Na początku był karburator [MOTO 2030]

Od zarania samochodowych dziejów skuteczne mieszanie paliwa z powietrzem w komorze spalania cylindra stanowiło wyzwanie. Ciągle były z tym problemy. Wreszcie ktoś wpadł na genialny pomysł.

MOTO 2030 to copiątkowy cykl Gazeta.pl, w którym poruszamy najważniejsze tematy dotyczące przyszłości motoryzacji, transportu, technologii. Samochody, drogi i miasta bardzo dynamicznie zmieniają się na naszych oczach. Co piątek dziennikarze Moto.pl będą o tych zmianach pisać. Tutaj znajdują się wszystkie artykuły z cyklu MOTO 2030.

Najprostszym i najwcześniejszym chronologicznie rozwiązaniem wytwarzającym mieszankę paliwowo-powietrzną były karburatory, bo tak wówczas nazywano gaźniki. Proste urządzenia tego typu pojawiły się dość szybko, lecz nie zapewniały utrzymywania stałych, równych obrotów.

Zaradził temu dopiero genialny Wilhelm Maybach, pracujący dla Gottlieba Daimlera. To on w okolicach 1885 roku skonstruował gaźnik z komorą pływakową, dzięki któremu przez następne kilkadziesiąt lat samochodami dawało się normalnie jeździć.

Niestety gaźniki mają też wady. Dawkowanie przez nie paliwa nie jest zbyt dokładne, a potencjał silnika przez to nigdy nie zostaje wykorzystany w pełni. Znacznie skuteczniejszym rozwiązaniem jest wtryskiwanie paliwa do dolotu, a jeszcze lepiej bezpośredni wtrysk benzyny do cylindrów. To skuteczniejsze rozwikłanie problemu mało homogenicznej mieszaniny paliwa i powietrza, ale równocześnie bardziej skomplikowane i wymagające innego poziomu techniki niż zwykły gaźnik.

Najprawdopodobniej nie wiedział o tym niejaki Léon Levavasseur, francuski wynalazca, bo już w roku 1908 skonstruował silnik dla samolotu Antoinette z mechanicznym bezpośrednim wtryskiem paliwa. Był także autorem pierwszego w historii świata ośmiocylindrowego silnika o widlastym ułożeniu oraz innowacyjnego systemu chłodzenia silnika cieczą.

Silnik działał skutecznie i samoloty Antoinette w początkowym okresie rozwoju awiacji wygrywały sporo zawodów, pod warunkiem, że lot nie trwał dłużej niż 15 minut. Oryginalny silnik V8 Levavasseura można obejrzeć w hali silników Muzeum Lotnictwa Polskiego w Krakowie.

Samoloty Myśliwskie Messerschmitt Bf 109E-4Samoloty Myśliwskie Messerschmitt Bf 109E-4 fot. Michael Sobotta/Wikimedia Commons

Messerschmitt i inni

W tym samym znakomitym muzeum można zobaczyć dobrze zachowany kadłub samolotu Messerschmitt Me-209, zbudowanego w 1937 roku w celu ustanowienia światowego rekordu prędkości lotu. Realizacja tego planu zakończyła się sukcesem. Osiągnięto niesamowitą prędkość 756 km/h. Tak spektakularny rekord nie byłby możliwy bez bezpośredniego wtrysku paliwa, ale... wrócimy do tego.

W silnikach samolotowych bezpośredni wtrysk benzyny ma ogromny sens, bo silnik nie przerywa podczas gwałtownych manewrów, związanych z występowaniem przeciążeń, a ponadto znika problem oblodzenia gaźników, który był przyczyną wielu katastrof.

Prace nad takim zasilaniem prowadziło przedsiębiorstwo lotnicze założone przez Hugona Junkersa już od 1916 roku. Później decyzją centralnej władzy nazistowskiej badania zlecono firmie Daimler-Benz. Pracujący w niej inżynier Hans Scherenberg pracował intensywnie i to dzięki niemu już w 1937 roku wprowadzono do produkcji silnik oznaczony kodem DB 601.

Silnik ten występował w kilku wersjach rozwojowych i napędzał między innymi podstawowy myśliwiec Luftwaffe z czasów wojny - Messerschmitt Bf-109. Tak zwany Sztukas, czyli bombowiec nurkujący Junkers Ju-87 "Stuka" napędzany był innym silnikiem Jumo-210G, ale również z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Również firma BMW podczas wojny budowała silniki lotnicze z zasilaniem tego samego typu. Nieliczne konstrukcje z podobnym rozwiązaniem technicznym pojawiały się również po stronie aliantów.

Silnik lotniczy DB 605Silnik lotniczy DB 605 fot. Wikimedia Commons

Po wojnie niemieccy inżynierowie zostali bez pracy

Najlepsi na świecie specjaliści od wtrysku bezpośredniego znajdowali się w Niemczech, ale zwycięscy alianci zabronili nie tylko rozwoju silników z takim rodzajem zasilania w paliwo, lecz zakazali także pracy w przemyśle ludziom, którzy przyczynili się wcześniej do rozwoju hitlerowskiej machiny zbrojeniowej.

