چرا موتورهای دورزمانه از اتومبیل‌ها حذف شدند؟

موتور ساده‌ای که در هر دوره بخشی از سوخت را مستقیماً به اگزوز می‌فرستاد، در برابر قوانین سختگیرانه آلایندگی دهه 1980 ناچار به حذف از automobiles شد...
موتور ساده‌ای که در هر دوره بخشی از سوخت را مستقیماً به اگزوز می‌فرستاد، در برابر قوانین سختگیرانه آلایندگی دهه 1980 ناچار به حذف از automobiles شد...

این صفحه را به اشتراک بگذارید

موتور دوزمانه از خودروها حذف شد، چون اصل اساسی کار آن بخشی از سوخت و روغن را مستقیماً به اگزوز می‌فرستد؛ مقررات سختگیرانه انتشارات در دهه 1980 این ساختار را تا مرز ممنوعیت پیش برد و توسعه سریع موتورهای چهارزمانه این خلأ را پر کرد. اما این پایان ماجرا نیست. صعود و سقوط این موتور که روزی میلیون‌ها خودرو را به حرکت درمی‌آورد، قابل حمل با دست بود و تولید آن بسیار ارزان، یکی از جالب‌ترین حساب‌وکتاب‌های مهندسی تاریخ خودرو را روایت می‌کند.

نکات برجسته

  • موتور دوزمانه یک چرخه توان را در دو دور میل‌لنگ تکمیل می‌کند؛ موتور چهارزمانه همان کار را در دو دور انجام می‌دهد.
  • در موتور Trabant 601 تنها 5 قطعه متحرک وجود داشت و موتور آن‌قدر سبک بود که می‌شد آن را با دست بلند کرد.
  • موتور دوزمانه سه سیلندر 841 سی‌سی Saab 96 در ابتدا 38 اسب بخار تولید می‌کرد؛ تا سال 1966 این عدد به 46 اسب بخار رسید.
  • تولید خودروهای دوزمانه در غرب در دهه 1980 به دلیل قوانین انتشارات پایان یافت؛ بلوک شرق تقریباً تا سال 1991 ادامه داد.
  • نسبت متعارف سوخت به روغن 32:1 بود؛ این روغن با سوختن دفع می‌شد و انتشار هیدروکربن را بالا می‌برد.

موتور دوزمانه چگونه کار می‌کند و چرا این‌قدر ساده است؟

تعریف کاری که یک موتور احتراق داخلی باید انجام دهد روشن است: مکش، تراکم، احتراق و تخلیه. موتور چهارزمانه این چهار مرحله را به چهار کورس پیستون، یعنی دو دور کامل میل‌لنگ، تقسیم می‌کند. اما موتور دوزمانه همان چرخه را در دو کورس پیستون، در یک دور میل‌لنگ تکمیل می‌کند. نتیجه از نظر ریاضی روشن است: هر بار که پیستون به نقطه مرگ بالایی می‌رسد، احتراق رخ می‌دهد و توان تولید می‌شود. در موتور چهارزمانه توان تنها در یکی از چهار کورس توان ایجاد می‌شود، در حالی که در موتور دوزمانه در هر نقطه بالایی حاصل می‌شود. بسامد کورس توان دو برابر می‌شود.

بهای این سرعت، قربانی‌شدن مکانیزم سوپاپ‌هاست. در طراحی پایه دوزمانه با کارتر، سوپاپی وجود ندارد؛ وظیفه آن‌ها را روزنه‌های دیواره سیلندر و حرکت خود پیستون بر عهده می‌گیرند. روزنه تخلیه هنگام پایین‌آمدن پیستون در کورس توان باز می‌شود؛ مخلوط جدید سوخت و هوا از روزنه انتقال وارد سیلندر می‌شود و گازهای باقی‌مانده اگزوز را به بیرون می‌راند. این فرایند تخلیه و پرکردن، هم زیرکانه‌ترین و هم ضعیف‌ترین حلقه موتور است - به‌زودی خواهیم دید. روغن‌کاری نیز بر سادگی مشابهی استوار است: روغن با سوخت مخلوط می‌شود، از داخل کارتر عبور می‌کند و همراه با موتور می‌سوزد. این مخلوط کارکرد در هر جهت را ممکن می‌سازد؛ به همین دلیل موتور دوزمانه هنوز هم برای ابزارهای قابل حمل که جهت جاذبه در آن‌ها اهمیتی ندارد، ایده‌آل است.

