همه‌چیز در مورد پیشرانه‌های پیستون مخالف، گزینه‌ای برای خودروهای آینده

موتورهای پیستون مخالف، اختراع جدیدی نیستند اما طی سال‌های اخیر به دلیل مصرف سوخت کمتر، برای استفاده در خودروها موردتوجه قرار گرفته‌اند.

از زمان اختراع خودرو، مهندسان زیادی ترکیب‌های مختلف پیشرانه را امتحان کرده‌اند که ازجملهٔ آن‌ها می‌توان به موتورهای وانکل، پیشرانه‌های رادیال و حتی موتورهای بخار اشاره کرد ولی نهایتاً پیشرانه‌های خطی، V شکل و تخت پیروز شدند. دراین‌بین اما نوع دیگری از پیشرانه‌های درون‌سوز هم وجود دارد که به آن موتور پیستون مخالف (Opposed Piston Engine) گفته می‌شود. در ادامه به بررسی این پیشرانه‌ها خواهیم پرداخت و خواهیم دید که چرا در خودروها استفاده نمی‌شوند.

همچنین بخوانید:

• آشنایی با پیشرانه‌های رادیال یا شعاعی
• نگاهی به پیشرانهٔ عجیب و منحصربه‌فرد VR شکل فولکس‌واگن

پیشرانه پیستون مخالف چیست؟

پیشرانه‌های پیستون مخالف اساساً از همان اصول موتورهای پیستونی معمولی استفاده می‌کنند اما این مفهوم را کاملاً تغییر داده‌اند. در پیشرانه‌های درون‌سوز سنتی، یک پیستون در یک سیلندر به بالا و پایین حرکت می‌کند اما موتور پیستون مخالف در هر سیلندر دو پیستون دارد که سرشان به سمت یکدیگر است. این ویژگی نیاز به سرسیلندر را از بین می‌برد زیرا پیستون‌ها محفظهٔ احتراق را بین خودشان ایجاد می‌کنند. مثل پیشرانه‌های پیستونی معمولی، این موتورها هم می‌توانند با بنزین یا گازوئیل کار کنند و برای قدرت بیشتر به توربوشارژر یا سوپرشارژر مجهز شوند. بااین‌حال، از موتورهای پیستون مختلف به دلیل تناسبات و اندازهٔ نامناسب، بیشتر در وسایل نقلیهٔ بزرگی که به قدرت زیادی نیاز دارند استفاده می‌شود.

تاریخچهٔ پیشرانه پیستون مخالف

اولین پیشرانهٔ پیستون مخالف، موتور اتکینسون در سال ۱۸۸۲ بود که البته هرگز موفق عمل نکرد. سپس در سال ۱۸۹۸، اوشل‌هویزر نسخه‌ای دو زمانه از این موتور را ساخت که حدود ۶۰۰ اسب بخار قدرت تولید می‌کرد و در یک کارخانهٔ آهنگری استفاده می‌شد. در سال ۱۹۰۱، برای اولین بار از موتور پیستون مخالف در ایالات‌متحده برای تولید برق استفاده شد و اولین کاربرد خودرویی این موتور در سال ۱۹۰۴ در فرانسه صورت گرفت. در آن سال، خودرویی بنام کوبرون برلیه با پیشرانهٔ پیستون مخالف با ۱۵۳ کیلومتر بر ساعت، رکورد سرعت را شکست و اواخر همان سال به اولین خودرویی تبدیل شد که از مرز ۱۰۰ مایل بر ساعت یا ۱۶۰ کیلومتر بر ساعت عبور کرد.

بین دهه‌های ۱۸۸۰ تا ۱۹۴۰، پیشرانهٔ پیستون مخالف ترکیب مناسب و پرکاربردی بود اما به محض اینکه پیشرانه‌های معمولی فراگیر شدند، موتور پیستون مخالف تقریباً محو شد. در حال حاضر، از این پیشرانه‌ها صرفاً در ماشین‌آلات فوق سنگین مثل زیردریایی‌ها، کشتی‌ها و لوکومتیوها استفاده می‌شود. معروف‌ترین سازندهٔ پیشرانه‌های پیستون مخالف، Napier Deltic است که موتورهای عظیمی را برای قطارها می‌سازد. یکی از این موتورها که D18 نام دارد، با ۱۸ سیلندر و قدرتی در حدود ۱۶۵۰ اسب بخار، در بسیاری از لکومتیوهای بریتانیا استفاده می‌شود.

مزایا و معایب پیشرانه‌های پیستون مخالف

هرچند در پیشرانه‌های پیستون مخالف سرسیلندر حذف می‌شود اما این موتورها دو میل‌لنگ دارند که هرکدام در انتهای یک ردیف از پیستون‌ها قرار می‌گیرد. این کار جانمایی پیشرانه را دشوار خواهد کرد زیرا دو میل‌لنگ باید از طریقی به هم متصل شوند تا نیروی را به یک محور بدهند. این باعث افزایش تنش روی قطعات می‌شود و همچنین اتلاف نیروی بیشتری را هم به همراه دارد. البته در برخی موتورهای پیستون مخالف، از یک میل‌لنگ در زیر سیلندرها استفاده می‌شود که پیستون‌ها از طریق قطعات یوغ مانند به آن متصل می‌شوند اما این طراحی به تعمیر و نگهداری بیشتری نیاز دارد، ارتفاع موتور را بسیار بلندتر می‌کند و روغن‌کاری را هم دشوار خواهد کرد.

از مزیت‌های این موتور هم می‌توان به مصرف سوخت کمتر، تولید قدرت بیشتر نسبت به حجم و تولید گشتاور بیشتر اشاره کرد. در پیشرانهٔ پیستون مخالف بجای اینکه انفجار داخل سیلندر فقط یک حرکت پیستون را باعث شود، با وجود دو پیستون در هر سیلندر، یک انفجار دو حرکت پیستون را به همراه دارد که منجر به چرخش قوی‌تر میل‌لنگ شده و گشتاور بیشتری تولید می‌کند.

موارد استفادهٔ موتورهای پیستون مخالف

پیشرانه‌های پیستون مخالف در اوایل دههٔ ۱۹۰۰ در خودروها مورداستفاده قرار گرفتند اما خیلی زود جای خود را به پیشرانه‌های خطی، V شکل و تخت دادند. بعدها، بریتیش لیلاند از موتورهای پیستون مختلف در تانک چیفتن دههٔ ۶۰ استفاده کرد و تانک T-64 ارتش شوروی هم به این نوع موتور مجهز شد. در حال حاضر، از این پیشرانه‌ها در لکوموتیوهای بریتیش ریل و برخی قایق‌های تندروی نیروی دریایی استفاده می‌شود.

هرچند از پیشرانه‌های پیستون مخالف بیشتر در وسایل نقلیهٔ بزرگ استفاده می‌شود اما یک شرکت آمریکایی بنام اکتس پاور مشغول آزمایش نسل جدیدی از این نوع پیشرانه برای استفاده در خودروها است. پروتوتایپ این موتور هم‌اکنون در فورد F150 در حال آزمایش است و به گفتهٔ شرکت مذکور، ۳۰ درصد مصرف سوخت کمتری نسبت به نمونه‌های سنتی مشابه دارد. این پیشرانه یک نمونهٔ ۲.۷ لیتری سه سیلندر با شش پیستون و توربوشارژر و سوپرشارژر است که ۲۷۰ اسب بخار قدرت و ۶۵۰ نیوتن متر گشتاور تولید می‌کند. از سال ۲۰۱۲، این موتور بیش از ۵ هزار ساعت تحت آزمایش قرار گرفته و تحقیقات روی آن همچنان ادامه دارد. اکتس پاور همچنین از سیستم‌های جدیدی برای کاهش آلایندگی این موتور استفاده کرده است مثل سیستم SCR که موتور را سریع‌تر به دمای بهینه می‌رساند و سیستم گردش گاز اگزوز یا EGR که فشار بین منیفولدهای هوا و دود را برای عملکرد کارآمدتر کنترل می‌کند.

هرچند این پیشرانه امیدوارکننده به نظر می‌رسد اما هنوز موانع زیادی سر راه آن قرار دارد. بزرگ‌ترین مشکل این است که برای توسعهٔ چنین موتوری حداقل یک دهه دیر شده است زیرا با توجه به رشد سریع خودروهای الکتریکی، خودروسازان علاقه‌ای به سرمایه‌گذاری روی توسعهٔ موتورهای درون‌سوز جدید ندارند. بااین‌حال، اگر پروژهٔ سوخت‌های مصنوعی پورشه موفق شود یا تویوتا بتواند موتورهای درون‌سوز هیدروژنی خود را به نتیجه برساند، شاید در یک یا دو دههٔ آینده خیلی از ما با خودروهایی رانندگی کنیم که موتور پیستون مخالف زیر کاپوت دارند.