Wynalazek niemieckiego inżyniera stworzył fundament nowoczesnej gospodarki. Dzisiaj silnik Diesla traci swoją pozycję
Silnik Diesla stał się fundamentem globalnego handlu, napędzając statki, pociągi i ciężarówki. Wynalazek niemieckiego inżyniera przetrwał dwie wojny światowe, kryzysy naftowe i rewolucje technologiczne. Dziś, w dobie wyśrubowanych norm emisji, znajduje się w odwrocie, wypierany z centrów miast przez napędy hybrydowe i elektryczne. Należy jednak podkreślić, że w transporcie ciężkim, morskim i w zastosowaniach specjalistycznych popularny „ropniak” pozostanie z nami jeszcze przez dekady. Przyjrzyjmy się nieco bliżej historii silnika wysokoprężnego, od patentu po aferę, która właściwie „zabiła” tę technologię.
Spis treści:
Przez ponad stulecie silnik Diesla był synonimem niezawodności, potęgi przemysłowej i ekonomicznej efektywności. To właśnie ten wynalazek napędził drugą rewolucję przemysłową, umożliwił globalizację handlu poprzez gigantyczne kontenerowce i pozwolił na masowy transport towarów ciężarówkami, które stały się podstawą współczesnej gospodarki. Przez dekady w Europie był wręcz hołubiony przez rządy i regulatorów jako narzędzie walki z emisją dwutlenku węgla, oferując niższe spalanie niż konkurencyjne jednostki benzynowe. Jednak w ciągu zaledwie kilku ostatnich lat narracja ta uległa dramatycznemu odwróceniu. Z bohatera oszczędności stał się czarnym charakterem ekologicznej debaty, obwinianym o smog w miastach i choroby układu oddechowego.
Rudolf Diesel i jego obsesja
Rudolf Diesel – inżynier, który wynalazł silnik o zapłonie samoczynnym – był człowiekiem renesansu przełomu wieków. Lingwista władający biegle trzema językami, koneser sztuki i teoretyk społeczny nie był typowym inżynierem swoich czasów – ubrudzonym smarem i skupionym wyłącznie na mechanice. Miał jednak jedną obsesję – stworzenie „racjonalnego silnika cieplnego”, który zbliżyłby się do teoretycznego ideału Carnota.
Swój cel niemal przepłacił życiem
Po uzyskaniu patentu w 1892 roku, Diesel rozpoczął współpracę z fabryką Maschinenfabrik Augsburg (dzisiejszy MAN). Droga od koncepcji do działającego urządzenia była jednak usłana licznymi wybojami. Początkowo ponosił porażkę za porażką. Jedna z nich mogła kosztować go życie.
W pierwszej fazie Diesel planował wykorzystać miał węglowy w roli paliwa. Miało to swoje uzasadnienie. Na przełomie wieków węgiel był tani i powszechnie dostępny w Niemczech. Jednak próby wtryskiwania pyłu węglowego do cylindra kończyły się fiaskiem. Podczas jednego z pierwszych eksperymentów doszło do niekontrolowanej eksplozji, która zniszczyła prototyp i niemal zabiła wynalazcę, pozostawiając go z chronicznymi bólami głowy, które dręczyły go do końca życia.
Zmiana koncepcji poskutkowała sukcesem
Dopiero po zmianie paliwa na płynne – początkowo naftę, a później cięższe frakcje ropy – prace zaczęły posuwać się do przodu. Ostateczny przełom nastąpił 17 lutego 1897 roku. To data, którą można uznać za narodziny silnika wysokoprężnego.
Zaprezentowana wtedy maszyna nie przypominała jednak dzisiejszych kompaktowych silników samochodowych. Była to potężna konstrukcja stalowa w kształcie litery „A”, wznosząca się na wysokość trzech metrów. Wyposażona w jeden cylinder i ogromne koło zamachowe zamontowane na boku, robiła przytłaczające wrażenie.
Wyniki testów były jednak oszałamiające dla ówczesnych obserwatorów. Maszyna uzyskała moc około 18 koni mechanicznych, ale najważniejszym parametrem była sprawność – 26,2%. Należy wspomnieć, że w tamtym czasie, maszyny parowe z trudem osiągały 10-12%.
Pierwsze zastosowania
Po dopracowaniu prototypu naturalnym środowiskiem silnika Diesla stały się zastosowania stacjonarne, w których pełnił funkcję napędu fabryk, oraz transport wodny i kolejowy, gdzie masa jednostki napędowej nie odgrywała kluczowej roli.
W 1900 roku Marian Lutosławski, inżynier i mechanik, zbudował pierwszą w Polsce elektrownię zasilaną silnikiem wysokoprężnym. Dwa lata później przedsiębiorstwo MAN rozpoczęło produkcję stacjonarnych jednostek DM12. Do 1910 roku powstały 82 silniki. Prawdziwy przełom nastał jednak w 1903 roku, gdy maszyny o zapłonie samoczynnym zaczęły wypierać napęd parowy w transporcie morskim. Ostatecznie swoją wyższość udowodniły w 1911 roku.
MS Selandia
Właśnie wtedy nastąpiło zwodowanie statku MS Selandia. Mówimy tu o pierwszej w historii dużej, oceanicznej jednostce napędzanej silnikami spalinowymi. Zbudowana w stoczni Burmeister & Wain w Kopenhadze na zamówienie Kompanii Wschodnioazjatyckiej, Selandia była technologicznym majstersztykiem.
