טכני: רוכבים על חוטים

כל גולש שעוקב בשנים האחרונות אחר אופנועים חדשים שנחשפים ונמכרים בשווקים ודאי נתקל במושגים 'מצערת חשמלית', Ride by Wire', 'RbW, או 'רכב-על-חוט'. אנחנו בפול גז, כמו שאר המגזינים, כתבנו על כל כלי שכזה ואף הדגשנו את המצערות החשמליות. כל המושגים הללו מתייחסים למערכת אחת שהיא חלק מההתקדמות במערכות הזרקת דלק וניהול מנוע בשנים האחרונות, כשהכוונה היא למצערת המופעלת על-ידי מנוע חשמלי ולא באופן מכאני על-ידי ידית המצערת.

זיהום אוויר ושליטה

אם נחזור לרגע להיסטוריה הלא כל כך רחוקה, נראה שמנועי בעירה של אופנועים היו מוזנים כולם על-ידי קרבורטורים. קרבורטור הוא מכשיר מכאני המייצר תערובת של אוויר ודלק ומכניס את התערובת אל תוך סעפת היניקה ומשם אל המנוע. הקרבורטור ידע לשלוט גם על כמות התערובת וגם על יחס התערובת, כלומר כמה תערובת תיכנס אל תוך המנוע, וגם מה יהיה יחס הדלק באוויר בתוך אותה תערובת (תערובת עשירה, תערובת ענייה וכו'). שני הפרמטרים הללו – כמות התערובת ויחס התערובת – נשלטו על-ידי ידית המצערת. בפתיחת גז הרוכב למעשה שלט על כמות האוויר שנכנסת למנוע, והקרבורטור היה מוסיף את כמות הדלק הדרושה כדי לספק את יחס התערובת הנכון לאותו המצב. לדוגמה, ככל שהרוכב פתח יותר את ידית הגז, כך היה נכנס יותר אוויר אל המנוע, והקרבורטור היה מוסיף גם יותר דלק, כלומר לא רק כמות תערובת יותר גדולה אלא שהתערובת הזו הייתה גם יותר עשירה – לתאוצה.

השליטה על כמות האוויר התבצעה על-ידי ידית המצערת, שממנה יצאו שני כבלים – כבל מושך וכבל מחזיר – ואלו היו פותחים וסוגרים את פרפרית המצערת בקרבורטור. זו האחרונה שלטה הלכה למעשה על כמות האוויר שתיכנס דרך הקרבורטור אל תוך המנוע, וכאמור, הקרבורטור היה מוסיף את כמות הדלק הדרושה.

את הקרבורטור הישן והטוב מחליפה ב-20 השנים האחרונות מערכת הזרקת דלק אלקטרונית, כשהסיבה לכך היא יחידה – זיהום אוויר. גם הקרבורטור האיכותי, המדויק והמכוון ביותר לא יכול לספק תערובת מדויקת ב-100%, והתוצאה היא רמת מזהמים גבוהה, במיוחד גז רעיל מסוג CO. לדוגמה, הערך המקסימלי של CO המותר למכוניות בעלות קרבורטורים עומד על 3.5-4% מסך גזי הפליטה, ועם המעבר להזרקות דלק הערך הזה ירד בתחילה ל-0.1%, וכיום הרבה פחות. אז כן, מערכת ההזרקה חיסלה כמעט לחלוטין את גז ה-CO הרעיל.

אבל גם עם המעבר להזרקות דלק, השליטה על כמות האוויר נותרה בידי הרוכב. במערכות הזרקת דלק של דור או שניים אחורנית, ידית המצערת מחוברת מכאנית על-ידי כבלים לפרפרית המצערת שבגוף המצערת, וכך הרוכב שולט באופן מכאני על פתיחה וסגירת המצערת – בדיוק כמו בקרבורטור. אז הרוכב קובע את כמות האוויר שתיכנס למנוע, ומערכת ההזרקה מודדת את כמות האוויר שנכנסת ומוסיפה את הדלק הדרוש, באופן מדויק למדי כמו שראינו.

השליטה עוברת מהרוכב לאלקטרוניקה

בדורות האחרונים של מערכות הזרקת הדלק, השליטה על כמות האוויר עברה מהרוכב אל מערכת ניהול המנוע. קוראים לזה מצערת חשמלית או Ride-by-Wire, כלומר רכב על חוט.

