لماذا اختفى محرك الدورة من السيارات؟

المحرك البسيط الذي يطرح جزءًا من الوقود مباشرة إلى العادم في كل دورة، اضطر إلى الاختفاء من السيارات أمام قواعد الانبعاثات الصارمة في ثمانينيات القرن الماضي.
المحرك البسيط الذي يطرح جزءًا من الوقود مباشرة إلى العادم في كل دورة، اضطر إلى الاختفاء من السيارات أمام قواعد الانبعاثات الصارمة في ثمانينيات القرن الماضي.

شارك هذه الصفحة

اختفت المحركات ثنائية الشوط من السيارات، لأن مبدأ عملها الأساسي يطرح جزءا من الوقود والزيت مباشرة إلى العادم؛ وشدد قواعد الانبعاثات التي تشددت في ثمانينيات القرن الماضي الخناق على هذا التصميم حتى حاده إلى حظر شبه كامل، والسنة السريع لمحركات الأشواط الأربعة سد الفراغ. لكن هذا ليس نهاية القصة. صعود وهبوط هذا المحرك الذي حرك ملايين السيارات ذات يوم، ويمكن رفعه باليد، وكانت تكلفة إنتاجه زهيدة للغاية، يروي واحدة من أكثر المواجهات الهندسية إثارة للاهتمام في تاريخ السيارات.

أبرز النقاط

  • المحرك ثنائي الشوط يكمل دورة قوة كاملة في لفّتين لعنوان المرفق بينما يؤدي محرك الأشواط الأربعة العمل نفسه في لفّتين.
  • محرك Trabant 601 كان يحتوي على 5 أجزاء متحركة فقط، وكان خفيفا بما يكفي ليُرفع باليد.
  • محرك Saab 96 ثنائي الشوط بثلاث أسطوانات وسعة 841 سم مكعب كان ينتج في البداية 38 حصانا وفي عام 1966 ارتفعت هذه القيمة إلى 46 حصانا.
  • انتهى إنتاج السيارات ثنائية الشوط في الغرب في ثمانينيات القرن الماضي بسبب قواعد الانبعاثات؛ وواصل الكتلة الشرقية الإنتاج حتى نحو عام 1991.
  • نسبة الوقود إلى الزيت المعتادة 32:1؛ وهذا الزيت يُحرق ويُطرح، مما كان يضخم انبعاثات الهيدروكربون.

كيف يعمل المحرك ثنائي الشوط ولماذا هو بهذه البساطة؟

تعريف العمل الذي يتعين على محرك الاحتراق الداخلي القيام به واضح: السحب، الضغط، الاحتراق، والعادم. محرك الأشواط الأربعة يوزع هذه المراحل الأربع على أربعة أشواط للمكبس، أي لفّتين كاملتين لعمود المرفق. أما المحرك ثنائي الشوط فيكمل الدورة نفسها في شوطين للمكبس، وفي لفّة واحدة لعمود المرفق. النتيجة واضحة رياضيا: يحدث الاحتراق وتولد القوة كلما وصل المكبس إلى نقطة الميت العليا. في محرك الأشواط الأربعة تأتي القوة من شوط قوة واحد فقط من أربعة، بينما في المحرك ثنائي الشوط تأتي في كل نقطة ميت عليا. يتضاعف تردد أشواط القوة.

ثمن هذه السرعة هو التضحية بآلية الصمامات. في التصميم ثنائي الشوط الأساسي ذي علبة المرفق لا توجد صمامات؛ وتتولى مهمتها الفتحات الموجودة في جدار الأسطوانة وحركة المكبس نفسه. يفتح مخرج العادم أثناء نزول المكبس في شوط القوة؛ ويدخل خليط الوقود والهواء الجديد إلى الأسطوانة من فتحة النقل، ويدفع غازات العادم المتبقية إلى الخارج. عملية المسح هذه هي حلقة المحرك الأكثر ذكاءً والأضعف في آن واحد - سنرى ذلك بعد قليل. ويستند التزييت إلى بساطة مماثلة: يُخلط الزيت بالوقود، ويمر عبر علبة المرفق، ويحترق مع المحرك. يجعل الخليط العمل ممكنا في جميع الاتجاهات؛ ولهذا لا يزال المحرك ثنائي الشوط مثاليا للأدوات المحمولة التي لا تهم فيها اتجاه الجاذبية.