W związku z tym i Scherenberg został bez pracy, ale po paru latach rozpoczął konsultacje techniczne dla niewielkiej firmy doradczej. Ich efektem było przygotowanie silnika dwusuwowego bezpośrednim wtryskiem paliwa do samochodów Gutbrod Superior i Goliath GP700. W 1952 roku klimat polityczny się zmienił i inżynier Hans Scherenberg mógł powrócić na łono macierzystej firmy, czyli Mercedesa-Benza.

Dokładnie w tym samym czasie genialny Rudolf Uhlenhaut pracował nad nowym samochodem sportowym 300 SL. Wówczas pojawił się problem - na opracowanie napędu godnego takiego samochodu nie było w firmie pieniędzy. Wszystkim inżynierom pracującym przy tym projekcie wydawało się, że z bloku silnika pochodzącego z limuzyny Mercedes-Benz Typ 300, czyli "Adenauera" nie da się wiele wykrzesać... i wszyscy mylili się sromotnie.

Mercedes-Benz 300 SL 'Gullwing'Mercedes-Benz 300 SL 'Gullwing' fot. Mercedes

Genialny konstruktor udowodnił innym, że nie mają racji

Dzięki bezpośredniemu wtryskowi patentu Scherenberga moc silnika przeznaczonego dla Mercedesa 300 SL, czyli słynnego "Gullwinga" (nazwano go tak od otwieranych do góry drzwi, które przypominały skrzydła mewy) wzrosła z banalnych 115 do 225 koni.

Podobny system mechanicznego bezpośredniego wtrysku benzyny zastosowano także w wyścigówkach Grand Prix bezpośrednio poprzedzających zmagania bolidów Formuły 1, tudzież w legendarnym modelu Mercedes-Benz 300 SLR.

Takim właśnie samochodem Stirling Moss wraz z Denisem Jenkinsonem zwyciężyli w 1955 roku w wyścigu Mille Miglia. Identyczny ośmiocylindrowy silnik rzędowy z bezpośrednim wtryskiem benzyny oraz rozrządem desmodromicznym (charakteryzuje się tym, że zamykaniem zaworów zamiast tradycyjnych sprężyn zajmują się w nim krzywki) miało zbudowane w dwóch egzemplarzach coupe SLR.

Taki samochód był używany przez Rudolfa Uhlenhauta jako piorunująco szybki wóz służbowy. Dziś trudno spojrzeć na te auta oczami ówcześnie żyjących ludzi, ale w latach 1955-1963 Mercedes-Benz 300 SLR był najszybszym samochodem na świecie.

Denis Jenkins i sir Stirling MossDenis Jenkins i sir Stirling Moss fot. Mercedes

Bezpośredni wtrysk wrócił w wielkim stylu w latach 90.

Może się wydawać, że tak skuteczny wynalazek powinien zagościć w motoryzacji na stałe, jednak było inaczej. Bezpośredni wtrysk paliwa dla większości producentów, włącznie z Mercedesem, okazał się na etapie rozwoju techniki z lat 60. XX wieku zbyt kłopotliwy do zastosowania w masowej produkcji.

Triumfalny powrót tego rozwiązania nastąpił dopiero w drugiej połowie lat 90. XX wieku, gdy Mitsubishi wprowadziło do sprzedaży skromny model Carisma GDI. Przez pewien czas samochodów z takim systemem zasilania przybywało. Proces spowolnił, dopiero gdy okazało się, że w pewnych sytuacjach bezpośredni wtrysk prowadzi do znacznie zwiększonej emisji trujących cząstek stałych w spalinach.

Z tego też właśnie powodu buduje się dziś silniki, w których jednocześnie stosowane są dwa układy wtrysku benzyny - bezpośredni i pośredni. Systemy przełączają się automatycznie i niezauważalnie dla kierowcy w zależności od warunków pracy silnika. Przykłady takiego rozwiązania znajdziemy na przykład w jednostkach napędowych koncernu Toyota.

Mitsubishi Carisma 1.8 GDIMitsubishi Carisma 1.8 GDI fot. Mitsubishi

Bezpośredni wtrysk paliwa straci sens, gdy rynek zdominują samochody elektryczne

Jest stosowane w różnych modelach tej marki przeznaczonych na rynek amerykański i japoński, które pod maską mają silnik V6 z serii GR (nie należy tego skrótu mylić z Gazoo Racing, zbieżność nazw jest przypadkowa) oraz sześcio- i ośmiocylindrowych widlastych silnikach Lexusa.

Bezpośredni wtrysk paliwa na pewno będzie nadal rozwijany, bo pozwala na najdokładniejsze dawkowanie paliwa do każdego cylindra. Oczywiście tylko tak długo, jak długo rozwój silników będzie miał ekonomiczny sens i dopóki nie zostanie ograniczony regulacjami prawnymi.

Może zakończyć się nagle, bo najprawdopodobniej i prędzej niż później zostaną wprowadzone częściowe, a w końcu całkowite zakazy sprzedaży samochodów z silnikami spalinowymi.

Toyota Crown AthleteToyota Crown Athlete fot. Toyota

Więcej o: