داستان خودروی عجیب جنرال موتورز که بدون میل‌لنگ و با روغن خوراکی کار می‌کرد!

تاریخ صنعت خودرو مملو از بن‌بست‌های مهندسی است که با گذشت زمان به فراموشی سپرده شده‌اند. هفتاد سال پیش، تصور می‌شد که موتور موسوم به پیستون آزاد (Free Piston) آینده پیشرانه‌های درون‌سوز باشد. این موتورها در مقایسه با پیشرانه‌های پیستونی معمول، قطعات متحرک کمتری دارند، می‌توانند با تقریباً هر ماده سوختنی کار کنند و در تئوری، هزینه تولید انبوه آن‌ها کمتر از سایر موتورهاست. جنرال موتورز شاید جاه‌طلب‌ترین خودروساز آمریکایی در زمینه توسعه این پیشرانه‌ها بود. موتور طراحی شده توسط این شرکت دارای دو سیلندر و چهار پیستون بود اما هیچ میل‌لنگی نداشت و با هر سوختی، حتی روغن پخت‌وپز کار می‌کرد. این پیشرانه نیروبخش یک خودروی آینده‌نگرانه به نام XP-500 بود که در سال ۱۹۵۶ معرفی شد اما بنا به دلایلی که در ادامه خواهیم گفت، امروزه در خودروهای مدرن اثری از این تکنولوژی دیده نمی‌شود.

در نیمه اول قرن بیستم، برخی مهندسان موتورهای پیستونی را فناوری‌ای منسوخ در جهان خودروسازی می‌دانستند. از نظر آن‌ها، موتورهای پیستونی قطعات بسیار زیادی داشتند و به‌اندازه کافی کارآمد، قدرتمند یا قابل‌اعتماد نبودند. به همین دلیل، در آن زمان گزینه‌هایی چون موتورهای توربین گازی، موتور وانکل و موتور پیستون آزاد گزینه‌های جایگزینی با پیشرانه‌های سنتی بودند. در اواسط قرن بیستم در آمریکا، در هر سه این موتورها پتانسیل بالایی برای فراگیری دیده می‌شد زیرا قطعات متحرک کمتری داشتند و به‌جز وانکل، همگی ادعا می‌کردند که با انواع سوخت‌ها سازگارند. هر یک از این طرح‌ها آینده‌ای را نوید می‌دادند که در آن موتورهای پیستونی بنزینی مانند اسب و درشکه منسوخ خواهند شد.

در دهه ۱۹۵۰، توربین‌های گازی (همان موتورهای جت) محبوبیت زیادی داشتند و هر سه غول خودروسازی آمریکا در حال آزمایش روی آن‌ها بودند اما برخی شرکت‌ها تمام تخم‌مرغ‌های خود را در سبد توربین گازی قرار ندادند و برای مثال، فورد اقدام به ساخت پیشرانهٔ پیستون آزاد و نصب آن روی یک تراکتور کرد. جنرال موتورز اما زودتر این موتور را در یک خودرو به کار گرفت که نتیجه آن کانسپت XP-500 سال ۱۹۵۶ بود؛ خودرویی که تکه‌ای عجیب از تاریخ جنرال موتورز است و به‌عنوان نمایشی خیره‌کننده از تکنولوژی‌ای که به‌جایی نرسید، شناخته می‌شود.

موتور پیستون آزاد نوعی موتور پیستونی است که در آن پیستون‌ها به چرخش میل‌لنگ وابسته نیستند. در این موتورها هیچ میل‌لنگ و شاتونی وجود ندارد و پیستون‌ها تنها بر اثر نیروی گاز حرکت می‌کنند. اگرچه مفهوم این موتور از دهه ۱۹۱۰ مطرح بود اما نسخه کاربردی آن در سال ۱۹۲۲ توسط مهندس آرژانتینی، رائول پاتراس پسکارا، اختراع شد. موتورهای پیستون آزاد انواع مختلفی دارند که اکثر آن‌ها دو زمانه هستند. ابتدایی‌ترین نوع آن، مدل تک پیستونی است که از سه بخش شامل سیلندر احتراق، وسیله بارگذاری و یک وسیله بازگشت انرژی (برای ذخیره انرژی لازم جهت متراکم کردن سوخت مرحله بعد) تشکیل شده است. قدرت کنترل بالا در فرآیند تراکم، نقطه قوت اصلی این طراحی ساده است.

نوع پیشرفته‌تر، مدل دو پیستونی است که نیاز به‌وسیله بازگشت انرژی را از بین می‌برد زیرا کارکرد یکی از پیستون‌ها، نیروی لازم برای تراکم در سیلندر دیگر را فراهم می‌کند. این مدل فشرده‌تر است و نسبت قدرت به وزن بالاتری دارد اما کنترل حرکت پیستون و نسبت تراکم در آن دشوار است زیرا نوسانات کوچک در احتراق یک سمت، تأثیر شدیدی بر تراکم سمت دیگر می‌گذارد. نوع دیگر، مدل پیستون‌های متقابل است که درواقع دو موتور تک پیستونی است که از طریق یک اتصال مکانیکی به هم متصل شده‌اند. در این طرح، دو پیستون در یک سیلندر به سمت هم حرکت کرده، منفجر می‌شوند و به سمت بیرون پرتاب می‌شوند. این مدل به دلیل تعادل، نرمی و راندمان بالاتر بر نسخه‌های دیگر برتری داشت.