تخلیه و پرکردن حلقه‌ای: بهبود حیاتی

موتورهای دوزمانهٔ اولیه از جاروب جریان متقاطع ساده استفاده می‌کردند و فرار مخلوط تازه به اگزوز یک مشکل جدی بود. طراحی حلقه‌ای (لوپ) که آدولف اشنورله در اواسط دهه 1920 توسعه داد، باعث شد مخلوط تازه با ترسیم یک حلقهٔ کنترل‌شده در داخل سیلندر، گازهای اگزوز را به بیرون هُل دهد. این راه‌حل در دهه 1930 در آلمان رایج شد و پس از جنگ جهانی دوم به سراسر جهان گسترش یافت. ارزیابی‌های مهندسی بعدی تأیید کردند که جاروب حلقه‌ای در هر شرایطی از جریان متقاطع کارآمدتر است؛ تمام موتورسیکلت‌ها و خودروهای دوزمانهٔ پس از جنگ بر این معماری بنا شدند.

دورهٔ اولیه: کلرک، بنز و تولد موتور بدون سوپاپ

ایدهٔ دوزمانه به قدمت خود خودرو است. نخستین موتور دوزمانهٔ تجاری با تراکم سیلندری را مهندس اسکاتلندی داگالد کلرک در سال 1881 دریافت کرد؛ اما طراحی کلرک ساختاری سنگین بود که تراکم را با یک سیلندر پرکن جداگانه انجام می‌داد. نکتهٔ تاریخی جالب: کارل بنز در 31 دسامبر 1879 یک موتور گازی دوزمانه ساخت و در سال 1880 آن را در آلمان ثبت کرد. نخستین موتور کسی که پدر خودرو لقب گرفته، دوزمانه بود نه چهارزمانه.

نقطهٔ عطف واقعی، ظهور طراحی جاروب با کارتر بود که ستون فقرات دوزمانهٔ مدرن را تشکیل می‌دهد. این رویکرد معمولاً به جوزف دی انگلیسی نسبت داده می‌شود؛ کارمند او، فردریک کوک، با کاملاً بدون سوپاپ کردن موتور، شکلی را که امروز می‌شناسیم خلق کرد. نخستین کاربرد واقعاً عملی نیز از انگلستان آمد: آلفرد آنگاس اسکات از سال 1908 به بعد موتورسیکلت‌های دوسیلندر خنک‌شونده با آب تولید کرد. فناوری‌ای که در موتورسیکلت بالغ شد، در دهه‌های بعد - دقیقاً در لحظه‌ای که اروپا بیش از هر زمان دیگری به آن نیاز داشت - به خودرو منتقل خواهد شد.

DKW و انفجار دوزمانه‌ها در اروپای پس از جنگ

در اروپای پس از جنگ، فولاد کمیاب بود، پول کمیاب بود، همه‌چیز کمیاب بود. هرچه قطعات متحرک یک خودرو کمتر بود، ارزان‌تر قابل تولید و آسان‌تر قابل تعمیر بود. موتور دوزمانه دقیقاً در مرکز این محاسبه قرار داشت: قطعات کمتر، وزن کمتر، نگهداری ساده‌تر. علاوه بر این، دو برابر بودن دفعات ضربهٔ قدرت به معنای قدرت بیشتر در هر لیتر بود - با موتورهای کم‌حجم می‌توان به عملکرد قابل قبولی دست یافت.