المسح الدائري: التحسين الحاسم

استخدمت المحركات ثنائية الشوط المبكرة غسلًا بسيطًا بتدفق متقاطع، وكان تسرّب خليط الهواء الطلق إلى عادم الغازات مشكلة خطيرة. تصميم الغسل الدائري (loop) الذي طوّره أدولف شنورله في منتصف عشرينيات القرن العشرين أتاح للخليط الطازج أن يرسم مسارًا دائريًا محكمًا داخل الأسطوانة لدفع غازات العادم إلى الخارج. انتشر هذا الحل في ثلاثينيات القرن الماضي في ألمانيا، ثم امتد إلى العالم أجمع بعد الحرب العالمية الثانية. وأكدت التقييمات الهندسية اللاحقة أن الغسل الدائري أكثر كفاءة من التدفق المتقاطع في كل الظروف؛ وبُنيت جميع السيارات ثنائية الشوط بعد الحرب على هذه الهندسة.

الفترة المبكرة: كلك، بنز وميلاد المحرك الخالي من الصمامات

فكرة الشوطين قديمة قِدم السيارة نفسها. حصل المهندس الأسكتلندي دوغالد كلك عام 1881 على براءة اختراع أول محرك تجاري ثنائي الشوط بضغط الأسطوانة؛ لكن تصميم كلك كان بنية ضخمة تنفّذ الضغط عبر أسطوانة شحن منفصلة. وملاحظة تاريخية مثيرة للاهتمام: صنع كارل بنز في 31 ديسمبر 1879 محركًا غازيًا ثنائي الشوط وحصل على براءة اختراعه في ألمانيا عام 1880. المحرك الأول للرجل الذي يُعدّ أبو السيارة لم يكن رباعي الشوط بل ثنائي الشوط.

أما نقطة التحول الفعلية فكانت قدوم تصميم غسل علبة المرافق الذي يشكّل العمود الفقري للمحرك ثنائي الشوط الحديث. تُنسب هذه المقاربة عادةً إلى الإنجليزي جوزيف داي؛ بينما خلق فريدريك كوك، عامل داي، الشكل الذي نعرفه اليوم بجعل المحرك خاليًا من الصمامات تمامًا. وجاء أول تطبيق عملي حقًا من إنجلترا أيضًا: أنتج ألفريد أنغاس سكوت من عام 1908 دراجات نارية ثنائية الأسطوانات مبردة بالماء. والتقنية التي نضجت في المحرك ستُنقل إلى السيارة في العقود التالية، في اللحظة التي احتاجتها أوروبا أكثر من أي وقت.

DKW وانفجار ثنائي الشوط في أوروبا ما بعد الحرب

في أوروبا ما بعد الحرب كان الفولاذ نادرًا، والنقود نادرة، وكل شيء نادرًا. وكلما قلّت الأجزاء المتحركة في السيارة، أمكن إنتاجها بتكلفة أقل وإصلاحها بسهولة أكبر. وكان المحرك ثنائي الشوط في قلب هذا الحساب تمامًا: أجزاء أقل، وزن أخف، وصيانة أبسط. كما أن وقوع شوط القدرة مرتين أكثر يعني قدرة أعلى لكل لتر - وكان أداء معقولًا ممكنًا بمحركات صغيرة السعة.

الاسم في مركز هذا المشهد كان DKW. مؤسسه الدنماركي يورغن سكافته راسموسن كان قد اشترى مصنع أودي في تسفيكاو عام 1928. بدأت DKW إنتاج السيارات اعتبارًا من 1929 وزوّدت محركاتها ثنائية الشوط لمصنّعين آخرين؛ وبدأت مسيرتها في رياضة المحركات عام 1929 بمحركات ثنائية الأسطوانات سعتها 600 cc وقدرتها 15 حصانًا. وتُعدّ تصميمات DKW في ثلاثينيات القرن الماضي اليوم من أبرز أعمال تاريخ المحرك ثنائي الشوط. وفي عام 1953 قدمت الشركة طرازًا بالدفع الأمامي، ثلاثي الأسطوانات، سعة 896 cc ثنائي الشوط DKW 3=6 - باسم "Sonderklasse".

