Dlaczego silniki chłodzone powietrzem umarły? Triumf chłodzenia cieczą

Silnik samochodowy chłodzony powietrzem to architektura pozbawiona chłodnicy i pompy, która oddaje ciepło poprzez bezpośrednie nadmuchiwanie powietrza na metalowe żebra chłodzące nad cylindrami i dziś niemal całkowicie zniknęła z seryjnie produkowanych samochodów. Przyczyną jego śmierci nie był brak prostoty, lecz przeciwnie - cena prostoty: blok pozostający zimny przez długi czas po zimnym rozruchu, niekontrolowane emisje, niekontrolowane punkty gorące i nieosiągalne normy hałasu.

Jak działa chłodzenie powietrzem i dlaczego było takie proste?

To, co nazywamy układem chłodzenia silnika chłodzonego powietrzem, w rzeczywistości składa się z żeber na powierzchni cylindra i wentylatora. Nie ma tu chłodnicy, zbiornika wyrównawczego, węży i pompy wody, których wymaga odpowiednik chłodzony cieczą. Ciepło przechodzi bezpośrednio do powietrza z powiększonej powierzchni żeber. Z punktu widzenia inżynierii oznacza to mniej części, mniejszą wagę i mniej konserwacji: płyn chłodzący nie wycieka, pompa się nie psuje, nie ma ryzyka zamarznięcia.

Ale patrząc na bilans energetyczny, obraz staje się jasny. Około 44% energii zawartej w paliwie i tak jest tracona przez wydech, a 8% przenika do oleju. W silniku chłodzonym powietrzem tylko około 12% pozostałego ciepła może odpłynąć przez metalowe żebra. Oznacza to, że zdolność układu do oddawania ciepła jest strukturalnie ograniczona, a silnik musi pracować w znacznie szerszym zakresie temperatur niż konstrukcja chłodzona cieczą. Ten szeroki zakres oznacza luźniejsze tolerancje, obniżenie progu zapłonu spukanizowanego (spalania przed stukowym) i szczególnie w gorącym klimacie utrudnione zarządzanie termiczne.

Ma też przewagę i to poważną: łatwość konserwacji. W kompaktowych silnikach dotknięcie układu chłodzenia i wymiana pompy jest w konstrukcji powietrznej zazwyczaj tańsze i prostsze. Dlatego przemysł lotniczy nigdy go nie porzucił; w samolotach lotnictwa ogólnego silniki Lycoming i Continental nadal korzystają z tej architektury.

Od Benza do Franklina: Pierwsze stulecie silnika powietrznego

Historia chłodzenia powietrzem jest mniej więcej tak stara jak historia samochodu. Pierwszy udany silnik chłodzony powietrzem opracował niemiecki inżynier Karl Benz w 1801 roku, a idea ta dojrzała w latach 1920-1930. Po stronie amerykańskiej historia zapisuje się jednak za sprawą Franklina. Projekt, który rozpoczął się od eksperymentalnego pojazdu Johna Wilkinsona z 1901 roku, bez chłodnicy i pompy wody, wszedł do produkcji w 1902 roku w Syracuse w stanie Nowy Jork, a Franklin stał się najbardziej udanym amerykańskim producentem samochodów chłodzonych powietrzem.

Franklin tylko produkował; ale też dowiódł swojej wartości. W 1904 roku Franklin pokonał trasę San Francisco–Nowy Jork w 32 dni 23 godziny 20 minut; poprzedni rekord wynosił 61 dni. W 1905 roku zaprezentował jeden z pierwszych samochodów sześciocylindrowych i przejechał tę samą trasę w 15 dni. Marka była też pionierem innowacji takich jak automatyczna regulacja świec (1907), tłoki aluminiowe i smarowanie pod ciśnieniem. Trzeba jednak zaznaczyć: te wczesne opowieści o rekordach pochodzą z muzeów i źródeł wspomnieniowych, a nie z archiwów pierwotnych, więc ich historyczna precyzja jest ograniczona.

Każda próba się nie powiodła. Chevrolet w latach 1921–1923 próbował przenieść chłodzenie powietrzem do produkcji seryjnej modelem Series M Copper-Cooled, ale wycofał się w obliczu problemów inżynieryjnych; wyprodukowano bardzo niewiele egzemplarzy, a projekt uznano za nieudany.

Lotnictwo i Garbus: Złota Epoka Chłodzenia Powietrzem

Zwycięstwo na niebie, pierwszy cień na niebie

Dziedziną, w której chłodzenie powietrzem zdobyło prawdziwy prestiż, było lotnictwo. W 1921 roku Marynarka Wojenna USA, ze względu na prostotę, wspierała rozwój silników chłodzonych powietrzem w Pratt & Whitney i Wright Aeronautical. Wprowadzona w 1929 roku osłona NACA (opływowa obudowa wokół cylindrów) w dużej mierze rozwiązała problem zarządzania przepływem powietrza w silnikach chłodzonych powietrzem. Ale w tej samej dekadzie postępowała też strona przeciwna: woda pod ciśnieniem, a od 1929 roku glikol etylenowy - rozwiązanie zmniejszające chłodnicę o 50% - otworzyły drogę potęgom chłodzonym cieczą o wysokich osiągach, takim jak Rolls-Royce Merlin i Daimler-Benz DB601.

Serce samochodu ludowego

Po stronie samochodów największy sukces chłodzenia powietrzem przyszedł w powojennej epce kompaktowych aut ekonomicznych. Silnik flat-4 zaprojektowany przez Ferdinanda Porsche dla "samochodu ludowego" od 1938 roku był sercem VW Beetle, a potem Type 2, Karmann Ghia i Type 3; był produkowany w różnych pojemnościach aż do 2013 roku. W powojennej Europie tą samą drogą poszły Tatra, Fiat i Citroën. Citroën 2CV (1948–1990) jeszcze bardziej uprościł system, łącząc wentylator bezpośrednio z wałem korbowym. Trabant (1957–1991), ZAZ Zaporozhets (1958–1994), Fiat 126 (1972–1987) i Citroën GS/GSA to inne przykłady tego pokolenia.

Chevrolet Corvair: Amerykański Eksperyment z Chłodzeniem Powietrzem

Jedyną marką wśród wielkich amerykańskich producentów powojennych, która wypróbowała silnik chłodzony powietrzem w produkcji seryjnej, był Chevrolet. Silnik flat-6 w Corvairze produkowanym w latach 1960–1969 uznawany jest za osiągnięcie inżynieryjne; był wręcz jednym z najkosztowniejszych w rozwoju silników Chevroleta. Ale silnik umieszczony z tyłu pojazdu stał się celem kampanii na rzecz bezpieczeństwa konsumentów i krytyki układu z silnikiem tylnym. Efekt: po Corvairze wszystkie silniki General Motors stały się chłodzone cieczą. To odejście było najwcześniejszym znakiem zbliżającego się końca głównej epoki chłodzenia powietrzem.

Porsche 911: 35 Lat Oporu Chłodzenia Powietrzem

Najbardziej wiernym ocalałym chłodzenia powietrzem był, bez wątpienia, Porsche. Zaprojektowany przez Hansa Mezgera i Paula Henslera silnik flat-6 zadebiutował w 1964 roku w pierwszym Porsche 911 i przez 35 lat był chłodzony dużymi wentylatorami i żebrami cylindrów. Była to być może najdłuższa ciągłość w podstawowej architekturze samochodu sportowego.

Jednak w latach 90. równowaga się zmieniła. Przepisy dotyczące emisji i hałasu zostały zaostrzone; ponieważ układ z silnikiem z tyłu gromadził dwa duże źródła hałasu w jednym miejscu, przepisy faktycznie uczyniły chłodzenie powietrzem niemożliwym. W 1997 roku Porsche przeszło na chłodzenie cieczą w modelu 911; generacja 993 była ostatnim 911 chłodzonym powietrzem. Ostatni model chłodzony powietrzem został dostarczony 30 marca 1998 roku.

Ta zmiana otworzyła debatę w lojalnej społeczności marki, która trwa do dziś. Entuzjaści uważają silniki do 993 za ikoniczne i twierdzą, że silnik chłodzony powietrzem szybciej się nagrzewał i dawał bardziej mechaniczne odczucie; okres po chłodzonym cieczą 996 uznają za osobną erę. Na płaszczyźnie technicznej było jasno widoczne, że prawdziwą zaletą była prostota i mniejsza liczba części, ale ta architektura już nie odpowiadała nowoczesnym celom emisji i osiągów.

Trzy techniczne powody śmierci silnika chłodzonego powietrzem

Emisje i problem zimnego startu

To był najbardziej decydujący powód. W silniku chłodzonym cieczą termostat wyłącza chłodnicę z obiegu, zapewniając szybkie osiągnięcie temperatury roboczej. W silniku chłodzonym powietrzem układ chłodzenia jest zawsze otwarty; silnik pozostaje zimny przez długi czas podczas zimnego rozruchu i emituje więcej spalin z częściowo niespalonego paliwa. Tymczasem większość pozostałych emisji spalin powstaje właśnie w momencie zimnego startu. Ten mechanizm jest głównym inżynierskim uzasadnieniem przejścia na chłodzenie cieczą zarówno Porsche, jak i w mniejszym stopniu VW. Chłodzenie powietrzem nie radziło sobie z wysokimi temperaturami spalania wymaganymi przez normy emisji.

Punkty gorące i granica spalania stukowego

Drugim problemem jest lokalny: obszar zaworu wydechowego i portu wydechowego gromadzi intensywne ciepło, którego powierzchnia żeber nie jest w stanie usunąć. Chłodzenie cieczą oferuje znacznie wydajniejszą konstrukcję, kierując płyn chłodzący bezpośrednio do tych gorących punktów. Naturalnym rezultatem jest próg sprężania: konstrukcje chłodzone cieczą są mniej wrażliwe na jakość paliwa i bardziej tolerancyjne wobec wysokiego stopnia sprężania i turbo. To jest fizyczny powód, dla którego rewolucja turbo zamknęła drzwi silnikom chłodzonym powietrzem.

Przepisy dotyczące hałasu

Trzecim powodem jest niewidoczny: dławik, sam w sobie, jest tłumikiem dźwięku. Silnik chłodzony cieczą jest z tego powodu z natury cichszy i łatwo spełnia normy hałasu wielu krajów, które obejmują również hałas silnika na biegu jałowym. W przypadku chłodzenia powietrzem nie było już szans na tym poziomie z hałasem wentylatora i metalicznym rezonansem żeber.

Czy chłodzenie powietrzem naprawdę umarło?

W samochodach osobowych tak; w inżynierii nie. Ponieważ w lotniczych silnikach tłokowych lekkość i prostota są ważniejsze niż osiągi i cele emisyjne, silniki Continental i Lycoming nadal są chłodzone powietrzem; Rotax natomiast oferuje hybrydowe rozwiązanie łączące cylinder chłodzony powietrzem z głowicą chłodzoną cieczą. Tatra, ostatni obrońca na drogach, wciąż produkuje swój ciężarowy T815 chłodzony powietrzem. Tak więc architektura nie zmarła; wycofała się z samochodów osobowych, gdy zaczęły tam panować wymagania, które czynią ją zbędną - precyzyjna kontrola temperatury, niskie emisje, cicha praca. Chłodzenie powietrzem, będąc najczystszą formą prostoty, trwa dalej tylko w tych dziedzinach, gdzie te wymagania pozostają luźne.

Źródła

• Silnik chłodzony powietrzem - Wikipedia
• Dlaczego Porsche 911 przeszedł na silnik chłodzony cieczą - Porsche
• Old School Cool: wszystko o silnikach chłodzonych powietrzem - State of Speed
• Chłodzenie powietrzem: trzymaj to prosto - Audrain Auto Museum
• Wczesne samochody chłodzone powietrzem: historia automobilemów Franklin i Holmes - Tampa Bay Automobile Museum
• SILNIKI: Ostatnie silniki samochodowe chłodzone powietrzem - Auto Universum
• Kiedy Porsche zakończyło produkcję samochodów chłodzonych powietrzem? (30 marca 1998) - Automotive History
• Jak działają silniki chłodzone powietrzem i dlaczego to już nie ma znaczenia - CNET
• Dlaczego silniki chłodzone powietrzem nie występują już w większości samochodów - Capital One
• Contrary Compact: życie i śmierć Chevroleta Corvair - Ate Up With Motor