همان‌طور که گفته شد، در پیشرانهٔ پیستون آزاد نیروی تولیدی به میل‌لنگ منتقل نمی‌شود بلکه گازهای داغ ناشی از احتراق یک توربین را به چرخش درمی‌آورد و این توربین می‌تواند پروانهٔ کشتی را به چرخش یا خودرو را به حرکت درآورد. درواقع، پیشرانهٔ پیستونی در این ترکیب نقش مولد گاز برای چرخش توربین را بازی می‌کند.

مهندسان آمریکایی از مدت‌ها قبل با این ایده آشنا بودند اما اولین استفاده موفقیت‌آمیز از آن به جنگ جهانی دوم بازمی‌گردد؛ زمانی که نیروی دریایی آلمان زیردریایی‌های خود را به این موتورها برای فشرده‌سازی هوا جهت پرتاب اژدر مجهز کرد. پس از جنگ، شرکت فرانسوی سیگما موتور GS-34 را توسعه داد که در کشتی‌ها و نیروگاه‌های اروپا موفق عمل کرد. جنرال موتورز با همکاری سیگما تحقیقات خود را آغاز کرد. این خودروساز آمریکایی دریافت که موتورهای توربین‌های گازی معمولی نیاز به فلزات گران‌قیمت برای تحمل دمای بالای اگزوز دارند اما گازهای خروجی موتور پیستون آزاد تنها ۲۳۰ تا ۴۸۰ درجه سانتی‌گراد دما داشت و بنابراین توربین گیرنده نیازی به پره‌های خاص و گران نداشت.

همچنین این موتور مشکل تأخیر توربین هم نداشت و پیش‌بینی می‌شد ۲۰ درصد کارآمدتر از موتورهای بخار یا توربین‌های گازی باشد. علاوه بر این، پیشرانهٔ پیستون آزاد می‌توانست با هر مایع قابل اشتعالی کار کند. بزرگ‌ترین کاربرد این موتور توسط جنرال موتورز در کشتی «ویلیام پترسون» صورت گرفت که در آن شش واحد مولد گاز، نیرویی معادل ۶ هزار اسب بخار را به پروانه‌های کشتی منتقل می‌کردند. این اولین نصب دریایی سیستم رانش توربین گاز با موتور پیستون آزاد در ایالات‌متحده بود.

چالش اصلی، کوچک کردن این تکنولوژی برای یک خودرو بود. برای اینکه موتور زیر کاپوت جا شود، مهندسان جنرال موتورز دو سیلندر را به‌صورت موازی کنار هم قرار دادند که ورودی و خروجی هوای مشترکی داشتند. این ترکیب ۲۵۰ اسب بخار قدرت تولید می‌کرد. موتور در جلو قرار داشت و گاز را از طریق لوله‌هایی در ساختار بدنه به توربین و گیربکس روی محور عقب می‌فرستاد. این کار باعث حذف تونل گیربکس و میل‌گاردان شد و درنتیجه XP-500 از کف کاملاً تختی بهره می‌برد. راندمان این موتور بین ۳۲ تا ۳۶ درصد بود و به دلیل ضریب تراکم بالای ۳۰ به ۱، با سوخت‌های مختلف ازجمله گازوئیل و نفت سفید و انواع روغن‌ها مثل روغن بادام‌زمینی کار می‌کرد.

با وجود موفقیت در حرکت خودرو، XP-500 مشکلاتی داشت که مانع تولید شد. ازآنجایی‌که میل‌لنگی وجود نداشت، راهی برای چرخاندن قطعات جانبی مثل پمپ آب، پمپ روغن و دینام وجود نداشت. جنرال موتورز مجبور شد برای این کار از چرخ‌دنده‌های توربین عقب استفاده یا حتی به نصب توربین دوم فکر کند. همچنین روشن کردن موتور فرآیند عجیبی داشت و چون فلایویلی وجود نداشت، باید از یک مخزن هوای فشرده استفاده می‌شد تا پیستون‌ها را با سرعت به حرکت درآورد. اگر در تلاش اول موتور روشن نمی‌شد، مخزن باید دوباره شارژ می‌شد. درنتیجه با وجود بیش از ۳۰ هزار ساعت تست، جنرال موتورز نتوانست بر این پیچیدگی‌ها غلبه کند و پروژه در سال ۱۹۵۹ متوقف شد. درنهایت موتور پیستون آزاد نیز مانند وانکل و توربین گازی نتوانست جایگزین موتورهای سنتی شود. موتورهای پیستونی معمولی با گذشت زمان بهتر شدند و این ایده‌های قدیمی را به حاشیه راندند. بااین‌حال، هرچند این موتور به یک بن‌بست تاریخی تبدیل شد اما کانسپت XP-500 همچنان به‌عنوان نمادی از جسارت مهندسی دیترویت در خاطره‌ها باقی‌مانده است.