תכנון אווירודינמי חוסך דלק

ההוצאה האנרגטית להפעלת משאית הייתה ונותרה גבוהה, בין שמדובר במנוע דיזל קונבנציונלי, במנוע גז טבעי או בהנעה חשמלית. צריכת האנרגיה הייתה ונותרה אחד הפרמטרים המרכזיים בעלויות של חברת התובלה, עד כדי כך, שכל חיסכון, אפילו אחוזים אחדים, משפיע מאוד על התוצאות העסקיות של חברת התובלה.

באחזקת משאית כבדה טיפוסית שמשודך אליה גרור או נתמך, מרכיב הדלק עשוי להגיע ל-40% מההוצאות התפעוליות, הכוללות את משכורת הנהג. אם מנכים את המשכורת מהתחשיב, מרכיב התדלוק מגיע למחצית מההוצאות התפעוליות על המשאית הכבדה. התחשיב נוגע למשאית במשקל כולל של 26 טונות הגוררת גרור מלא.

אבל גם במשאיות החלוקה הקלות התמונה אינה שונה מהותית. במשאית כזו (ללא מרכב קירור) מגיעה ההוצאה על תדלוק לשליש מההוצאות התפעוליות ללא ההוצאות על העסקת נהג.

במשאיות חשמליות תמונת המצב אחרת. הנצילות האנרגטית החשמלית של המשאית עצמה גבוהה מאוד, אולם יש להתייחס למקור האנרגיה החיצוני שמאפשר את טעינת המשאית: פחם, גז, אנרגיה מתחדשת וכו'.

המטרה: להפחית את צריכת האנרגיה

הזינוק במחירי הדלק, בפרט עם תחילת המלחמה באוקראינה, מרמה של כ-25 דולר לחבית בתחילת מגפת הקורונה בשנת 2020 לרמה של יותר מ-120 דולר לחבית כיום, מביא את המדינות המפותחות לחפש דרכים להפחתת התלות בנפט הרוסי ואת צריכת הדלק של כלי הרכב הכבדים.

בשנים האחרונות הושגו בנושא זה שיפורים ניכרים, ובהם שיפור יעילותם של מנועי הדיזל, שימוש בהנעה היברידית (משלבת מנוע דיזל עם הנעה חשמלית) ומעבר להנעה חשמלית כמובן. נעשה גם שימוש בגז טבעי ובדלקים אורגניים (ביודיזל ואתאנול).

בד בבד יצרני המשאיות והגרורים ממשיכים לשים דגש רב בחיסכון בדלק שמקורו בשיפור האווירודינמיות של המשאיות, הגרורים והמרכבים. לכאורה נראה שמדובר בחיסכון זניח, אולם לא כך. המשאית והגרור חייבים אומנם להיות רחבים וגבוהים מעצם ייעודם, אולם למרות ממדיהם אפשר להשיג שיפור אווירודינמי שיחסוך אלפי שקלים בשנה לכל משאית.

עקרונות המבנה האווירודינמי

המבנה האווירודינמי חייב להיות מבוסס על דפנות מרכב חיצוניות "חלקות" ככל האפשר, כלומר ללא בליטות כלשהן בדפנות הצד. הצמדת הדופן הקדמית של המרכב לתא הנהג של המשאית היא תנאי חשוב נוסף לחיסכון בדלק. המטרה היא שהרוח "תחליק" על הקבינה, ומשם היישר על דפנותיו החלקות של הארגז, ללא מכשולים והפרעות.

במחקר שהתקיים בבריטניה נמצא שחדירת הרוח בין הקבינה לארגז מגדילה מאוד את תצרוכת הדלק. נראה שצריך לתכנן את גובה הארגז כך שלא יבלוט (רוחב וגובה) מעבר לקבינה. מלבד זאת יש לדאוג לכיסוי אווירודינמי חלק מהקבינה לארגז (בכיוון זרימת הרוח), כך שיאחד את שני הגופים למעין גוף אחד נטול בליטות ושקעים אשר איננו יוצר כמעט מערבולות רוח. הכיסוי הזה, על אף משקלו, עשוי לחסוך הרבה דלק.

המלצה אחרת, בנושא מרכבים רכינים, היא להתקין את מערכת התמסורת של הרכינה בדיוק מתחת לארגז, כך שגם היא תבלוט כמה שפחות ותתנגד מעט ככל האפשר לזרימת האוויר.

תכנון אווירודינמי מושכל של המרכב מאפשר לחסוך ביקורים רבים בתחנות הדלק. לדוגמה, במשאית רכינה כבדה בעלת הנעה 8x4 אשר גומעת כ-80,000 ק"מ בשנה, אפשר לחסוך כ-2,700 ליטר סולר רק באמצעות תכנון אווירודינמי אופטימלי. אם המשאית נוסעת כ-120,000 ק"מ בשנה, החיסכון יגיע ל-4,050 ליטר. מובן שכל מה שהוזכר עד כה לגבי תכנון מרכב המשאית נכון גם לגבי תכנון מרכב הגרור או הנתמך שצמודים אליה.

נוסף על כך רצוי להקטין למינימום את המרחק בין המשאית לגרור כדי להפחית את ההתנגדות האווירודינמית. ברכב מחובר (משאית + גרור מלא) אפשר להפחית את המרחק באמצעות ייצול טלסקופי (שכמעט ואיננו בשימוש בארץ) שמתארך אך ורק בעת שהמשאית מבצעת סיבוב. לייצול יש גם יתרון שקשור לעמידה בתקנה 313 שקובעת את האורך המותר של הרכב המחובר (18.75 מטר).

ברכב מורכב (תומך + נתמך) התמונה מעט אחרת מאחר שיש להתחשב בחלוקת העומסים. אולם גם כאן התכנון המוקדם עשוי לקרב בין שני הרכבים עד למינימום המותר על פי התקינה האירופית שנהוגה בארץ. גם כאן כדאי לדאוג לכיסוי פלסטי אווירודינמי שיהפוך את שני הגופים למעין גוף אחד נטול בליטות ושקעים, ואשר איננו יוצר כמעט מערבולות רוח.

אתגרים בתכנון משאיות אווירודינמיות

כאשר הם מעצבים משאית, יצרנים צריכים להביא בחשבון לא רק את האווירודינמיקה, אלא גם את העיצוב החיצוני והפנימי, המרחב בתא הנהג ומארזי הרכיבים. כאשר הם משכללים את הצורה החיצונית, צריך להביא בחשבון זוויות, רדיוסים וממדים ליעילות אווירודינמית.

בדרך כלל אפשר לבצע שיפורים אווירודינמיים עם השפעה מינימלית על אסתטיקת העיצוב. ככל שעיצוב המשאית מתקדם יותר, אלמנטים אווירודינמיים כגון ספוילרים, מסיטי אוויר מהגלגלים וכיסויי גחון מתווספים לעלויות החלקים, למשקל ולאילוצים אחרים. בד בבד לאורך תהליך התכנון יש לשמור על זרימת אוויר נאותה ליחידות שתפקידן לקרר (מחליפי חום), תוך מזעור התנגדות הרוח.

האתגרים העיקריים בתהליך תכנון המשאית הם הקושי להשיג מידע אווירודינמי ומחירו. באופן מסורתי, מתכנני משאיות צריכים לבנות דגמים מפורטים או אבות טיפוס של משאיות ולבדוק אותם במנהרות רוח. זה יכול לקרות רק בשלבים מאוחרים של תהליך התכנון, ולכן קשה מאוד לבצע שינויים בקנה מידה גדול בעיצוב, והדבר גם גוזל זמן ויקר. סוג בדיקות זה ליעילות אווירודינמית הוא תורם עיקרי לעלויות פיתוח משאיות ולזמן התכנון.

סימולציה אווירודינמית

סימולציה אווירודינמית היא אלטרנטיבה חסכונית לבדיקות של דגמים ואבות טיפוס. סימולציה משנה את תהליך פיתוח הרכב על ידי הפחתה של עלויות הפיתוח וזמן מחזור התכנון. סימולציה גם יכולה לספק משוב לביצועי התכנון בכל שלב של פיתוח, ולעזור למעצבי משאיות להבין את האווירודינמיקה של העיצובים שלהם בכל עת.

