Od Benza do Otto: losowy wiek silnika o spalaniu wewnętrznym

Stuletnia inżynierska podróż silnika spalinowego - od czterosuwowego silnika Nikolausa Otto po Patent-Motorwagen Benza.
Stuletnia inżynierska podróż silnika spalinowego - od czterosuwowego silnika Nikolausa Otto po Patent-Motorwagen Benza.

Udostępnij tę stronę

Historia silnika spalinowego faktycznie zaczyna się w 1876 roku wraz z czterosuwowym silnikiem ze sprężaniem Nikolausa Otto; w 1886 roku Karl Benz przekształca go w samochód dzięki swoim Patent-Motorwagenowi, a następne sto lat to wyścig inżynieryjny prowadzący przez architekturę cylindrów, kryzysy wydajności i takie poboczne drogi jak turbo i diesel. Ten artykuł śledzi tamte sto lat w formie chronologicznej narracji opartej na źródłach archiwalnych.

Najważniejsze informacje

  • Patent na cykl czterosuwowy w 1862 roku uzyskał Alphonse Beau de Rochas; pierwszy praktyczny silnik zbudował Otto w 1876 roku.
  • Pierwszy patent na samochód: 29 stycznia 1886, Benz Patent-Motorwagen, numer patentu 37435.
  • Po unieważnieniu patentu Otto w 1889 roku ponad 50 firm produkowało tę samą konstrukcję.
  • Udział diesla w rynku w Europie wynosił w 2015 roku 52%, a w 2023 roku spadł do 18%.
  • BMW 2002 Turbo, dwa lata przed Porsche 911 Turbo, stało się pierwszym seryjnie produkowanym samochodem z turbo w Europie.

Od Lenoira do Otto: Dlaczego silnik czterosuwowy był rewolucją?

Punktem wyjścia narracji nie jest właściwie Otto, lecz najlepsze rozwiązanie sprzed niego. W 1860 roku Étienne Lenoir zbudował dwudzielny silnik spalinowy zasilany gazem oświetleniowym; ale maszyna była zarówno duża, jak i nieefektywna: z pojemności 18 litrów uzyskiwano jedynie 2 KM (około 1,5 kW), a trzy czwarte paliwa szło na marne. Nikolaus Otto, zajmujący się sprzedażą objazdową, dowiedział się o tym silniku z ogłoszenia w gazecie i w 1861 roku przetestował jego kopię. Czego nauczył go test, było proste, ale rozstrzygające: kluczem do wydajności było sprężenie mieszanki paliwowej przed spalaniem. Jego pierwsza próba ze sprężaniem w 1862 roku zakończyła się niepowodzeniem, ponieważ silnik uległ zniszczeniu w ciągu kilku minut; ale pomysł był trafny.

Właśnie tutaj rozgrywa się najbardziej ironiczne wydarzenie patentowe w historii motoryzacji. Patent na cykl czterosuwowy - ssanie, sprężanie, praca i wydech; cztery suwy tłoka w dwóch obrotach silnika - uzyskał w 1862 roku francuski inżynier Alphonse Beau de Rochas, ale nigdy nie zbudował maszyny. Ponieważ silnik jako pierwszy zbudował Otto, cykl nosi dziś jego imię. Otto krok po kroku torował drogę przez firmę założoną z Eugenem Langenem w 1864 roku - pierwszą na świecie firmę produkującą silniki spalinowe, NA Otto & Cie: na Światowej Wystawie w Paryżu w 1867 roku jego silnik atmosferyczny zdobył złoty medal; ta maszyna, zużywająca mniej niż połowę gazu w porównaniu z konkurencyjnymi silnikami gazowymi, osiągała wydajność 12% i generowała 0,5 KM. W 1869 roku firma przeniosła się do Deutz i przyjęła nazwę Gasmotoren-Fabrik Deutz - dzisiejsze Deutz AG, najstarszy producent silników na świecie.

Prawdziwy skok nastąpił po 14 latach prac badawczo-rozwojowych: 9 maja 1876 roku Otto stworzył silnik czterosuwowy działający na zasadzie sprężonego ładunku. Ta konstrukcja, która dzięki metodzie zwanej warstwowym ładunkiem uczyniła spalanie kontrolowanym, jeszcze tej samej jesieni osiągnęła dojrzałość komercyjną jako silnik Rings-Schumm i stała się pierwszą komercyjnie udaną maszyną wykorzystującą sprężanie w cylindrze. Dzięki niezawodności, wydajności i stosunkowo cichej pracy w następujących 30 latach wyprodukowano ponad 30 000 silników pracujących w obiegu Otto. Liczba ta wyraźnie ukazuje skok technologiczny: przejście na sprężanie podniosło wydajność w latach 1880-1890 z 5% do 15%; trzykrotna poprawa w porównaniu z silnikami ery pary, o sprawności poniżej 5%. Czterosuwowy obieg o zapłonie iskrowym do dziś napędza większość samochodów na drogach.

Pouczające jest także prawne zakończenie tej historii. W 1886 roku patent Otto został unieważniony po ujawnieniu wcześniejszego patentu Beau de Rochasa; Deutz nie zdołał udowodnić przed sądem, że jego system warstwowania ładunku różni się od francuskiego patentu. Rezultat był dla inżynierii wyzwalający: Do 1889 roku ponad 50 firm produkowało silniki konstrukcji Otto. Ten klasyczny konflikt między praktycznym wynalazkiem a pierwszeństwem patentowym otworzył drzwi dla całego przemysłu tej epoki. Jedna strona sporu pozostaje wciąż żywa: We Francji obieg bywa nazywany "obiegiem Beau de Rochasa", a niektórzy wskazują na zasługi Reithmanna - wkład trzech wynalazców nie jest wzajemnym alternatywą, lecz uzupełnieniem.

Droga do samochodu: Daimler, Maybach i Patent-Motorwagen Benza

Otto chciał dużych, stacjonarnych silników; natomiast dyrektor techniczny w Deutz, Gottlieb Daimler, i główny konstruktor Wilhelm Maybach dążyli do uniezależnienia silnika, czyli zmniejszenia go na tyle, by można go było zamontować w pojazdach. Ta różnica filozofii produkcji doprowadziła w 1882 roku do odejścia duetu z firmy. Owoc rozstania nadszedł szybko: W 1883 roku powstał mały i wydajny silnik o mocy 0,5 KM, a w 1885 roku pierwszy wysokooobrotowy silnik benzynowy, przydomek "Grandfather Clock". Zbudowany wokół tego silnika Daimler Reitwagen był pierwszym pojazdem mechanicznym z silnikiem spalinowym.

Akt urodzenia samochodu sporządzono jednak nie w Kolonii, lecz w Mannheimie. Karl Benz przeszedł do historii patentem numer 37435, o który ubiegał się 29 stycznia 1886 roku dla "pojazdu napędzanego silnikiem gazowym". Ukończony w 1885 roku Benz Patent-Motorwagen; był lekkim, trójkołowym pojazdem napędzanym jednocylindrowym silnikiem benzynowym i nosił podwójny zaszczyt: pierwszego prawdziwego samochodu napędzanego benzynowym silnikiem spalinowym oraz pierwszego samochodu w ogóle. Przed Benzem oczywiście nie było pusto - próby zbudowania pojazdów mechanicznych trwały już około wieku, wliczając pojazd parowy Nicolasa-Josepha Cugnota z 1769 roku; ale linia ciągnąca się od maszyny Lenoira o sprawności 4% do sprężynowego obiegu Otto wyjechała na drogi dopiero dzięki benzynie i lekkiej konstrukcji szasówki Benza.

Trzeba też odnotować udział Deutz w tym łańcuchu: opracowany w 1884 roku gaźnik i niezawodny system niskonapięciowego zapłonu umożliwiły po raz pierwszy użycie ciekłego paliwa naftowego w silnikach. Paliwo samochodowe narodziło się jako techniczny produkt uboczny. Z kolei marka Daimlera i Maybacha została uwieńczona pod koniec lat 90. XIX wieku samochodem opracowanym dla Emila Jellineka: Silnik o mocy 35 KM rozpędzał pojazd do około 90 km/h, a nazwę wzięli od córki Jellineka - Mercedes. Oceny epoki były bezlitosne - pierwszy samochód Benza w latach 80. XIX wieku był gorszą alternatywą dla konia; ale zapoczątkowany przez niego postęp pogłębiał się nieprzerwanie przez cały wiek.

Architektura cylindrów: Co mówią układy rzędowe, V i bokser?

Dopóki cykl Otto pozostawał stały, stuletnia rywalizacja obracała się w dużej mierze wokół tego, jak ustawione są cylindry. Istnieją trzy podstawowe układy, a każdy z nich odpowiada na inną inżynierską przesłankę:

  • Rzędowy (inline): Cylindry ustawione w jednym rzędzie. Prosty i zrównoważony; ceną jest długość - przy tej samej liczbie cylindrów zajmuje wyraźnie dłuższy blok niż układ V.
  • V: Cylindry ustawione pod kątem w dwóch rzędach; V8 konstruowany jest zazwyczaj pod kątem 60°–90°, z dwoma rzędami po cztery cylindry. Skraca długość, zapewnia kompaktową komorę silnika.
  • Bokser (flat): Kąt między rzędami wynosi 180°. Dzięki nisko położonemu środkowi ciężkości i zrównoważeniu drgań oferuje inny profil balansu i osiągów w aplikacjach nastawionych na wydajność.