نام محوری این صحنه DKW بود. بنیان‌گذار آن، یورگن اسکافته راسموسن دانمارکی، در سال 1928 کارخانهٔ Audi در تسویکاو را خریداری کرده بود. DKW از سال 1929 تولید خودرو را آغاز کرد و موتورهای دوزمانه خود را به سازندگان دیگر نیز عرضه کرد؛ در سال 1929 کارنامهٔ ورزش‌های موتوری خود را با موتورهای دوسیلندر 600 سی‌سی و 15 اسب‌بخار آغاز کرد. طرح‌های DKW در دهه 1930 امروز به‌عنوان مهم‌ترین شاهکار تاریخ موتورهای دوزمانه ارزیابی می‌شوند. در سال 1953 شرکت خودروی دیفرانسیل جلو، سه‌سیلندر و 896 سی‌سی دوزمانه DKW 3=6 را - با نام "Sonderklasse" - معرفی کرد.

مهم‌ترین تولیدکنندگان خودروهای دوزمانه

  • Saab (سوئد): در مدل‌های 92، 93، 95، 96، Sonett II و مشتقات آن از موتور دوزمانهٔ سه‌سیلندر استفاده کرد.
  • DKW و Auto-Union (آلمان): توسعه‌دهندهٔ اصلی و تأمین‌کنندهٔ فناوری.
  • VEB Sachsenring (آلمان شرقی): تولیدکنندهٔ Trabant.
  • VEB Automobilwerk Eisenach (آلمان شرقی): وارتبورگ را تولید می‌کرد.
  • FSO و FSM (لهستان): تولید دوزمانه دارای مجوز.
  • سوزوکی و سوبارو (ژاپن): تا دهه 1970 خودروهای دوزمانه تولید می‌کردند.

در خودروهای میکرو هم اصل یکسان بود. در وسایلی مانند Messerschmitt KR200، حذف دنده عقب هزینه‌بر بود؛ با روشن کردن موتور دوزمانه به صورت موقت در جهت معکوس، حرکت رو به عقب ممکن می‌شد. این بیشتر منطق فقر بود تا ظرافت مهندسی - اما کار می‌کرد.

ترابانت و وارتبورگ: ستون فقرات دوزمانه بلوک شرق

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

ترابانت خالص‌ترین بیان فلسفه دوزمانه بود. موتور Trabant P50 در واقع از DKW F8 گرفته شده بود: 500 سی‌سی، ابتدا 17 اسب‌بخار و سپس 18 اسب‌بخار. Trabant 601 که پس از آن آمد، یک موتور اوتوی دوزمانه دوسیلندر با حجم 594.5 سی‌سی (72×73 میلی‌متر) داشت. بر اساس سال تولید، نسخه‌ها متفاوت بودند: موتورهای سال‌های 1963 تا 1970 دارای 23 اسب‌بخار و موتورهای سال‌های 1970 تا 1990 دارای 26 اسب (19.1 کیلووات) در 4200 دور در دقیقه بودند. گشتاور 53 نیوتون‌متر، سرعت بیشینه حدود 100 کیلومتر بر ساعت و توان هر لیتر 38.7 اسب‌بخار بود.

اعداد متواضع بودند، اما نکته چشمگیر در معماری موتور نهفته بود: در مجموع تنها 5 قطعه متحرک داشت و آن‌قدر سبک بود که می‌شد آن را با دست بلند کرد. در شرایط آلمان شرقی، این بدان معنا بود که صاحبان می‌توانستند موتور خود را در جاده تعمیر کنند. بهایش هم وجود داشت: موتور با سوخت مخلوط (مخلوط بنزین-روغن) کار می‌کرد و در سرعت کروز در سربالایی‌ها، 23 اسب‌بخار و 52 نیوتون‌متر توان و گشتاور به‌وضوح کافی نبود. این مشکل عملکرد نبود، بلکه مشکل برد و رفاه بود.

برند خواهر وارتبورگ اما بلندپروازانه‌تر بود: توسعه DKW با موتور دوزمانه سه‌سیلندر 910 سی‌سی آغاز شد (در ابتدا 28 اسب‌بخار) و پس از 1962 حجم به 991 سی‌سی افزایش یافت. این موتورها در مقایسه با موتور متواضع ترابانت، رانندگی کلاس بالاتری ارائه می‌کردند - اما بر همان اصل بنیادی استوار بودند و مجبور بودند همان حساب زیست‌محیطی را بپردازند.

