Silniki spalinowe – historia, etapy rozwoju

Okazało się, że silniki zbudowane w oparciu o te same zasady można wytwarzać w niesłychanej liczbie odmian różniących się wielkością, mocą, momentem obrotowym, wytrzymałością na skrajnie trudne warunki, oczekiwanym czasem pracy między przeglądami, rodzajem wykorzystywanego paliwa i wieloma innymi parametrami. Współcześnie wytwarzane są zarówno miniaturowe silniki modelarskie, jak i ważące 2400 ton silniki okrętowe przeznaczone dla największych kontenerowców.

Technologie

Silniki spalinowe przeznaczone dla samochodów osobowych muszą pogodzić kilka sprzeczności. Powinny być lekkie, ale wytrzymałe. Ich rozmiary ogranicza przestrzeń dostępna w komorze silnika, w której trzeba zmieścić nie tylko silnik, ale także inne podzespoły: turbosprężarką, klimatyzację, rozrusznik, alternator itp.

Przyjrzyjmy się masie i wytrzymałości. Gdyby dopuścić dowolnie dużą masę silnika, moglibyśmy używać bardzo wytrzymałej stali, obciążane elementy wykonywać w technologiach dających maksymalną odporność na ścieranie, odkształcenia, działanie wysokich ciśnień i temperatur. Duża masa to większa pojemność cieplna i odporność na pracę w trudnych warunkach termicznych. Z kolei duże rozmiary to możliwość poprowadzenia kanałów dla układu chłodzenia i smarowania w optymalny sposób.

Ograniczenia wymusiły poszukiwanie nowych technologii i materiałów. Zamiast stali – aluminium i jego stopy, tytan i inne metale nieżelazne. Zamiast kucia, obróbki skrawaniem i utwardzania powierzchni – ciśnieniowe, precyzyjne odlewy i wykonywanie powierzchni współpracujących z elementami ruchomymi jako osobnych podzespołów (np. gniazda zaworów w aluminiowym bloku silnika wykonane ze stali o dużej wytrzymałości). Zamiast udziału dużej powierzchni silnika w oddawaniu ciepła – oleje odporne na wysokie temperatury, skomplikowany układ kanałów dla cieczy chłodzącej w bloku silnika oraz wydajne chłodnice z elektrycznymi wentylatorami.

Wydaje się, że oprócz ekologii istnieje jeszcze jedna przyczyna, dla której producenci samochodów rozważają odejście od silników spalinowych: osiągają granice możliwości nie tylko pod względem redukcji emisji zanieczyszczeń, ale także miniaturyzacji podzespołów i poprawy osiągów w ramach ograniczeń, których nie mogą obejść: masy oraz rozmiarów jednostki napędowej. Gęstość upakowania silnika i agregatów pod maską ma swoje nieprzekraczalne granice, także z punktu widzenia obsługi silników, bo przecież od czasu do czasu jakiś mechanik będzie musiał je rozłożyć i naprawić.

Zauważmy, że podobne zmiany nastąpiły w lotnictwie. Kiedy w latach 60. XX wieku okazało się, że silniki tłokowe stają się zbyt ciężkie i zbyt duże, a mimo tego nie potrafią sprostać wymaganiom konstruktorów samolotów, według których miały być coraz większe i szybsze, podjęto jedyną słuszną decyzję – zmieniono zasady gry i sięgnięto po zupełnie inne rozwiązanie. Silniki odrzutowe rozwiązały większość ówczesnych problemów. Co więcej, miały potężny potencjał rozwoju, którego do dzisiaj nie wykorzystano w całości.

Zmiana napędu na elektryczny to nie tylko zmiana nośnika energii z paliw ropopochodnych na akumulatory. To także prostsza konstrukcja i mniejsza masa, wynikająca z usunięcia wielu podzespołów (ze skrzynią biegów włącznie). To wszystko powinno spowodować znaczny wzrost niezawodności i obniżenie kosztów eksploatacji. Inne zalety silników elektrycznych to: możliwość doskonalenia konstrukcji przez wiele dziesięcioleci, dalsza redukcja masy i rozmiarów, zwiększanie mocy i momentu obrotowego, proste dostosowanie osiągów do potrzeb pojazdu przez zmianę parametrów zasilania etc.

W pewnym sensie korzyści są większe niż w przemyśle lotniczym, ponieważ tam sprawdzoną, względnie prostą konstrukcję silnika tłokowego zastąpiono bardziej skomplikowanym i rozwiązaniem. W przypadku samochodów następca jest bardziej wydajny, ale też prostszy od poprzednika. Dla wielu osób „prawdziwa” motoryzacja to silnik spalinowy ze swoim dźwiękiem, zapachem, kaprysami. „Elektryki” są zbyt banalne, ciche, nie mają charakteru, nie stwarzają wyzwań. Być może tak rzeczywiście jest, ale nie ulega wątpliwości, że to właśnie do silników elektrycznych należy przyszłość.

Czy silniki spalinowe znikną zupełnie? To będzie długi proces, bo oprócz samochodów osobowych mamy jeszcze samochody ciężarowe, maszyny rolnicze i budowlane, a także… agregaty prądotwórcze. Są też zapowiedzi nowych, syntetycznych, niemal bezemisyjnych paliw, które pozwoliłyby spełnić wymagania ochrony środowiska i pozostać przynajmniej częściowo przy tradycyjnych konstrukcjach. To wszystko sprawia, że przyszłość zapowiada się ciekawie, możliwe są nieoczekiwane zwroty akcji, a wynik końcowy jest niepewny.