Historyczny odzwierciedlenie tego trójkąta również staje się jasne: w okresie przedwojennym i powojennym rosły pojemności silników i liczby cylindrów; W latach 70. XX wieku niemal domyślnym silnikiem rynku amerykańskiego było V8. Kryzysy naftowe, które zobaczymy poniżej, wywołały presję, która z dnia na dzień odwróciła te preferencje architektoniczne.

Powojenna era kompaktowych samochodów: Beetle, Fiat 500 i Mini

Po dwóch wojnach światowych historia silnika została zapisana nie w skali gigantycznej, lecz małej. Powojenny samochód rodzinny Europy, Volkswagen Beetle - oficjalnie Type 1 - produkowany nieprzerwanie w latach 1938–2003, swoim chłodzonym powietrzem i silnikiem z tyłu układem zdefiniował szablon małego samochodu tamtej epoki. Ten układ oddziaływał bezpośrednio: oryginalny Fiat 500 wyruszył w drogę, inspirując się architekturą Beetle'a z 1938 roku, i między 1957 a 1975 rokiem sprzedał się w liczbie 3,4 miliona egzemplarzy, stając się ikoną. Mini dołączyło w 1959 roku. Wspólnym mianownikiem tej trójki nie była taniość, lecz niezawodność i prostota; klasyczne małe samochody europejskie uchodziły kiedyś za szczyt prostoty i niskich kosztów eksploatacji. W języku inżynierii jest to nazwa epoki, w której zmniejszanie liczby cylindrów i pojemności przy jednoczesnym wzroście niezawodności stało się bardziej zbywalne niż zwiększanie mocy.

Jak kryzys naftowy 1973 roku zmienił projektowanie silników? Downsizing i rewolucja turbo

1973 petrol krizinin ardından turboşarj devrimini başlatan BMW 2002 Turbo, Avrupa'nın ilk seri üretim turboşarjlı yol otomobili olarak tarihe geçti.

W 1973 roku embargo OPEC najpierw podwoiło, a potem poczwórniło cenę baryłki i w pełnej nagości pokazało, jak krucha jest flota amerykańskich samochodów głodnych paliwa. Terminologia projektowania silników narodziła się z tego szoku: określenie Malaise era, które definiuje tę epokę, zaczyna się od nagłego wzrostu kosztów benzyny; producenci zamykają epokę przesadnie dużych nadwozi i silników, wracając do efektywności. W USA pojemności domyślnych silników V8 zostały niemal o połowę zmniejszone; korzenie tego, co dziś nazywamy "downsizingiem", sięgają dokładnie kryzysu OPEC. Historia korporacyjna Toyoty potwierdza te same narodziny z bólem: spadek podaży ropy i wzrost cen jeszcze bardziej rozdmuchały ówczesny niedobór materiałów i produktów.

Odpowiedzią na presję wydajności po stronie osiągów było odzyskiwanie energii spalin: turbo doładowanie. Trzy nazwy uważa się za pionierów tej rewolucji, a chronologia przedstawia się następująco:

  1. BMW 2002 Turbo - zaprezentowane na 1973 Frankfurt Motor Show po trzech latach rozwoju; Wyprodukowane z turboseprężarką KKK, silnikiem 2,0 l (1990 cc) SOHC inline-4 M10 i wtryskiem Kugelfischer, stało się pierwszym seryjnie produkowanym turbodoładowanym samochodem osobowym w Europie, dwa lata przed podobnym rozwiązaniem Porsche.
  2. Porsche 911 Carrera Turbo (930) - umieściło turbo w samym środku tożsamości performansnej marki.
  3. Saab 99 Turbo - w 1978 przeniósł turbo do zwykłego sedana rodzinnego, tworząc oddaną społeczność fanów na dziesięciolecia; Volvo 240 Turbo również podążało tą praktyczną linią.

Zrównoważona lektura jest taka: Jeśli 2002 Turbo i 911 Turbo uczyniły turbo symbolem osiągów, to 99 Turbo i 240 Turbo przekształciły je w luksus codziennego użytkowania. Łączny wpływ pionierskiej trójki polegał na przeniesieniu turbo z niszowej technologii wyścigowej do głównego narzędzia wydajności - eleganckiej odpowiedzi na konieczność narzuconą inżynierii przez kryzys naftowy.