أبرز مصنّعي السيارات ثنائية الشوط

  • Saab (السويد): استخدمت ثلاث أسطوانات ثنائية الشوط في طرازات 92 و93 و95 و96 وSonett II ومشتقاتها.
  • DKW وAuto-Union (ألمانيا): المطوّر الرئيسي للتقنية ومزوّدها.
  • VEB Sachsenring (ألمانيا الشرقية): مصنّع ترابانت.
  • VEB Automobilwerk Eisenach (ألمانيا الشرقية): أنتجت طراز Wartburg.
  • FSO وFSM (بولندا): إنتاج مرخّص بمحرك ثنائي الأشواط.
  • سوزوكي وسوبارو (اليابان): أنتجت سيارات ثنائية الأشواط حتى سبعينيات القرن الماضي.

كان المبدأ نفسه ينطبق على السيارات الصغيرة جداً أيضاً. في مركبات مثل Messerschmitt KR200، كانت إضافة ترس الرجوع للخلف مكلفة جداً؛ لذلك كان يُحقق الحركة الخلفية بتشغيل المحرك ثنائي الأشواط في الاتجاه المعاكس لفترة قصيرة. كان هذا منطق فقر أكثر منه براعة هندسية - لكنه كان يعمل.

ترابانت ووارتبورغ: العمود الفقري ثنائي الأشواط للكتلة الشرقية

Yalnızca beş hareketli parçayla ve elle kaldırılabilecek hafiflikte bir motor, Trabant sahiplerine aracını kendi elleriyle yolda tamir etme özgürlüğünü veriyordu.

كانت Trabant أرقى تعبير عن فلسفة المحرك ثنائي الأشواط. محرك Trabant P50 كان مستمداً في الواقع من DKW F8: سعة 500 سم مكعب، بقوة 17 حصاناً ثم 18 حصاناً. أما Trabant 601 الذي تلاه، فكان يحمل محرك أوتو ثنائي الأشواط بأسطوانتين وسعة 594.5 سم مكعب (72×73 مم). تباينت الإصدارات حسب سنة الإنتاج: محركات الفترة 1963-1970 بقوة 23 حصاناً، ومحركات الفترة 1970-1990 بقوة 26 حصاناً (19.1 كيلوواط) عند 4200 دورة في الدقيقة. كان عزم الدوران 53 نيوتن.متر، والسرعة القصوى حوالي 100 كم/ساعة، والقدرة لكل لتر 38.7 حصاناً.

الأرقام متواضعة، لكن الأكثر إثارة كان في بنية المحرك: لم يكن يحتوي سوى 5 أجزاء متحركة فحسب، وكان خفيفاً لدرجة أنه يمكن رفعه باليد. في ظروف ألمانيا الشرقية، كان هذا يعني أن أصحابها يمكنهم إصلاح محركاتهم بأنفسهم على الطريق. لكن كان لهذا ثمن أيضاً: كان المحرك يعمل بخليط الوقود (خليط البنزين والزيت)، وعند التسلق على المرتفعات بسرعة التنقل كانت القوة وعزم الدوران البالغان 23 حصاناً و52 نيوتن.متر يظهران قصوراً واضحاً. لم تكن المشكلة في الأداء، بل في المدى والراحة.

أما العلامة الشقيقة Wartburg فكانت أكثر طموحاً: بدأت بتطوير DKW بمحرك ثنائي الأشواط بثلاث أسطوانات وسعة 910 سم مكعب (28 حصاناً في البداية)، وبعد عام 1962 تم زيادة السعة إلى 991 سم مكعب. كانت هذه المحركات تقدم تجربة قيادة من الفئة العليا مقارنة بوحدة Trabant المتواضعة - لكنها كانت مبنية على المبدأ الأساسي نفسه واضطرت إلى دفع الحساب البيئي نفسه.