יתרה מזו, סימולציה אווירודינמית מדויקת יותר מבדיקות פיזיות, מכיוון שהיא יכולה ללכוד פרטים קטנים שמודלים פיזיים החמיצו. סימולציות יכולות לשכפל בדיוק מופלא תנאי כביש שעלולים להזיק למנהרות רוח. לבסוף, סימולציה עשויה להוזיל את עלות תהליך הפיתוח על ידי חשיפת שיפורים עיצוביים בשלב תכנון מוקדם, ולאפשר למתכננים לפתח פתרונות שאינם מצריכים חלקים והוצאות נוספות.

בעת בחירת מפרט המשאית יש לשים לב למאפייני תא הנהג. היצרנים מציעים מגוון רחב של קבינות, הנבדלות ביניהן בגובהן וברמת האבזור הפנימי. תא שינה למשל גוזל מקום בקבינה ומוסיף משקל רב למשאית. קבינה גבוהה אומנם נוחה לעמידה, אולם פירושה אווירודינמיות ירודה, משקל רב ותצרוכת דלק גבוהה.

מיקום המנוע יחסית לתא הנהג

למיקום המנוע יש השפעה רבה על האווירודינמיות של הרכב. למשאיות "אמריקניות", שבהן הקבינה נמצאת מאחורי המנוע, יש עדיפות ברורה על פני משאיות "אירופיות", שמתאפיינות בקבינה גבוהה ושטוחה מעל המנוע. המבנה האווירודינמי של המשאית האמריקנית מפחית במידה ניכרת את ההתנגדות לזרימת האוויר, וכך קטנה גם תצרוכת הדלק. מלבד זאת הגישה לכל הטיפולים במנוע קלה ומהירה.

להעדיף אורך על פני גובה

ניסויים רבים שנעשו לכלי הרכב הכבדים מלמדים שצריכה להיות התאמה אופטימלית בין התומך לנתמך, ויש לשאוף שמרכב המשאית ומרכב הגרור או הנתמך לא יעברו את גובה הקבינה. יש לכך השפעה גרועה על האווירודינמיות של הרכב. הבדלי הגובה יוצרים "מערבולות אוויר" שגורמות לתצרוכת דלק גבוהה. במילים אחרות: יש להעדיף מרכב ארוך על פני מרכב גבוה ובולט.

כשמתקינים מרכב גבוה, יש להתקין בלית ברירה מגן רוח עליון על גג הקבינה. משקלו זניח למדי, והוא תורם רבות לשיפור האווירודינמיות ולהפחתת תצרוכת הדלק. פרסום רשמי של משרד האנרגיה הבריטי מלמד שמגן הרוח עשוי לחסוך 3.7% מתצרוכת הדלק של התומך ("סוס"), בתנאי שהוא נחוץ (בשל הפרשי גובה) ומכוון לגובה הנכון (הניסיון מלמד שבחלק ניכר מהמשאיות הוא לא מכוון כהלכה).

ניקולה: משאית חשמלית אווירודינמית

המשאית החדשה של ניקולה (Nikola One) עוררה לאחרונה עניין מיוחד הודות לקונספט החדשני של תא הנהג, הן בעיצוב החיצוני והן בתכנון הפנימי. העיצוב החיצוני הוא כמובן זה שמושך מיד את העין.

צוות הפיתוח הצהיר :"מיליון מיילים של דלק חינם." דבק במחויבותו "לעולם לא להתחבר" (כלשונו) לטעינה חשמלית, שכן הוא משתמש בתאי דלק המבוססים על מימן כדי לטעון את הסוללה הענקית של 320 קילוואט-שעה שעל הרכב. יש גם בלימה רגנרטיבית חכמה שטוענת את מצברי המשאית בעת בלימה.

יותר מ-32,000 תאי ליתיום-יון הנטענים בעיקר על ידי טורבינה הניתנת להנעה ממגוון סוגי דלק תורמים לטעינה החזקה של ניקולה ומאפשרים טווח נסיעה חשמלי של 1,200 מייל (1,920 ק"מ). נתון זה היה פחות טוב בהרבה אלמלא העיצוב האווירודינמי המרשים, דמוי ראש החץ, של תא הנוסעים.