Wzrost Diesla i Upadek z Dieselgate

Pod koniec dwudziestego wieku diesel był jednym z pasażerów wydajności; w pierwszym ćwierćwieczu dwudziestego pierwszego wieku przekształcił się jednak w kryzys zaufania. Punkt zwrotny to wrzesień 2015: W skandalu Dieselgate Volkswagen zainstalował w milionach pojazdów dieslowskich oprogramowanie oszukańcze zwane "defeat device", by oszukiwać testy emisji na całym świecie. Według ustaleń amerykańskiej EPA firma naruszyła Clean Air Act na około 590.000 pojazdach dieslowskich w latach modelowych 2009-2016. Literatura naukowa potwierdza, że oszukańcze oprogramowanie nielegalnie generowało fałszywe wyniki emisji NOx. Skandal nie dotyczy tylko jednej firmy; powszechnie przyjmuje się w branży, że wielu producentów rozluźniało testowe wartości CO2 i zużycia paliwa. VW zawiesił bieżące aktualizacje, dopóki technologia nie nadąży za nowymi standardami.

Efekt jest mierzalny i surowy. Udział rynkowy samochodów dieslowskich w Europie spadł z poziomu 52% w 2015, gdy wybuchł skandal, do 18% w 2023; W międzyczasie udział pojazdów elektrycznych szybko rósł. Choć powiedzenie, że diesel "umarł", byłoby przesadą, niepodważalne jest, że w europejskim krajobrazie drogowym zamknęła się pewna epoka - a to zamknięcie stworzyło główną lukę, która otworzyła drogę wzrostowi elektryków.

Na uboczu: Silnik Wankla i 45-letnia upartość Mazdy

Najbardziej ukochaną dygresją poza głównym nurtem jest silnik wirnikowy (rotary) niemieckiego inżyniera Felix Wankel; Jego początki sięgają koncepcji z 1929 roku, a dojrzałość osiągnął w latach 50.. Ten elegancki pomysł ustanawiający cykl pracy za pomocą wirującego rotora zamiast tłoka i cylindra znalazł swojego najwierniejszego zwolennika w Japonii: Mazda, podpisując w 1959 roku umowę rozwojową z NSU, podjęła wczesne i trwałe zobowiązanie. Przygoda z rotacją rozpoczęła się w 1967 roku modelem Cosmo Sport (Mazda 110S); Modele takie jak R100 przeniosły tę technologię pod koniec lat 60., a przez kolejne 45 lat silnik dojrzewał poprzez zwiększanie pojemności i dodanie turbosprężarki. Mimo że pozostał poza głównym nurtem, Wankel żyje w inżynierskiej pamięci jako najdłużej działająca eksperymentalna linia, pokazująca że cykl Otta nie jest jedyną alternatywą.

Japoński wybuch: Jak kryzys naftowy zmienił właściciela epoki?

Ostatnie wielkie przełamanie stulecia dokonało się w geografii produkcji. W latach 70. japońskie samochody były w starszych pokoleniach wciąż jeszcze swego rodzaju tabu, a kwestia, czy kryzys naftowy z 1973 roku ten proces przyspieszył czy go zainicjował, pozostaje do dziś tematem dyskusji. Oba bieguny sporu są jasne: z jednej strony kryzys natychmiast uczynił oszczędne pojazdy z małymi silnikami najbardziej pożądanym towarem na świecie; z drugiej strony awans japońskich producentów nie da się sprowadzić wyłącznie do wycenionego szoku naftowego. Toyota traktuje swoją odpowiedź na pierwszy kryzys naftowy jako odrębny rozdział swojej historii korporacyjnej - innymi słowy twierdzi, że kryzys nie był przypadkowym podmuchem, lecz punktem zwrotnym, w którym strategia firmy została systematycznie uwzględniona. Z perspektywy inżyniera równanie się spina: wydajność stała się wkładem do projektowania, a od 1973 roku kultura, która najlepiej nim zarządzała, przejęła rynek epoki. Że część pionierów turbosprężarek to europejscy producenci nastawieni na wydajność, jak Saab i Volvo, to europejski wątek tej samej logiki.

Wniosek: Dziś 150-letniego cyklu

Linia prowadząca od maszyny Otta z 1876 roku do silnika opróżnionego po Dieselgate czytana jest jedną logiką: ograniczenie każdej epoki pisało priorytet projektowy następnej. Wydajność 4% Lenoira wymusiła sprężanie; sprężanie narodziło automobile; powojenny niedostatek zmniejszył rozmiary; kryzys naftowy narzucił wydajność i turbo; przepisy emisyjne najpierw wywyższyły diesla, potem go obnażyły. Czterosuw z zapłonem iskrowym wciąż pracuje na drogach - ale dodanie, że mety tego 150-letniego wyścigu wyznaczono już elektrycznie, to zadanie tego, kto czyta historię.

Źródła