Jej konstrukcja szokowała ówczesnych obserwatorów jednym, rzucającym się w oczy brakiem: statek nie miał komina. Spaliny były odprowadzane dyskretnie przez tylny maszt. W epoce, gdy potęga statku była mierzona ilością i wielkością dymiących kominów, sylwetka Selandii wydawała się nienaturalna, wręcz karykaturalna. Statek był napędzany dwoma 8-cylindrowymi silnikami, generującymi łącznie 2500 KM. Osiągał prędkość 12 węzłów, a brak konieczności przewożenia ogromnych zapasów węgla i zatrudniania armii palaczy sprawił, że statek był o 40% tańszy w eksploatacji niż parowce. Zaoszczędzone miejsce wykorzystano na luksusowe kabiny pasażerskie, oferując standard niespotykany na trasach towarowych.
W ciągu zaledwie dziesięciu lat od wodowania Selandii tonaż floty handlowej napędzanej dieslami wzrósł do ponad 2 milionów ton. Epoka węgla na morzu zaczęła odchodzić w przeszłość.
Diesel na torach
Silnik wysokoprężny coraz śmielej poczynał sobie także na lądzie. W latach 30. XX wieku Niemcy zadziwili świat pociągiem, który stał się ikoną nowoczesności. Mowa o składzie SVT 877, czyli o „latającym hamburczyku”.
Wprowadzony do służby w 1933 roku na trasie Berlin-Hamburg, był to pierwszy na świecie szybki pociąg z napędem spalinowym. Sercem były dwa silniki diesla marki Maybach, każdy o mocy 410 KM, współpracujące z prądnicami i silnikami elektrycznymi. Taka konfiguracja pozwalała na osiągnięcie prędkości maksymalnej 160 km/godz. Czas przejazdu między Berlinem a Hamburgiem (286 km) wynosił zaledwie 2 godziny i 18 minut.
Ewolucja układu wtryskowego
Historia miniaturyzacji silnika Diesla i jego adaptacji do samochodów osobowych to w dużej mierze historia układu wtryskowego. To właśnie ten element jest najbardziej skomplikowaną i precyzyjną częścią całej układanki.
Przełom 1927 roku
Pierwsze silniki Diesla wykorzystywały tzw. wtrysk powietrzny. Paliwo było wdmuchiwane do cylindra za pomocą sprężonego powietrza. Metoda ta zapewniała dobre rozpylenie, ale wymagała montażu przy silniku dużej, ciężkiej i energochłonnej sprężarki. W ciężarówce czy samochodzie osobowym nie było na to miejsca.
Przełom nadszedł w 1927 roku, kiedy firma Bosch wprowadziła do seryjnej produkcji pompę wtryskową. Wynalazek ten był w stanie wytworzyć wysokie ciśnienie (rzędu kilkuset barów) i odmierzyć mikroskopijną dawkę paliwa, wtryskując ją bezpośrednio do cylindra (lub komory wstępnej) bez użycia powietrza. Wyeliminowanie sprężarki pozwoliło na drastyczne zmniejszenie gabarytów silnika. Jeszcze w tym samym roku prowadzono eksperymenty z samochodami osobowymi. W 1933 roku Citroën wprowadził jednostkę wysokoprężną w modelu Rosalie 11UD. W 1936 roku na rynek trafił pierwszy masowo produkowany samochód osobowy z dieslem – Mercedes-Benz 260 D.
Ciszej, mocniej, czyściej
Przez dekady diesle były jednak kojarzone z hałasem, wibracjami i „czarną chmurą” przy przyspieszaniu. Pompy rzędowe i rotacyjne miały swoje ograniczenia – ciśnienie wtrysku zależało od obrotów silnika. Rewolucja, która uczyniła diesla atrakcyjnym dla masowego klienta, nadeszła w latach 90. XX wieku wraz z systemem Common Rail.
Wynalazek ten został opracowany przez włoskiego fizyka Mario Ricco i rozwinięty przez grupę FIAT. Włosi wpadli na genialny pomysł: oddzielić proces wytwarzania ciśnienia od momentu wtrysku. W systemie Common Rail pompa wysokiego ciśnienia tłoczy paliwo do wspólnego zasobnika, w którym panuje stałe, ogromne ciśnienie. Wtryskiwacze są sterowane elektronicznie i otwierają się w idealnym momencie, dawkując paliwo z chirurgiczną precyzją.
Upadek króla
Na początku XXI wieku napęd dieslowski niepodzielnie rządził w statystykach sprzedaży nowych samochodów w Europie. Dzięki niższemu spalaniu, emitował mniej CO2, co pozwalało producentom spełniać unijne normy średniej emisji. Rządy wielu krajów aktywnie promowały zakup aut z silnikiem wysokoprężnym. Sielanka skończyła się gwałtownie w 2015 roku, wraz z wybuchem afery Dieselgate.
Ujawnienie, że Volkswagen (a później inni producenci) montował oprogramowanie fałszujące wyniki testów emisji tlenków azotu, podważyło zaufanie do technologii. Okazało się, że „czysty diesel” w wielu przypadkach był fikcją, a realna emisja szkodliwych substancji na drodze wielokrotnie przekraczała normy laboratoryjne.
Nasz autor
Artur Białek
Dziennikarz i redaktor. Wcześniej związany z redakcjami regionalnymi, technologicznymi i motoryzacyjnymi. W „National Geographic” pisze przede wszystkim o historii, kosmosie i przyrodzie, ale nie boi się żadnego tematu. Uwielbia podróżować, zwłaszcza rowerem na dystansach ultra. Zamiast wygodnego łóżka w hotelu, wybiera tarp i hamak. Prywatnie miłośnik literatury.