ההיסטוריה של מנוע הבעירה הפנימית, חלק א'

כתב: רן לוי

אני לא חושב שאני צריך להכביר במילים על חשיבותה של המכונית בעולמנו המודרני. ההמצאה הזו הפכה להיות חלק כה אינטגרלי מחיינו, עד שרובנו לא ממש חושבים עליה ביום יום. כאן בישראל, יש לנו הזדמנות נדירה לקבל פעם אחת בשנה, ביום כיפור, הצצה למעין למעין 'יקום מקביל', כזה שבו המכונית לא הומצאה מעולם. יקום שבו הרחובות שקטים וריקים, ועולמנו האישי מצטמצם לתחומי השכונה שלנו, או לאן שהאופניים יכולות לקחת אותנו.

כשמדובר בהיסטוריה של המכונית, הנקודה המוקדמת ביותר שמוכרת לרובנו היא פיתוחה של המכונית 'מודל T' ב-1908. רבים אולי טועים לחשוב שזו אף הייתה המכונית הראשונה אי פעם. אבל עם כל הכבוד להישג של הנרי פורד, ולמכונית שלו שהייתה הראשונה ששווקה להמונים במחיר שווה לכל נפש – ההיסטוריה של המכונית החלה עשרות שנים קודם, וביבשת אחרת. בסדרת פרקים, שתכיל שלושה פרקים, בחרתי להתמקד דווקא בהיסטוריה המוקדמת של המכונית, בגרמניה. מדוע?

המכונית הגרמנית והנאציזם

הסיבה הראשונה היא שחלק לא מבוטל מהטכנולוגיה שאפשר למצוא במכוניות המודרניות, אלה שמתגלגלות ברחובותינו היום, פותח לראשונה בדרכי הכורכר של גרמניה. הנרי פורד אמנם מצא את הדרך לייצר את המכונית בזול ולהביא את בשורת התחבורה להמונים – אבל שורשיה האמיתיים של המכונית נמצאים במרכז אירופה.

הסיבה השנייה היא התפקיד ששיחקה המכונית הגרמנית והתעשייה שהתפתחה סביבה באחד האירועים החשובים ביותר במאה העשרים: עלייתה לשלטון של המפלגה הנאצית. כפי שניווכח, ישנו קשר הדוק מאד בין המכוניות הגרמניות הראשונות והחברות שייצרו אותן – מדיימלר-בנץ ועד פורשה – ומכונת המלחמה הנאצית. החיפושית של פולקסווגן, אולי אייקון התחבורה הבולט ביותר במאה העשרים, היא תוצר ישיר של חזונו של היטלר. האוטובאן, רשת הדרכים המהירות שנחשבת לרשת הכבישים המתקדמת והטובה ביותר בעולם – היא מונומנט שהנאצים קיוו שיאפיל ביוקרתו אפילו על הפירמידות המצריות.

סדרת פרקים זו, אם כן, תעסוק בהתפתחותה של תעשיית הרכב הגרמנית על פני למעלה מחמישים שנה: משורשיה המוקדמים ביותר בבתי מלאכה צפופים ואפלים, ועד לאופן שבו הפכה להיות חלק מהדנ"א של האומה הגרמנית הגאה – חלק מסרטן הלאומנות שפשה בה בשנות השלושים של המאה הקודמת.

כריסטיאן הויגנס והניסויים הראשונים במנועי בעירה פנימית

כריסטיאן הויגנס (Huygens) היה מדען וממציא הולנדי. בשנת 1673 נטל הויגנס קנה תותח ומילא אותו באבק שרפה. עד כאן – שימוש מקובל לתותח. אך אז הרים הויגנס את הקנה עד שהיה מאונך לקרקע והחדיר לתוכו בוכנה שחוברה למשקולת דרך גלגלת… דהיינו, הויגנס הפך את קנה התותח למה שמוכר לנו כיום כצילינדר של מנוע. הפתיל הוצת, אבק השריפה התפוצץ והבוכנה נעה כלפי מעלה. הפיצוץ כילה את החמצן שבתוך הקנה ויצר בתוכו תת-לחץ ש'ינק' את הבוכנה כלפי מטה, כמו בשואב אבק. תנועת הבוכנה משכה את המשקולת והרימה אותה. היה זה מנוע בעירה פנימית הראשון בהיסטוריה.

הויגנס האמין שמנועי בעירה פנימית יאפשרו למהנדסים לבנות מנועים קטנים, קלי משקל אך רבי עצמה. ברגע של השראה רשם את הדברים הבאים. זכרו כי מדובר במאה השבע-עשרה:

"קלות משקל בשילוב כוח רב – זהו מאפיין חשוב מאוד [למנוע], ובזכותו ניתן יהיה להמציא סוגים חדשים של כלי רכב ביבשה ובמים. […] אולי לא יהיה זה בלתי אפשרי אפילו להניע כלי רכב דרך האוויר."

אך למרות הצלחתו הראשונית של הויגנס, רעיון הבעירה הפנימית נתגלה בסופו של דבר כמבוי סתום. מספר ממציאים ניסו לבנות מכונות דומות לזו של הויגנס, אך כולם נתקלו באותה הבעיה: אחרי הפיצוץ הראשוני, לא ניתן היה להכניס לקנה מנה נוספת של חומר נפץ בזריזות מספקת כדי שימשיך ויפעל, כך שהמנוע היה פחות או יותר 'חד-פעמי'.

במנועי קיטור, לעומת זאת, לא הייתה בעיה שכזו. מנוע קיטור הוא מנוע 'בעירה חיצונית': דהיינו, שריפת החומר הדליק מתרחשת מחוץ לצילינדר עצמו, וכיוון שכך ניתן להמשיך את הבעירה ברצף וללא הפסקה על ידי הוספה מתמדת של חומר בעירה כגון פחם או עצים. זו הסיבה שמנועי הקיטור עלו לגדולה במאה השמונה-עשרה ורעיון הבעירה הפנימית נזנח לחלוטין. או ליתר דיוק – כמעט לחלוטין.

ניקולאוס אוטו והמנוע של ז'אן לינואה

ב-1861 הסתובב איש מכירות גרמני ברחבי בלגיה, ושיווק סוכר וכלי מטבח לבעלי עסקים קטנים. עבודתו הובילה אותו לערים ולכפרים רבים, ובאחד מהם נתקל אוטו בהמצאה משונה ובלתי שגרתית: מנוע שפיתח ממציא בלגי בשם ז'אן לינואה (Lenoir). לעיניים מודרניות המנוע של לינואה אינו מרשים במיוחד: הוא היה גדול כמו שולחן סנוקר, רועש מאד וההספק שהפיק היה כשני כוחות סוס בלבד – לשם השוואה, כמחצית מהספק של מנוע מכסחת דשא מודרנית, מהסוג הזול.

אבל איש המכירות הוקסם מהמנוע הרועש. ניקולאוס אוגוסט אוטו (Otto) נולד בגרמניה בשנת 1832, ואם לשפוט לפי מהלך חייו המוקדמים – היה כנראה האדם האחרון שהיינו מצפים שיחולל מהפכה בעולם הנדסת המכונות. אוטו אמנם הפגין כישרון טכני כילד – אבל אביו הלך לעולמו בגיל צעיר, ואוטו נאלץ לעזוב את בית הספר התיכון ולעבוד לפרנסתו כמוכר בחנות מכולת ולאחר מכן כאיש מכירות נודד. אך למרות שמעולם לא זכה להשכלה טכנית רשמית, עיניו תרו אחר הנדסה, מכונאות ומנועים.

בתקופתו של אוטו ולינואה המנועים הנפוצים היו מנועי הקיטור. במנוע קיטור, אדי מים לוהטים הוזרקו בלחץ גבוה לתוך צילינדר מוארך. האדים הרותחים דחפו בוכנה בתוך הצילינדר, והיא בתורה הפעילה את המכשיר שהיה מחובר למנוע – למשל, משאבה או נול אריגה. אמנם מנועי הקיטור עמדו בחזית הטכנולוגיה במאות השמונה עשרה והתשע עשרה, אך היה להם חיסרון בולט: גודלם. משקלם הגדול של מנועי הקיטור, ובמיוחד הדוד הגדול בעל הדפנות העבות שבו נשמרו האדים הרותחים לפני כניסתם לצילינדר הביא לכך שהשתמשו בהם בעיקר ליישומים נייחים, כגון מנועים במפעלים או במכרות. כמה חלוצים נועזים ניסו להרכיב מנועי קיטור על כרכרות – אבל כל הניסיונות הללו כשלו: מנועי הקיטור היו כבדים מדי, וברקע עמד החשש התמידי שמא טלטולי הדרך יסדקו את דפנות הדוד, שפיצוץ שלו היה מתכון לאסון.

במאה התשע-עשרה נכנס לשימוש חומר בעירה חדשני: גז המופק מפחם. גז הפחם שימש בעיקר כחומר דלק לתאורה ביתית, וצנרת גז הונחה בערים אירופאיות רבות. זמינות הגז החדש עוררה לחיים את הרעיון הרדום של מנועי בעירה פנימית; כמה וכמה ממציאים באירופה ובארצות הברית ניסו לתכנן מנועי בעירה פנימית המבוססים על שריפת גז פחם בתוך צילינדר, וז'אן לינואה היה אחד מהם. הממציא הבלגי היה הראשון שהצליח לבנות מנוע בעירה פנימית מבוסס גז שפעל באופן רצוף ואמין – אותו מנוע שהרשים כל כך את ניקולאוס אוטו. עיקרון פעולת המנוע של לינואה היה דומה מאוד לתותח של הויגנס מאתיים שנים לפניו: גז שהוזרק לתוך הצילינדר הוצת, הפיצוץ דחף בוכנה – ותת הלחץ שנוצר בעקבות הפיצוץ 'ינק' אותה בחזרה מטה.

כשלוש מאות מנועי לינואה נבנו במרוצת השנים, וזכו לפרסי הצטיינות בתערוכות ובתחרויות ממציאים. ניקולאוס אוטו זיהה את הפוטנציאל הטמון בהם. מנועי קיטור המסורבלים התאימו בעיקר למפעלי תעשייה גדולים. המנוע של לינואה היה קטן מאוד ביחס למנוע קיטור ממוצע, ואוטו הבין שמנוע שכזה פותח את שוק המנועים גם בפני בעליהם של בתי מלאכה קטנים.

בעיית דחיסת הגז בתוך הצילינדר

למרות שכבר לא היה אדם צעיר – אוטו היה כבן שלושים כשנחשף למנוע של לינואה – הוא החליט להתפטר ממשרתו ולנסות את מזלו בתכנון מנועי בעירה פנימית. אוטו בנה גרסאות משלו למנוע של לינואה וערך בהם ניסויים שונים. האתגר הגדול שניצב בפניו היה שיפור ההספק של המנוע, שהיה חלש בהרבה ממנוע קיטור. ניסוייו של אוטו הוכיחו שכדי להפיק יותר כוח מהמנוע, עליו לדחוס את הגז הדליק בתוך הצילינדר רגע לפני ההצתה. ככל שהבוכנה דוחסת את הגז, כך יש לה מרווח תנועה רב יותר בתוך הצילינדר, זאת אומרת: מרחק גדול יותר לנוע תחת השפעת הדף הפיצוץ. הדבר דומה להודף כדור ברזל שדוחף את הכדור הכבד בתנועה ארוכה, מהכתפיים ועד שהיד ישרה לחלוטין, ומעניק לו תנופה לכל אורך הדרך. באותו האופן, פיצוץ של גז דחוס דוחף את הבוכנה לאורך מרחק גדול יותר, והספק המנוע עולה בהתאם. אבל במנוע המקורי של לינואה, הגז לא נדחס כלל לפני ההצתה – ומכאן חולשתו.

בשנת 1862 בנה אוטו אב-טיפוס ראשוני של מנוע שבו נדחס הגז בתוך הצילינדר; אך הוא נתקל בבעיות קשות. תזמון ההצתה של הגז הדחוס, כך הסתבר, היה רגיש מאוד: תהליך הדחיסה מחמם את הגז במהירות, ואם ההצתה היזומה מתעכבת, אפילו בשבריר שניה – הגז הדחוס עלול להתלקח מעצמו, באופן ספונטני. התלקחות ספונטנית שכזו משבשת לחלוטין את פעולת המנוע וגורמת לו לרעוד. רעידות אלה, בשילוב הטמפרטורות הגבוהות ששררו בתוך הצילינדר, הביאו לכך שאב-הטיפוס הראשון שבנה אוטו נהרס לחלוטין.

