מגיע על פני טווח סל"ד גדול יותר, כלומר המנוע היה גמיש ויעיל יותר. לאופנועים ספורטיביים שמכוונים להספקים גבוהים בסל"ד גבוה על חשבון הסל"ד הנמוך, אפשרות של הרחבת טווח המומנט בלי פגיעה במיקומו על הגרף, כלומר בלי פגיעה בהספק המקסימלי, הייתה תורמת משמעותית לגמישותו של המנוע – לשימוש היומיומי, אבל גם לשימוש הספורטיבי. חשבו על כך שביציאה מפנייה המנוע לא צריך להיות בסל"ד גבוה ומספיק היה סל"ד בינוני כדי לקבל עקומת כוח בריאה, וקיבלתם את המשמעות.
כאן נכנס לתמונה עניין תזמון השסתומים המשתנה.
בתחום הרכב, תזמון שסתומים משתנה קיים שנים רבות, והיום זה כמעט סטנדרט גם במכוניות פשוטות. כמה פעמים ראיתם על צידן של סוזוקי סוויפט או טויוטה קורולה את שלוש האותיות VVT? ובכן, אלו ראשי התיבות של Variable Valve Timing – תזמון שסתומים משתנה. ברכבי יוקרה קיימות כבר שנים רבות מערכות תזמון שסתומים סופר-מתקדמות, המשלבות הנדסה ומכאניקה עם מערכות בקרה אלקטרוניות, שיודעות לשנות את זווית הפתיחה של השסתום. כלומר בסל"ד נמוך לאחר את הפתיחה ולקדם את הסגירה, וכשעולים לסל"ד גבוה הפתיחה מוקדמת יותר והסגירה מתאחרת. באופן כזה משנים את זווית פתיחת השסתום, ה-DURATION. אולם מערכות כאלה יקרות להחריד וגם תופסות מקום רב. במכוניות העממיות יותר קיימת מערכת תזמון שסתומים פשוטה יותר, שרק משנה את זווית גל הזיזים אל מול זווית גל הארכובה, כלומר משנה את התזמון. הזיז עצמו, ויחד איתו ה-DURATION – לא משתנים. באופן כזה בסל"ד גבוה, כששסתום היניקה נסגר מאוחר יותר, הוא גם נפתח מאוחר יותר. אמנם היעילות של המערכות הפשוטות האלה נמוכה משל מערכות האיכות היקרות, אולם זה עדיין פתרון משמעותית טוב יותר מאשר גל זיזים שזוויתו לא משתנה – כמו ברוב האופנועים שעליהם אנחנו רוכבים.
אז למה המערכות האלה, גם הפשוטות מביניהן, לא זלגו לאופנועים סדרתיים, למרות שהמערכת קיימת כבר כעשור ב-MotoGP? התשובה היא מקום. במכוניות יש שפע של מקום לייצר מערכות מכאניות מורכבות – בפיקוד הידראולי ואלקטרוני. באופנועים אין מקום, ולקח זמן עד שהצליחו למזער את המערכות כך שיגיעו לאופנועים ושעדיין תהיינה פשוטות וזולות לייצור, והנה יש לנו כבר את האופנוע הרביעי שמצויד במערכת שכזו, כשהראשון כאמור היה ה-GTR1400 של קוואסאקי.
הביצוע של סוזוקי ב-GSX-R1000 החדש
צפו בסרטון – כיצד עובד תזמון השסתומים המשתנה בג'יקסר 1000 החדש
גם בסוזוקי בחרו את הפתרון הפחות יקר, זה שלא תופס מקום יקר, שוקל מעט מאוד, ומשותף – פחות או יותר – לכל האופנועים שמגיעים עם תזמון שסתומים משתנה. למעשה, בסוזוקי מציינים שהמערכת הזו מגיעה ישירות מאופנוע ה-MotoGP שלה, ה-GSX-RR, ויש לזה משמעות – המערכת חייבת להיות מכאנית לחלוטין, ללא פיקוד אלקטרוני או הידראולי – כמו שחוקי ה-MotoGP מכתיבים.
הביצוע פה פשוט למדי ברמת הקונספט, אולם מסובך יותר לביצוע, בעיקר בשל הדיוק הרב ואיכות החומרים הנדרשים. גל הזיזים עצמו הוא גל זיזים רגיל לחלוטין, אולם גלגל השיניים שלו, זה שמופעל על-ידי מערכת התזמון, אינו רגיל ואינו בנוי כיחידה אחת כמו גלגל שיניים רגיל. גלגל השיניים בנוי משתי יחידות – החלק הראשון מחובר לגל הזיזים והשני לשרשרת התזמון – שמופעלת על-ידי גל הארכובה.
על שתי היחידות הללו ישנן מסילות רדיאליות אלכסוניות וקוניות, ובתוכן כדוריות פלדה, ואת שתי היחידות סוגרות דיסקיות קוניות שמייצרות לחץ כלפי פנים. בסל"ד נמוך הכדוריות נמצאות בחלק הפנימי, קרוב לגל הזיזים, אולם ככל שעולה הסל"ד, הכוח הצנטריפוגלי זורק את כדוריות הפלדה החוצה לכיוון היקף גלגל השיניים, ומכיוון שהמסילות אלכסוניות – מיקום גל הזיזים ביחס לגלגל השיניים משתנה ותזמון השסתומים מתאחר. כשהסל"ד יורד בחזרה, הדיסקיות הקוניות מפעילות לחץ על שתי היחידות והכדוריות חוזרות למקומן ההתחלתי – קרוב לגל הזיזים.
התוצאה – שינוי תזמון שסתומי היניקה בג'יקסר החדש מאפשר למנוע לספק הספקים גבוהים מאוד בסל"ד גבוה, ועם זאת מאפשר לטווח המומנט היעיל להיות רחב. במילים אחרות – מנוע שהוא גם גמיש וגם מפיק הספק גבוה.
הימור שלנו – בשנים הקרובות נראה מערכות תזמון שסתומים מכאניות ביותר ויותר אופנועים.