Montaż ręczny albo… prawie ręczny

Kiedy przyjrzymy się ofercie renomowanych producentów samochodów, zauważymy, że egzemplarze najbardziej zaawansowanych i najdroższych pojazdów są montowane ręcznie. Dotyczy to także silników. Powszechnie znanym przykładem jest Mercedes AMG i polityka fabryki określana hasłem „One man, one engine”: każdy silnik jest składany przez jedną osobę, która odpowiada za zgodność z normami, jakość wykonania, dopuszczenie silnika do montażu w pojeździe. Inne wielkie koncerny samochodowe podobnie podchodzą do kwestii montażu. Porsche i Ferrari – to produkcja ręczna, ale na taśmie, gdzie każdy pracownik wykonuje ograniczoną liczbę czynności na wielu silnikach.

Czy rzeczywiście można powiedzieć, że te silniki są produkowane ręcznie? W sensie nadzoru nad procesem zapewne tak, bo to człowiek stojący przy taśmie albo przy wózku przewożącym silnik między stanowiskami (jak w AMG) podejmuje decyzje i nadzoruje proces. Ale z drugiej strony nikt dziś nie wykonuje wszystkich czynności własnymi rękami. Wszyscy producenci wspomagają pracowników automatami i robotami.

Niektóre czynności wymagają tak dużej precyzji, że zlecanie ich pracownikom byłoby bezzasadne. Proces szkolenia takiego specjalisty trwałby zbyt długo, jego wydajność byłaby zbyt mała, a w ostatecznym rozrachunku i tak od czasu do czasu popełniałby on błąd dyskwalifikujący wszystkie wcześniejsze etapy produkcji. Roboty wykonują między innymi takie czynności, jak osadzanie gniazd zaworów, wykonywanie pomiarów geometrii itp. W AMG zautomatyzowane jest także stanowisko testowe, na którym dokonuje się pierwszego uruchomienia silnika i testuje go przed montażem w aucie.

Jaka jest przyszłość? Najprawdopodobniej mało romantyczna, ale bliska idealnej zgodności silnika z planami konstrukcyjnymi. Coraz więcej czynności będą wykonywały roboty przemysłowe; one też zajmą się diagnozowaniem produktu. Jeśli ktoś będzie się podpisywał na obudowie silnika, to będzie to raczej programista lub technolog produkcji niż inżynier ręcznego montażu.

I nie chodzi tu tylko o wydajność produkcji. Ferrari sprzedaje około 8400 samochodów rocznie. Zakładając, że fabryka pracowałaby na okrągło, daje to ok. 23 silników dziennie. Można sobie wyobrazić taką produkcję wykonywaną w całości ręcznie. Tylko czy jakość tych silników byłaby równie wysoka jak dzisiaj, przy częściowym wykorzystaniu automatów? Prawdopodobnie nie. A nawet gdyby udało się ją utrzymać, koszty byłyby ogromne.

Po kilkudziesięciu latach automatyzacji produkcji wciąż powtarzamy kalkę z pierwszej połowy XX wieku, kiedy ręczna, jednostkowa praca była przeciwstawiana pracy na akord przy linii produkcyjnej. W pierwszym przypadku liczył się kunszt, w drugim wydajność. Zbliżamy się do połowy XXI wieku i dzisiaj okazuje się, że roboty pokonały nas nie tylko w wydajności, ale i jakości oraz powtarzalności wykonywanych detali. Obecność człowieka jeszcze jest potrzebna, ale już nie decyduje o jakości produktu. Za chwilę okaże się, że to kwestia bardziej sentymentu niż rzeczywistej potrzeby.

Droga do historii

Wraz z zakończeniem produkcji samochodów napędzanych silnikami spalinowymi skończy się epoka nie tylko motoryzacji, ale też techniki i inżynierii. Relatywnie prosta konstrukcja silników elektrycznych jest ich niewątpliwą zaletą i pozwala mieć nadzieję na długą, bezawaryjną pracę, gdyż im mniej podzespołów, tym mniejsze prawdopodobieństwo awarii.

Skomplikowane silniki spalinowe – zwłaszcza najwyższej klasy, wyposażone w liczne agregaty i o wyśrubowanych osiągach – są produkowane, składane i regulowane przez specjalistów posiadających unikalną wiedzę i doświadczenie: począwszy od technik odlewniczych, przez obróbkę skrawaniem, spawanie aluminium i „trudnych” stopów, po projektowanie układów smarowania, chłodzenia, wtrysku paliwa. To elementy kultury technicznej, którą wytworzyła nasza cywilizacja. Pozostaje mieć nadzieję, że przetrwają one przynajmniej w jakiejś części także poza muzeum.

Takie pożegnania z technologiami przeżywaliśmy już wielokrotnie. Wystarczy wspomnieć trakcję parową na kolei. Wraz z parowozami odeszła część wiedzy i umiejętności związanych z łączeniem elementów pracujących pod wysokim ciśnieniem przy pomocy nitów, z wytwarzaniem pary wodnej o wysokim i stabilnym ciśnieniu czy eksploatacją taboru. Wiele egzemplarzy pojazdów i maszyn służących do ich wytwarzania zezłomowano, co spowodowało nieodwracalne straty.

Postarajmy się, aby ta historia się nie powtórzyła. Zabezpieczajmy co ciekawsze artefakty: nawet śmiertelnie uszkodzone silniki o ciekawej konstrukcji, stanowiska do kontroli i regulacji pomp wtryskowych starego typu, przyrządy pomiarowe. Jeśli wylądują one na złomie, stracimy wiedzę i świadectwa bardzo ważnego etapu rozwoju techniki.

Więcej artykułów na: https://elit-news.pl/
Piotr Kołaczek