אוטו ויתר על רעיון הדחיסה, אך שכלל את המנוע שלו וכלל שיפורים אחרים שבעזרתם הצליח לשפר את הספק המנוע בכשלושי אחוזים ביחס לזה של לינואה. המנוע החדש זכה לשבחים רבים ואף ניצח את הדגם של לינואה בתחרויות בינלאומיות. בשנת 1864 הקים אוטו בעיר קלן (Colonge, Koln) מפעל לייצור מנועי בעירה פנימית מבוססי גז פחם. תחושת הבטן שלו התבררה כמוצלחת, והמנוע הקטן הפך ללהיט בבתי המלאכה הקטנים של גרמניה. כחמשת אלפים יחידות של המנוע החדש נמכרו במרוצת השנים.

מעודד מהצלחתו, המשיך ניקולאוס אוטו לנסות ולשפר את הספק המנוע שלו – וחזר אל רעיון הדחיסה. הוא ידע שאם לא יצליח לשפר את הספק המנוע באופן משמעותי, הוא לא יוכל ליצור תחליף מהותי למנועי הקיטור. אתגר דחיסת הגז התברר כאגוז קשה לפיצוח ודגם אחר דגם של אבי טיפוס נהרסו והושלכו לפח, ללא כל התקדמות. ארבע עשרה שנים חלפו.

גוטליב דיימלר ו-וילהלם מייבאך

גוטליב דיימלר (Daimler) נולד בשנת 1834, והחל במסלול מקצועי כשוליה ליצרן אקדחים. הוא אפילו הספיק לבנות רובה דו-קני עבור עבודת הגמר שלו – לפני שהחליט לנטוש את עולם האקדחים וללמוד הנדסת מכונות. במהלך לימודיו ולאחריהם, כשעבד כמהנדס באנגליה ובצרפת, הלכה והתגבשה בו ההבנה שסופם של מנועי הקיטור הולך וקרב. מנועי בעירה פנימית צצו כפטריות לאחר גשם ברחבי אירופה, פרי מוחם של ממציאים כדוגמת ז'אן לינואה וניקולאוס אוטו. על אף שכולם היו דלי-הספק וחלשים מאוד ביחס למנועי הקיטור. דיימלר העריך שלא ירחק היום ומנועי הבעירה הפנימית יהיו חזקים מספיק כדי להחליף את מנועי הקיטור הגדולים והמסורבלים. מעניין לציין שרובם המכריע של המהנדסים באנגליה, האומה הגדולה שהולידה את המהפכה התעשייתית, לא היו שותפים לדעה זו. ההצלחה האדירה של מנועי הקיטור 'הרדימה' אותם, ורק מהנדסים מעטים ייחסו חשיבות לרעיון הבלתי-קונבנציונלי של בעירה פנימית. תרדמת זו אפשרה לגרמניה ולצרפת להפוך למוקד עולמי של חדשנות בתחום זה.

ב-1863 חזר דיימלר לגרמניה, והחל לעבוד במפעל בעיר רוטלינגן (Reutlingen). דיימלר היה לא רק מהנדס מוכשר אלא רק וורקוהוליק חסר תקנה, ועד מהרה טיפס בסולם הדרגות עד שהפך למנהל בכיר. במפעל ברוטלינגן פגש דיימלר לראשונה בצעיר בן 15 בשם וילהלם מאייבך (Maybach). מאייבך התייתם מאביו ואימו בגיל צעיר מאוד והיה בדרך לחיים של עוני ועליבות – אך למזלו התקבל לבית יתומים נוצרי, שם זכה לחינוך טכנולוגי בסיסי. מאייבך הפגין כישרון טכני נדיר וצד את עינו של מנהל המפעל ברוטלינגן שקיבל אותו לתפקיד מהנדס זוטר – שם הצטלבו דרכיהם של מאייבך ודיימלר. על אף הפרש הגילאים ביניהם, דיימלר ומאייבך פיתחו חברות קרובה שהייתה מבוססת על הערכה הדדית עמוקה, ומכאן ואילך היו הקריירות שלהם שלובות זו בזו עד יום מותו של דיימלר.