התכנון הייחודי מאפשר גמישות תפעולית גבוהה, גם כאשר משווים אותו לתומך קונוונציונלי כבד (Class 8) המופעל עם מנוע דיזל. בארצות הברית, באופן מסורתי, מנוע הדיזל ממוקם לפני תא הנהג. גמישות זו מאפשרת למעצבים להתמקד בחוויית הנהג ולפרוס את מרחב העיצוב הקדמי כדי לפתח שיפורים אווירודינמיים ניכרים.

במקום שמשה קדמית וגריל מסורתיים ואנכיים, לניקולה יש פרופיל צד ארוך ויחיד, מהפגוש ועד ליציאה של פאנל הגג, כדי לאפשר לאוויר "לגלוש" מעליו עם הפרעות אווירודינמיות מופחתות. הפרופיל החיצוני כולל רדיוסים רכים יותר באזור עמודי A המסורתיים. הפרופיל עובר באופן חלק ונקי לקשתות הגלגלים במטרה להפחית את ההתנגדות לגרירה בכל תנאי רוח. המטרה מושגת בהצלחה מרשימה בהשוואה לעיצוב מכסה המנוע ותא הנהג של התומך המסורתי.

בקדמת תא הנוסעים ובצדי החצאית, מאחורי הגלגלים הקדמיים, ממוקמים פתחי אוורור במיקום אסטרטגי. תפקידם לינוק את זרימת האוויר המתקרבת כדי לסייע בניהול התרמי של מערכת ההנעה החשמלית בטורבינה תוך שיפור האווירודינמיקה, הנחוצה לטווח החשמל הממושך של ניקולה. מדובר ביישום חכם של שימוש בזרימות האוויר הקיימות ממילא לשימושים תרמיים פסיביים. אלה מאפשרים למשאית לגרור את המטען שלה ביעילות, בד בבד עם השיפור האווירודינמי והיעילות האנרגטית.

תוכנית המשרד האמריקני לאיכות הסביבה

הממשל בארצות הברית מקדיש מאמצים ניכרים להפחתת תצרוכת הדלק של כלי הרכב. הממשל הפדרלי היקצה סכומים לא מבוטלים לפיתוח של מקורות אנרגיה אלטרנטיביים, והיעד הוא להפחית את תלותה של ארצות הברית בייבוא דלק ממדינות אחרות. ארצות הברית היא צרכנית הדלק הגדולה בעולם. היא צורכת כרבע מהצריכה העולמית של הנפט הגולמי.

מלבד פיתוח מקורות האנרגיה החלופיים, הממשל מעורב במספר פרויקטים שבהם הוא פועל עם יצרני המשאיות והגרורים, ואשר תכליתם להפחית את תצרוכת הדלק כבר כעת, בדור הנוכחי של משאיות הדיזל. השיפורים האלו יתרמו גם למשאיות החשמליות, שם מערכת העברת הכוח קטנה יותר ומיקומה גמיש יותר.

הממשל החליט לעודד את השיפור האווירודינמי באמצעות מיזם משותף עם יצרני המשאיות. היעד שאפתני במיוחד: להשיג חיסכון של מיליארד גאלונים של דלק בשנה. לשם כך פנו לאנשי איגוד יצרני הרכב האמריקני ולארבעה יצרני משאיות מובילים. כל אחד מהיצרנים קיבל משימות בפרויקט מוגדר, והוסכם מראש שהידע שנצבר יהיה נחלתם המשותפת של כל היצרנים בעתיד.

הדגשים היו שיפור החזית האווירודינמית, "החלקת" צידי המשאיות והנתמכים, טיפול בהתנגדות לזרימת האוויר שיוצרות מראות המשאית המגושמות, צמצום המרחק בין התומך לנתמך למינימום והפחתת התנגדויות בחלקן התחתון של המשאיות והנתמכים.