ساب: ظریف‌ترین صدای دوزمانه

یکی از موفق‌ترین تفسیرهای خودروی دوزمانه در سوئد انجام شد. نخستین خودروی ساب یعنی Saab 92 در دسامبر 1949 وارد خط تولید شد و با بدنه فوق‌العاده آیرودینامیک خود توجه‌ها را جلب کرد. شرکت، موتورهای سه‌سیلندر 750 و 850 سی‌سی با شارژ حلقه‌ای مبتنی بر طراحی DKW توسعه داد؛ واحد استاندارد 750 سی‌سی بسته به سال و مدل 36 تا 42 اسب‌بخار تولید می‌کرد. موتور میل‌لنگ توخالی نسخه رالی مونت‌کارلو اما به 65 اسب‌بخار می‌رسید - مقداری چشمگیر برای یک دوزمانه با حجم کم.

Saab 93 (دسامبر 1955) با موتور سه‌سیلندر خطی عرضه شد و همین واحد، موتوری بود که نام ساب را در جهان مطرح کرد. Saab 96 (1960 تا 1980) نیز در ابتدا موتور دوزمانه سه‌سیلندر 841 سی‌سی داشت: در ابتدا 38 اسب‌بخار و تا سال 1966 حدود 46 اسب‌بخار. اما اوضاع به‌تدریج تنگ‌تر می‌شد. ساب در اواسط دهه 1960 دوزمانه‌ها را به‌تدریج کنار گذاشت و از سال مدل 1967 به Ford Taunus V4 روی آورد. Saab 96 مدل 1967 به عنوان «آخرین خودروی دوزمانه سطح بالا» در تاریخ ثبت شد. کاراکتر بی‌سروصدا، بی‌دود و بی‌دردوشت موتور چهارزمانه، مشتری سوئدی را نیز جذب کرده بود.

چرا اتومبیل‌های دوزمانه حذف شدند؟ محاسبه آلایندگی و سوخت

دلیل حذف را می‌توان با یک عدد خلاصه کرد: 32:1. یک موتور دوزمانه معمولی با تراکم کارتر، از سیستم روغن‌کاری پترول مخلوط موسوم به "total-loss" استفاده می‌کند؛ نسبت سوخت به روغن حدوداً 32:1 است. بخشی از این روغن سوخته و بخشی به‌صورت قطرات اگزوز به جو پرتاب می‌شود. در مقایسه با یک موتور چهارزمانه هم‌توان، به‌ویژه انتشار هیدروکربن‌ها به‌طور چشمگیری بالاتر است. بر این، یک مشکل مکانیکی دوم نیز اضافه می‌شود: در سازه بدون سوپاپ، در دوره‌ای که پورت‌های مکش و اگزوز همزمان باز می‌مانند، بخشی از بخار سوخت تازه به اگزوز فرار می‌کند. در موتورهای کوچک خنک‌شونده با هوا، دمای احتراق بالا همچنین NOx تولید می‌کند.

مصرف سوخت نیز از همان ریشه سرچشمه می‌گیرد. مخلوط سوخت-هوای تحت فشار، در حالی که روی پیستون اثر خنک‌کننده دارد، بخشی از آن مستقیماً به لوله اگزوز فرار می‌کند؛ یعنی بخشی از سوخت بدون تولید کار می‌سوزد یا اصلاً بدون سوختن خارج می‌شود. اگرچه بازده ترمودینامیکی نظری آن یک چرخه بالاست، در عمل تلفات تخلیه این مزیت را بلعیده و دوزمانه‌ها در دنیای واقعی سوخت بیشتری نسبت به چهارزمانه‌ها مصرف می‌کنند. نشت مخلوط تازه به اگزوز در مدت کوتاهی که پورت‌های مکش و اگزوز با هم باز هستند، محدودیت فیزیکی اساسی است که سرنوشت دوزمانه را رقم زده است.