ساب: أرقى صوت للمحرك ثنائي الأشواط

وُلد أحد أنجح تفسيرات السيارة ثنائية الأشواط في السويد. دخلت أول سيارة من Saab، وهي Saab 92، خط الإنتاج في ديسمبر 1949، ولفتت الانتباه بهيكلها شديد الانسيابية. طورت الشركة محركات بثلاث أسطوانات وشحن حلقي بسعات 750 و850 سم مكعب، مبنية على تصميم DKW؛ كانت الوحدة القياسية بسعة 750 سم مكعب تنتج 36-42 حصاناً حسب السنة والطراز. أما المحرك ذو العمود المرفقي المضخوخ في نسخة رالي مونت كارلو فكان يصل إلى 65 حصاناً - قيمة مبهرة لمحرك ثنائي الأشواط صغير السعة.

Saab 93 مع محرك بثلاث أسطوانات على التوالي (ديسمبر 1955)، وكانت هذه الوحدة هي المحرك الذي أشهر اسم Saab في العالم. Saab 96 (1960-1980) حمل في البداية محركاً ثنائي الأشواط بثلاث أسطوانات وسعة 841 سم مكعب: 38 حصاناً في البداية، و46 حصاناً حتى عام 1966. لكن المشهد كان يضيق تدريجياً. تخلت Saab عن المحركات ثنائية الأشواط تدريجياً في منتصف الستينيات، وانتقلت اعتباراً من سنة الطراز 1967 إلى Ford Taunus V4. دخل طراز Saab 96 لعام 1967 التاريخ بوصفه "آخر سيارة ثنائية الأشواط عالية المستوى". فقد كسبت طبيعة المحرك رباعي الأشواط الهادئة وغير المدخنة والخالية من المتاعب رضا العميل السويدي أيضاً.

لماذا اختفت السيارات ذات المحرك ثنائي الأشواط؟ حسابات الانبعاثات والوقود

يمكن تلخيص سبب اختفائها برقم واحد: 32:1. المحرك ثنائي الأشواط النموذجي ذو الضغط عبر علبة المرافق يستخدم نظام تزييت بالزيت المخلوط يسمى "total-loss"، حيث تبلغ نسبة الوقود إلى الزيت حوالي 32:1. يُحرق جزء من هذا الزيت ويُطرد جزء آخر إلى الغلاف الجوي على شكل قطرات في العادم. وعند مقارنته بمحرك رباعي الأشواط مماثل في القدرة، تكون انبعاثات الهيدروكربونات على وجه الخصوص أعلى بشكل ملحوظ. تُضاف إلى ذلك مشكلة ميكانيكية ثانية: في التصميم الخالي من الصمامات، وخلال الفترة التي يبقى فيها مآخذ السحب والعادم مفتوحين معًا، يتسرب جزء من بخار الوقود الطازج إلى العادم. كما تُنتج درجات حرارة الاحتراق المرتفعة في المحركات الصغيرة المبردة بالهواء أكاسيد النيتروجين NOx.

يستمد استهلاك الوقود المرتفع جذره من المصدر نفسه. فبينما يوفر خليط الوقود والهواء المضغوط تأثير تبريد على المكبس، يتسرب جزء منه مباشرة إلى أنبوب العادم؛ أي أن جزءًا من الوقود يُحرق أو يخرج دون أن يحترق إطلاقًا دون أن يُنتج عملاً. وعلى الرغم من أن الكفاءة الديناميكية الحرارية النظرية للدورة عالية، فإن خسائر التطهير تبتلع هذه الميزة عمليًا، لذا يستهلك المحرك ثنائي الأشواط وقودًا أكثر من الرباعي الأشواط في العالم الواقعي. إن تسرب الخليط الطازج إلى العادم خلال الفترة القصيرة التي تُفتح فيها مآخذ السحب والعادم معًا هو القيد الفيزيائي الأساسي الذي حدد مصير المحرك ثنائي الأشواط.