המטרה המוצהרת היא להפחית את ההתנגדות לנסיעה כך שיושג חיסכון של כ-10% בתצרוכת הדלק. הדרישות הן לפתח רכיבים פשוטים שיהיו כלכליים וידידותיים למשתמש ושהפיתוח לא יפריע למשתמש בעבודתו, כך שהיישום לא יעלה התנגדות מהשטח.

אחד הפיתוחים הוא מעטה אווירודינמי מתכוון שמותקן בין התומך לנתמך. תפקידו לכסות את המרווח בין שני כלי הרכב כדי למנוע מערבולות אוויר. צריך לשפר את התכנון כך שיהיה פרקטי לעבודה וידידותי למשתמש.

לשם כך פותחה מערכת ייחודית שפורסת את הכיסוי מהר ומכווצת אותו לאט. בדרך זו הנהג נהנה מאווירודינמיות משופרת במהירויות גבוהות, ובמהירויות נמוכות הקיפול מאפשר זווית הטיה חדה בין התומך לנתמך (לצרכי תמרון / סיבוב) וגישה נוחה לנהג לצלחת הריתום, לשם חיבור הנתמך או ניתוקו מהתומך.

שינויים קלים, שיפורים גדולים

ניסויים אווירודינמיים במנהרת רוח מלמדים שאפשר להפחית חלק ניכר ממערבולות האוויר שנוצרות מתחת למשאית על ידי הסטה נכונה ומדויקת של האוויר בחזית הרכב. הדבר מפחית מאוד את הצורך להתקין אביזרים אווירודינמיים תת-רכביים נוספים, שמשמעותם מחיר ומשקל עודף.

לניסויים יש כבר ביטוי מעשי בשינוי של הפגוש הקדמי. על הפגוש הולבש אביזר מסיט רוח, הגורם דווקא להגדלת ממדיו של הפגוש ומאפשר לו להסיט טוב יותר את הרוח אל מתחת לרכב, שם ההתנגדות לזרימה פחותה. האביזר נבנה מחומרים מרוכבים (פלסטיים) בעלי משקל נמוך וחוזק גבוה, ויש לו השפעה מועטה מאוד על תפעול המשאית ותחזוקתה.

שינוי אחר הוא מסיט רוח שמותקן בחלקה האחורי של הקבינה, מעל קורות השלדה, ומגיע לצלחת הריתום של הנתמך. המסיט הפלסטי, המכונה deck closure, מונע מערבולת אוויר חזקה בין התומך לנתמך, המגדילה את ההתנגדות האווירודינמית. למסיט העילי משקל נמוך וחוזק גבוה. המערבולת נוצרת משני מקורות: זרימה עילית של האוויר מצידי תא הנהג ומזרימת אוויר מתחת לתומך, המנסה לפרוץ כלפי מעלה, במרחק הקיים בין התומך לנתמך.

שינוי נוסף קשור דווקא לנתמך. מדובר בהוספת מסיט רוח (מכונה air deflector) המותקן בחזית הנתמך ומיועד למנוע מערבולות אוויר ליד הגלגלים והסרנים שלו. בוולוו מציינים שהחידוש אומנם פחות יעיל מחצאית אווירודינמית מלאה, אולם יתרונו במשקל נמוך, בממדים קטנים, במחיר ובמידת הפגיעות הקטנה לנזקים חיצוניים.

חידוש אווירודינמי נוסף הוא הרחבות אווירודינמיות לגג ולצידי תא הנהג. אלמנטים אלו, המכונים Roof and side fairing extenders, מוצעים כבר כעת ללקוחות וולוו. הם משפרים את זרימת האוויר ומפחיתים את המערבולות שבין חלקו האחורי של התמך לחזיתו. אלמנט זה משתלב עם ה-deck closure. שניהם מפחיתים למינימום את האפשרות שייווצרו מערבולות אוויר בין שני כלי הרכב המורכבים.

הפיתוח הנוכחי של וולוו (נרשם כפטנט) מאפשר לנהג המשאית לשנות את ממדי מסיט הרוח, תוך צמצום "המרחק הריק" בין התומך לנתמך למינימום. בדרך זו הנהג יכול ליצור התאמה אווירודינמית לנתמך ספציפי (התאמה הקשורה לגובה הנתמך ולמרחק מפין הגרירה).