پارادوکس سادگی

دلیل اصلی وجودی دوزمانه، سادگی آن بود؛ اما الزامات مدرن این مزیت را وارونه کرد. طرح‌های دوزمانه‌ای که تلاش می‌کردند آلایندگی و بازده را اصلاح کنند، به همان اندازه چهارزمانه‌ها گران، سنگین و پیچیده شدند - یعنی دلیل وجودی خود را از دست می‌دادند. تزریق مستقیم می‌توانست فرار سوخت در دوزمانه‌های کاربراتوردار را تا حد زیادی از بین ببرد؛ اما این راه‌حل به معنای هزینه و پیچیدگی‌ای بود که دیگر با فلسفه موتور ارزان سازگار نبود. مقررات فزاینده سخت‌گیرانه آلودگی هوا در غرب، تولید اتومبیل دوزمانه را در دهه 1980 پایان داد؛ بلوک شرق با ترابانت و وارتبورگ تا حدود 1991 مقاومت کرد.

چرا موتورسیکلت‌ها دیرتر دست کشیدند؟

همین محاسبه برای دو چرخ نیز صدق می‌کرد، اما زمان‌بندی کمی متفاوت پیش رفت. هوندا خیلی زودتر از آن از موتورسیکلت‌های جاده‌ای دست کشیده بود؛ اما فروش موتورسیکلت‌های دوزمانه آفرود را در آمریکا در سال 2007 متوقف کرد. امروزه تمام اتومبیل‌های جدید احتراق داخلی که در آمریکا فروخته می‌شوند چهارزمانه هستند - دوزمانه رسماً در زباله‌دان تاریخ خودرو جا خوش کرده است.

امروز موتورهای دوزمانه کجا زندگی می‌کنند؟

دوزمانه‌ای که از اتومبیل‌ها حذف شد، کاملاً از بین نرفت؛ فقط حجمش و بردباری قانونی کوچک شد. مزیت توان/وزن و توانایی کارکرد در هر جهتی، در کاربردهای خاص هنوز تعیین‌کننده است. امروزه موتورهای دوزمانه در این حوزه‌ها زندگی می‌کنند:

  • موتورسیکلت‌های کوچک باجانه و بی‌جانه، موپدها، اسکوترها و دوچرخه‌های موتوری
  • موتورهای دریایی، اسنوموبیل‌ها و کارت‌های go-kart
  • ابزارهای دستی: اره، دمنده برگ، لبه‌تراش چمن
  • توک‌توک‌ها، ماشین‌های RC، هواپیماهای فوق سبک و ماکت
  • دیزل‌های دوزمانه بزرگ: کاربردهای صنعتی، دریایی، لوکوموتیو و ژنراتور که در آن‌ها وزن اهمیتی ندارد

با این حال روند روشن است: مقررات آلودگی در کشورهای پیشرفته، حوزه‌های کاربرد دوزمانه را گام‌به‌گام محدود می‌کند. در مناطقی که مقررات همچنان سخت‌گیرانه نیست، دوزمانه‌های کوچک‌حجم محبوبیت خود را در موتورسیکلت و موپد حفظ کرده‌اند.

نتیجه‌گیری: درس تاریخی یک معادله مهندسی

حذف موتور دوزمانه از خودروها به این دلیل نبود که این فناوری بد بود، بلکه به این دلیل بود که معادله‌ای که برنده می‌شد تغییر کرده بود. معادله سال‌های پس از جنگ بر تعداد قطعات، هزینه و نسبت توان/وزن متمرکز بود؛ دوزمانه در هر سه برنده بود و با DKW، Saab، Trabant و Wartburg میلیون‌ها خودرو را به حرکت درآورد. اما معادله دهه 1980 بر آلایندگی، مصرف سوخت و مهندسی دقیق متمرکز بود - و محدودیت فیزیکی ناشی از تلفات جاروب و روانکاری total-loss، دوزمانه را در این محاسبه به شکست محکوم کرد. در تاریخ خودرو، تقریباً هیچ فناوری‌ای درس روشنی مانند این نداشته است که چقدر مهم است بدانیم مزایای یک فناوری چقدر مستحکم هستند: اینکه چه زمانی قدرتمند است، به اندازه اینکه چه زمانی بی‌اعتبار می‌شود، بخشی از یک تصمیم طراحی است.

منابع