مفارقة البساطة

كان سبب وجود المحرك ثنائي الأشواط الأساسي هو بساطته؛ لكن المتطلبات الحديثة عكست هذه الميزة. فتصاميم المحركات ثنائية الأشواط التي حاولت تصحيح الانبعاثات والكفاءة أصبحت بنفس مستوى غلاء وثقل وتعقيد المحركات رباعية الأشواط - أي أنها كانت تفقد سبب وجودها. كان الحقن المباشر قادرًا على التخلص إلى حد كبير من تسرب الوقود في المحركات ثنائية الأشواط المكربية؛ لكن هذا الحل كان يعني تكلفة وتعقيدًا لم يعودا متوافقين مع فلسفة المحرك الرخيص. أدت لوائح تلوث الهواء المتشددة باستمرار في الغرب إلى إنهاء إنتاج السيارات ثنائية الأشواط في الثمانينيات؛ بينما صمد الكتلة الشرقية حتى حوالي عام 1991 مع طرازي Trabant وWartburg.

لماذا تخلّت الدراجات النارية عنها في وقت لاحق؟

كان الحساب نفسه ينطبق على العجلتين أيضًا، لكن التوقيت سار بشكل مختلف قليلاً. فقد تخلّت هوندا عن الدراجات النارية الطرقية قبل وقت طويل، بينما أوقفت بيع الدراجات النارية ثنائية الأشواط للمسارات الترابية في الولايات المتحدة في عام 2007. اليوم، جميع السيارات الجديدة ذات المحركات الاحتراق الداخلي المباعة في الولايات المتحدة هي رباعية الأشواط - لقد رسّخ المحرك ثنائي الأشواط مكانته رسميًا في مقبرة تاريخ السيارات.

أين تعيش المحركات ثنائية الأشواط اليوم؟

لم يختفِ المحرك ثنائي الأشواط الذي أُزيل من السيارات تمامًا؛ بل إنما تقلص حجمه وتسامح الأنظمة القانونية معه. لا تزال ميزة القدرة إلى الوزن والقدرة على العمل في جميع الاتجاهات حاسمة في تطبيقات معينة. اليوم، تعيش المحركات ثنائية الأشواط في المجالات التالية:

  • الدراجات النارية ذات المسارات الصغيرة وغير الممسوكة، الدراجات البخارية، السكوترات والدراجات المزودة بمحرك
  • محركات القوارب والدراجات الثلجية وعربات الكارتينغ
  • الأدوات اليدوية: المنشار، منفاخ الأوراق، قصاص حواف العشب
  • عربات التوك توك، السيارات التي تتحكم عن بعد، والطائرات فائقة الخفة والطائرات النموذجية
  • محركات الديزل ثنائية الشوط الكبيرة: التطبيقات الصناعية والبحرية والقاطرات والمولدات حيث لا يهم الوزن

ومع ذلك فإن الاتجاه واضح: تنظيمات التلوث في البلدان المتقدمة تقلص تدريجياً مجالات استخدام المحرك ثنائي الشوط. أما في المناطق التي تظل فيها التنظيمات متساهلة، فتستمر المحركات ثنائية الشوط صغيرة الحجم في الحفاظ على شعبيتها في الدراجات النارية والبخارية.

الخلاصة: درس تاريخي من معادلة هندسية

لم يكن اختفاء المحرك ثنائي الشوط من السيارات لأن التقنية كانت سيئة، بل لأن المعادلة التي تفوق فيها قد تغيرت. كانت معادلة سنوات ما بعد الحرب ترجح عدد القطع والتكلفة ونسبة القوة/الوزن؛ وكان المحرك ثنائي الشوط يتفوق في الثلاثة جميعاً، فحرّك ملايين السيارات مع DKW وSaab وTrabant وWartburg. أما معادلة الثمانينيات فكانت ترجح الانبعاثات واستهلاك الوقود والهندسة الدقيقة - والقيد الفيزيائي الناتج عن خسائر المسح والتزييت ذاتي الشوط حكم على المحرك ثنائي الشوط بالخسارة في هذه المعادلة. في تاريخ السيارات، نادراً ما شكّلت أي تقنية درساً بهذه الوضوح لفهم مدى صلابة مزاياها: فمعرفة متى كانت قوية لا تقل أهمية عن معرفة متى أصبحت بلا جدوى، وكلاهما جزء من قرار التصميم.

المصادر