הטרימינולוגיה הזו הגיעה בכלל ממטוסים, שם כבר עשרות שנים שההגאים (גובה, כיוון, מאזנות, מדפים וכו') לא נשלטים באופן מכאני על-ידי הטייס, אלא על-ידי מחשבים. הפקודות מהגאי הטייס הן פקודות אלקטרוניות למחשב ניהול הטיסה, והמחשב נותן פקודה למנועים חשמליים להזיז את המדפים – באלגוריתם שמשלב את רצון הטייס יחד עם נתונים אובייקטיביים ויכולות המטוס. קוראים לזה Fly-by-Wire, או הגאים חשמליים.

וכך במערכות הזרקת דלק מודרניות ומתקדמות, הרוכב כבר אינו שולט על פתיחת המצערת אלא רק 'אומר' למחשב ניהול המנוע כמה גז הוא רוצה לפתוח, ומחשב ניהול המנוע פותח את המצערת על-ידי מנוע חשמלי תוך שהוא מתחשב ברצון הרוכב, אבל גם בנתונים אובייקטיביים כמו מצב המנוע, כמות האוויר שיכולה להיכנס בפועל, וגם מצב ניהול המנוע הנבחר (על כך בהמשך).

איך זה מתבצע?

אם במערכות הזרקת דלק מדורות קודמים ידית המצערת מושכת כבלים שפותחים מכאנית את פרפרית המצערת, הרי שבמערכת הזרקה מודרנית עם מצערת חשמלית ידית המצערת אינה פותחת או סוגרת כלום. היא בסך הכל פוטנציומטר (נגד משתנה – חיישן מצב מצערת), אשר מדווח למחשב ניהול המנוע על רצון הרוכב – כמה גז הרוכב רוצה לפתוח.

בהקשר הזה נציין שמערכות ההזרקה הראשונות שהגיעו עם מצערות חשמליות, למשל באפריליה דורסודורו מהדגמים הראשונים של 2009, הגיעו עם ידית מצערת רגילה לחלוטין הכוללת צמד כבלים – מושך ומחזיר. הכבלים עברו מאחורי הכידון וראש ההיגוי, אחורנית לעבר המצערות, אך לא הגיעו פיזית אל גופי המצערת, אלא אל פוטנציומטר (נגד משתנה – חיישן מצב מצערת) שישב על השלדה, וזה העביר את הנתונים האלקטרוניים למחשב ניהול המנוע. הסיבה לכך היא שהיצרניות רצו לשמור על תחושת החיכוך של צמד כבלים בתפעול ידית המצערת. אולם בשנים האחרונות היצרניות ירדו גם מזה, וכיום במערכות הזרקה עם מצערות חשמליות ידית המצערת עצמה היא הפוטנציומטר – חיישן מצב המצערת, ולא יוצאים ממנה כבלים מכאניים אלא כבל חשמלי שהולך אל מחשב ניהול המנוע. בידית עצמה ישנו קפיץ מחזיר שסוגר את המצערת ונותן התנגדות לפתיחה, אולם התחושה בידית היא הרבה יותר חלקה מאשר מצערת שמפעילה כבלים. נסו לשחק עם ידית מצערת ללא כבלים מכאניים, למשל של דגמי הכביש של ק.ט.מ, הוסקוורנה, דוקאטי או ב.מ.וו, ותבינו מיד על מה מדובר.

ואיך פרפרית המצערת נפתחת ונסגרת בפועל? ובכן, כאמור, על-ידי מנוע חשמלי שיושב על גוף המצערת ופותח וסוגר את פרפרית המצערת בהתאם לפקודה ממחשב ניהול המנוע. המנוע החשמלי, סוג של מנוע סרבו שיושב על גוף המצערת, מחובר למערכת גלגלי שיניים פנימיים להגברת מומנט והקטנת מהירות, והוא פותח וסוגר פיזית את פרפרית המצערת בדיוק רב. לרוב יש התאמה בין רצון הרוכב (כמה גז הרוכב פותח) לבין פתיחת המצערת החשמלית בפועל, אולם ייתכנו מצבים שלא. למשל, ייתכן מצב שבו הרוכב יפתח פול גז, אבל בפועל פרפרית המצערת תיפתח רק רבע או חצי ממהלכה.

שני יתרונות חשובים

העברת השליטה בפרפרית המצערת מהרוכב אל מחשב ניהול המנוע עשויה להטריד לא מעט רוכבים. מספיק להיזכר בתאונה המצערת של רוכב ה-MotoGP דאג'ירו קאטו, אשר נהרג במסלול סוזוקה בסבב הראשון של עונת 2003 על גבי ההונדה שלו. הסיבה הרשמית לתאונה הקטלנית על-פי הונדה הייתה איבוד שליטה כתוצאה מכמעט היי-סייד, אולם תיאוריות כאלו ואחרות טוענות שהמצערות החשמליות באופנוע של קאטו נשארו פתוחות, על אף שסגר את ידית המצערת, וכתוצאה מכך הוא המשיך בגז אל תוך קיר והתנגש בו בכ-200 קמ"ש.

גם אם התיאוריות הללו נכונות, עברו כמעט 14 שנים מאותה תאונה אומללה, ובשנים הללו מערכות המחשוב ובתוכן מערכות ניהול המנוע השתפרו והתחזקו משמעותית. מספיק לחשוב על השיפור במהירות עיבוד הנתונים במחשבים אישיים בעשור וחצי האחרון, וההשלכה למחשבי ניהול מנוע תסביר איפה היינו לפני 15 שנים ואיפה אנחנו היום. בפועל, העולם הולך לכיוון של מצערות חשמליות. אלו מציעות שני יתרונות חשובים.

הראשון הוא, כאמור, שליטה טובה יותר על כמות האוויר. ולמה זה חשוב? ובכן, נסביר זאת בדוגמה. כל מי שרכב על אופנוע אנדורו או מוטוקרוס טרום עידן הזרקות הדלק, ודאי מכיר את תופעת ה'בוג' – בפתיחת מצערת פתאומית המנוע משתנק לרגע לפני שהסל"ד מתחיל לעלות. הסיבה לכך הייתה שפתיחת מצערת פתאומית מפילה רגעית את תת-הלחץ שבקרבורטור, ולכן באופן רגעי דלק לא נשאב אל הקרבורטור והמנוע מקבל כמות גדולה של אוויר עם כמות קטנה של דלק. כדי לפתור את הבעיה הזו בקרבורטורים, אגב, פיתחו את משאבת התאוצה, שמרססת מנת דלק אל תוך לוע הקרבורטור בפתיחת מצערת חזקה ומעלימה חלקית את תופעת ה'בוג'.

במערכת הזרקה עם מצערת מכאנית התופעה הזו עדיין עלולה להתרחש (אם כי משמעותית פחות מאשר בקרבורטור). אולם במערכת ניהול מנוע עם מצערות חשמליות, גם אם הרוכב יפתח את ידית המצערת בפתאומיות, מחשב ניהול המנוע יפתח בפועל את המצערות החשמליות שבגוף המצערת בהדרגתיות, על-מנת לקבל אספקת כוח חלקה ומדויקת יותר. מחשב ניהול המנוע יתחשב לא רק ברצון הרוכב, אלא גם בתנאים האובייקטיביים של המנוע, ויפתח את המצערות בהתאם למגבלות, בכל מצב ולפי מספר רב של פרמטרים.

היתרון השני, החשוב לא פחות, הוא הרחבה משמעותית של טווח השימושים של המנוע. יצא לכם לרכב, או לפחות לקרוא, על אופנועים המציעים מספר רב של מצבי ניהול מנוע? למשל מצב 'מרוץ', מצב 'ספורט', מצב 'תיור', מצב 'גשם' או מצב 'אנדורו'? ובכן, מצבים אלו הם תכניות ניהול מנוע ששולטות על כמה מפעילים במערכת ההזרקה – למשל קידום ההצתה, למשל כמות הדלק שתוזרק למנוע וכפועל יוצא כוח המנוע, אבל לא פחות חשוב – על אופן פתיחת המצערת החשמלית. במצב 'ספורט' למשל, הספק המנוע יהיה מקסימלי על-ידי כמות דלק גדולה בפתיחת מצערת, וגם קידום ההצתה יהיה מקסימלי, בוודאי ביחס למצבי ניהול מנוע 'רכים' יותר, אולם השליטה תהיה גם על מהירות פתיחת המצערת. במצב 'ספורט' למשל, המצערת החשמלית תיפתח מהר יותר מאשר במצב 'תיור' וכך המנוע יגיב מהר ואגרסיבי יותר.

דוגמה נוספת: במצב 'גשם' ניהול המנוע מגביל לא רק את מהירות פתיחת המצערת החשמלית, אלא גם את הפתיחה המקסימלית (במקביל לכמות הדלק ולקידום ההצתה). באופן כזה, גם אם הרוכב יפתח פול גז בפתאומיות, בפועל המצערת החשמלית תיפתח בהדרגתיות כדי לקבל תגובת מנוע מתונה יותר שלא תשבור את אחיזת הצמיג האחורי, אבל גם תוגבל בכמות הפתיחה שלה כדי להגביל את הספק המנוע המקסימלי.

בדוקאטי מולטיסטראדה למשל, המצויד כמובן במצערות חשמליות, במצב 'ספורט' מקבלים את מלוא ההספק – 160 כ"ס, ותגובת המצערת מהירה וחדה. מצב 'תיור' יספק את מלוא ההספק, כאמור 160 כ"ס, אולם פתיחת המצערת תהיה מתונה יותר גם אם הרוכב פתח פול גז בפתאומיות, ואילו מצבי 'אורבן' או 'אנדורו' לא רק שימתנו את מהירות הפתיחה של המצערות החשמליות, אלא גם יגבילו את פתיחתן כך שייכנס פחות אוויר מהמקסימום האפשרי והספק המנוע יוגבל ל-100 כ"ס. וזו רק דוגמה אחת. גם בשאר הכלים האירופאים – ק.ט.מ, ב.מ.וו ואפריליה – העיקרון זהה, והיפנים הולכים גם הם לאותו הכיוון, באיחור האופנתי האופייני להם.

יתרון נוסף – הטמעת מערכות עזר אלקטרוניות

למערכת ניהול מנוע עם מצערות חשמליות יש יתרון מהותי נוסף – היא מאפשרת הטמעה של מערכות עזר אלקטרוניות נלוות בקלות רבה יחסית, ולמערכות מסוימות היא אף הכרח. מערכות בקרת החלקה, מערכות אנטי-ווילי או בקרת זינוק, כולן קלות יותר ליישום עם מצערות חשמליות. גם מערכת בקרת שיוט, שבה הרוכב קובע את מהירות הנסיעה, קלה מאוד ליישום עם מצערות חשמליות, שכן אז מחשב ניהול המנוע שומר על מהירות הנסיעה שנקבעה על-ידי פתיחה או סגירה של המצערות בהתאם לצורך. גם קוויקשיפטר, שמאפשר להעביר הילוכים ללא שימוש במצמד, מרחיב את פעולתו עם מצערות חשמליות. קוויקשיפטר שמאפשר רק העלאה של הילוכים אפשרי כמעט בכל מערכת הזרקת דלק מפני שמספיק ניתוק רגעי של ההצתה וההזרקה כדי להעביר הילוך, אולם בקוויקשיפטר שמאפשר גם הורדת הילוך נדרשות מצערות חשמליות, שכן בהורדת הילוך המחשב פותח את המצערות, בעצם נותן 'גז ביניים', משווה מהירויות בין המנוע לבין ההילוך הנבחר שאליו מורידים, ומאפשר העברת הילוך חלקה.

העתיד – חשמלי

נכון, בעתיד הרחוק גם המנועים עצמם יהיו חשמליים, אבל עד שמנועי הבעירה הפנימית ייעלמו מהעולם נראה התקדמות בתחום ניהול המנוע האלקטרוני, כשהבסיס לכך הוא מצערות חשמליות. אם לפני שנים ספורות רק כלים סופר-טכנולוגיים צוידו במערכות ניהול מנוע עם מצערות חשמליות, הרי שבשנים הנוכחיות התהליך מואץ משמעותית, והרבה מאוד כלים חדשים – גם מיפן – כבר מגיעים עם מצערות חשמליות.

בדיוק כמו מערכות הזרקת דלק, שהחלו להיכנס לאופנועים בסוף שנות ה-90 אל תוך שנות ה-2000, בתחילה רק באופנועים יקרים וטכנולוגיים והיום כבר בכל דו-גלגלי מרובע פעימות – אנו עדים לתהליך זהה גם עם מצערות חשמליות. אם לפני שנים ספורות רק אופנועי קצה זכו למצערות חשמליות, כיום המערכת המתקדמת בדרכה להיות סטנדרט בתחום, ולא רחוק היום שבו גם קטנועים פשוטים יזכו למצערות כאלה.

יאללה, רוכבים על חוטים!

• הטכנולוגיות שזלגו מעולם הרכב לדו-גלגלי