ב-1872 עזב דיימלר את המפעל ברוטניגן והצטרף לחברת המנועים של ניקולאוס אוטו בקלן, שם ניהל את הייצור הסדרתי של מנועי הבעירה הפנימית החדשניים. אחת ההחלטות הראשונות שלו כמנהל הייתה לגייס את וילהלם מאייבך – עד אז, כאמור, מהנדס זוטר למדי במפעל ברוטלינגן – כמהנדס הפיתוח הראשי של החברה.

מחזור ארבע הפעימות

ארבע עשרה שנים התחבט ניקולאוס אוטו בבעיית דחיסת הגז בתוך המנוע, ולבסוף הגה רעיון מהפכני בשם 'מחזור ארבע פעימות.'

כדי להבין את החדשנות שברעיון ארבע הפעימות, עלינו לחזור צעד אחד אחורנית – אל מנוע שתי הפעימות. כל מנועי הבעירה הפנימית המוקדמים, כולל אלו של לינואה ואוטו עצמו, היו מבוססים על מחזור של שתי פעימות. המילה 'מחזור' מתייחסת לתנועת הבוכנה בתוך הצילינדר, שהיא תנועה מחזורית – מעלה פעימה אחת, מטה פעימה שניה, מעלה פעימה אחת ומטה פעימה שניה, וכן הלאה. בכל פעם שהבוכנה מגיעה לקצה העליון של הצילינדר מתרחש פיצוץ של גז דליק, שדוחף את הבוכנה בחזרה כלפי מטה. ניתן לדמות מנוע שתי פעימות לטניסאי שמתאמן מול הקיר. הכדור, באנלוגיה זו, הוא הבוכנה. בתחילת המחזור השחקן חובט בכדור ומעניק לו אנרגיה – זו ההצתה שמפוצצת את הגז הדליק – ואז הכדור פוגע בקיר וחוזר בחזרה אל הטניסאי. חבטה, קיר, חבטה, קיר – זהו מחזור שתי פעימות.

ניקולאוס אוטו ביקש להחליף את מחזור שתי הפעימות, במחזור של ארבע פעימות – דהיינו, הצתת הגז הדליק מתרחשת רק פעם אחת בכל שתי עליות של הבוכנה. רעיונו של אוטו לא נתקבל בזרועות פתוחות, וקל להבין מדוע אם נחזור אל האנלוגיה של הטניסאי מול הקיר. אם במנוע שתי פעימות ישנה חבטה בכל פעם שהכדור מגיע לטניסאי – דהיינו, חבטה-קיר-חבטה-קיר – במנוע ארבע פעימות ישנה חבטה רק פעם אחת בכל ארבע פעימות, ומכאן שישנה פעימה שבה הטניסאי לא חובט בכדור אלא סתם עומד שם, חסר תנועה, מעין 'קיר אנושי'. דהיינו, במקום מחזור של חבטה-קיר-חבטה-קיר, יש לנו מחזור של חבטה-קיר-קיר-קיר. חבטה-קיר-קיר-קיר. אם נזכור שהחבטה – דהיינו, הצתת הגז הדליק – היא זו שמעניקה למנוע את האנרגיה שלו, המשמעות היא שבמחזור ארבע-פעימות אנחנו למעשה מוותרים על פעימת כוח אחת בכל מחזור. על פניו, אין בכך שום הגיון: במקום לתת למנוע עוצמה גדולה ליותר, אוטו הציע ללכת בכיוון ההפוך ולהחליש אותו פי שתיים!…

אין פלא, אם כן, שאפילו גוטליב דיימלר, מנהל הייצור, לא האמין ברעיון של אוטו ולמרות שאוטו היה מייסד החברה, המשקיעים וחברי הדירקטוריון שלה סמכו יותר על דיימלר מאשר עליו. אוטו נאלץ לעבוד על אב הטיפוס של מנוע ארבע-הפעימות כשלצדו עובד אחד שהוקצה לסייע לו. אך ב-1876, כשהציג אוטו את אב-הטיפוס הראשון של מנוע ארבע הפעימות החדש שלו, הופתעו כולם לגלות שהמנוע החדש לא רק חזק בהרבה ממנוע שתי הפעימות – אלא גם הוא קטן יותר, שקט יותר וצורך פחות דלק. כיצד ייתכן הדבר?

התשובה טמונה באופן שבו יונק המנוע גזים טריים ומסלק את הגזים המשומשים אחרי הבעירה. במנוע שתי פעימות סילוק הגזים המשומשים מתחיל תוך כדי תהליך הבעירה, כשהבוכנה יורדת כלפי מטה. סבתא שלי, זכרונה לברכה, תמיד אמרה לי שאם עושים שני דברים בבת אחת – בסופו של דבר עושים אותם פחות טוב. מסתבר שסבתא שפרה הבינה גם במנועים: סילוק הגזים תוך כדי הבעירה הביא לכך שהבעירה לא הייתה מושלמת, וחלק מהגזים נפלטו החוצה מהמנוע עוד בטרם הספיקו לבעור עד תום. זהו בזבוז כפול: גם בזבוז של דלק, וגם בזבוז של אנרגיה שיכולנו לנצל כדי לדחוף את הבוכנה.

במנוע ארבע פעימות, לעומת זאת, לא צריך לעשות הכול בבת אחת! כל פעולה מקבלת פעימה נפרדת משל עצמה: פעימה אחת ליניקת גזים טריים, פעימה עבור דחיסת הגזים, פעימה המוקדשת לבעירה שלהם ולבסוף פעימה לשם סילוק הגזים המשומשים. הפרדה מובנית זו בין חלקי המחזור מאפשרת לגזים לבעור עד תום ומביאה לכך שהמנוע מסוגל למצות את כל האנרגיה הזמינה מפעימת הכוח, ללא הבזבוז האופייני למנוע שתי פעימות. בנוסף, הפעימה הנוספת שהוקדשה לדחיסת הגז יצרה בקרה טובה על תהליך ההצתה של הגז הדחוס, ומנעה את בעיית ההצתה המוקדמת שרדפה את אוטו ארבע עשרה שנים קודם לכן.

הצלחה מסחרית

וילהלם מייבאך, המהנדס הראשי של החברה, קיבל את האחריות על המנוע החדש. הוא הוסיף בו שיפורים והתאים אותו לייצור סדרתי, ומנוע ארבע הפעימות של אוטו זכה להצלחה מסחרית אדירה: כשלושים אלף יחידות נמכרו. הצלחה זו הולידה, כצפוי, מתחרים רבים שניסו לחקות את המנוע שלו – אבל החברה של אוטו, שהפטנט למנוע ארבע פעימות היה בבעלותה – חסמה רבים מהם באמצעות תביעות משפטיות. בסופו של דבר, עם זאת, התמוטטה ההגנה המשפטית. אוטו לא ידע זאת, אך מחזור ארבע הפעימות הומצא בנפרד, שניים עשר שנים קודם לכן, על ידי מהנדס צרפתי בשם אלפונס דה רושה (De Rochas). דה רושה מעולם לא בנה את המנוע שלו בפועל, אך רשם עליו פטנט – וזה היה קצה החוט שלו היו זקוקים יריביו של אוטו כדי לבקש מבית המשפט לבטל את הפטנט שלו ב-1886.

למזלה של החברה, הסרת מעטפת ההגנה המשפטית לא פגמה בהצלחה המסחרית. למרות שבשלוש שנים בלבד צצו קרוב לחמישים דגמים מתחרים של מנוע ארבע הפעימות החדש, המנוע של אוטו היה המצליח והמוכר ביותר מביניהם – עדות לתכנון המעולה שלו ושל מאייבך. גם עקרון מחזור ארבע הפעימות קרוי על שמו – 'מחזור אוטו'.

כאן המקום לציין עובדה חשובה. למכונית אנחנו קוראים 'אוטו' – על שמו של ניקולאוס אוטו, נכון? אז לא. זו טעות נפוצה: אין קשר בין שמו של אוטו והמילה 'אוטו', שהיא למעשה קיצור של המילה 'אוטומוביל'. למעשה, ניקולאוס אוטו מעולם לא התכוון שהמנוע שלו יותקן במכוניות – או ביישומים ניידים אחרים כלשהם. לא רק שהמנוע של אוטו היה גדול בהרבה ממנוע מכונית כפי שאנחנו מכירים אותו כיום – הוא גם הוזן בגז פחם שהגיע דרך צנרת גז יבשתית. דילוג מנוע הבעירה הפנימית מבתי המלאכה והמפעלים הקטנים אל מה שעתיד להפוך למכונית נז