Zarys historyczny rozwoju silników spalinowych

 

Pierwsze silniki spalinowe pojawiły się pod koniec XIX wieku. Były to głównie silniki stacyjonarne niewielkiej mocy. Ze względu na większą sprawność dość szybko wypierają one w wielu dziedzinach silniki parowe. W krótkim czasie silniki spalinowe stają się niezastąpione jako źródło napędu wszelkiego rodzaju pojazdów mechanicznych i samolotów.

Pierwsze silniki spalinowe tłokowe wzorowane były na silnikach parowych. W silnikach tych do cylindra doprowadzane były z wytwornicy gorące spaliny, które rozprężając się wykonywały pracę. Z czasem budowę silników spalinowych udoskonalono uniezależniając je od oddzielnej wytwornicy czynnika termodynamicznego.

Pierwszym użytecznym silnikiem spalinowym, jaki zastosowano w przemyśle, był silnik napędzany mieszaniną gazowo-powietrzną, skonstruowany przez francuskiego mechanika E. Lenoira w 1870 r. Silnik ten niewiele różnił się od silnika parowego; miał małą sprawność i wiele innych wad.

Pierwszy zadowalająco na ówczesne czasy pracujący silnik spalinowy, zasilany gazem świetlnym, zbudował w 1876 r. Niemiec Mikołaj Otto (patent z 1866 r.). Otto zrealizował w swoim silniku obieg cieplny ze spalaniem przy stałej objętości, podany przez francuskiego inżyniera Beau de Rochas jeszcze w 1861 r. Silnik Otto stanowił pierwowzór dzisiejszego czterosuwowego silnika spalinowego z zapłonem iskrowym.

W 1879 r. pojawiają się pierwsze silniki benzynowe. W 1883 r. W niemczech Gotlieb Daimler buduje silnik benzynowy o niespotykanej dotychczas prędkości obrotowej, wynoszącej 15 s-1 (900 obr/min). W 1886 r. Gotlieb Daimler oraz Karol Benz prawie jednocześnie demonstrują pojazdy napędzane silnikami spalinowymi. Konkurencyjność poczynań tych producentów zdynamizowała rozwój konstrukcji silników .spalinowych z zapłonem iskrowym, przyspieszając tym samym rozwój motoryzacji.

Rezultat prac nad zwiększeniem równomierności pracy silników spalinowych stanowi silnik dwusuwowy. Pierwszy silnik dwusuwowy skonstruował Anglik Clark ok. 1880 r. Do niedawna silniki dwusuwowe z zapłonem iskrowym były szeroko stosowane w motocyklach i samochodach. Obecnie w samochodach są stosowane bardzo rzadko. W Polsce bardzo znanym samochodem posiadającym silnik dwusuwowy była "Syrena" (samochód osobowy).

Dążąc do zwiększenia mocy silników spalinowych zaczęto między innymi stosować ich doładowanie. Pierwszy patent dotyczący doładowana silnika spalinowego został zgłoszony przez Francuza, Paula Daniel, w 1897 r. Jednak pierwsze tego rodzaju silniki zastosowano w lotnictwie dopiero w czasie I wojny światowej. Obecnie doładowanie stosuje się we wszystkich niemal tłokowych silnikach lotniczych oraz coraz powszechniej w silnikach trakcyjnych z zapłonem samoczynnym.

Nowy kierunek w budowie silniw spalinowych zapoczątkował Niemiec, Rudolf Diesel, który w 1893 r. opatentował, a w 1897 r. zbudował pierwszy zdolny do pracy silnik z zapłonem samoczynnym. Silniki te, zwane potocznie silnikami wysokoprężnymi albo silnikami Diesla, rozpowszechniły się bardzo szybko.

Klasyczne silniki Diesla nie miały zapłonowej instalacji elektrycznej. Czyste powietrze wypełniające cylinder sprężane było do takiego cnienia, że uzyskana w końcu suwu sprężania wysoka temperatura powodowała samozapłon wtryskiwanego paliwa. Nieodłączną częścią pierwszych silników Diesla była sprężarka dostarczająca  sprężone powietrze do 6 MPa niezbędne do uzyskania wtrysku paliwa.

Główną wadę silnika Diesla stanowił duży ciężar. Nie zniechęciło to jednak konstruktorów, którzy powoli, lecz systematycznie pracowali nad ulepianiem jego budowy. Przemawiały za tym względy ekonomiczne. W porównaniu z silnikiem z zapłonem iskrowym, silnik Diesla wykazywał mniejsze jednostkowe zużycie paliwa.

Dopiero wynalezienie przez Jamesa Mc Kennie na początku XX wieku wysokociśnieniowej pompy paliwowej i zastosowanie hydraulicznego wtrysku paliwa zapoczątkowało szybki rozwój bezsprężarkowych, a więc ejszych, silników z zapłonem samoczynnym. Znalazły one zastosowanie w napędzie samochodów ciężarowych і ciągnikach.

Opracowane przez Otto i Diesla zasady działania tłokowych silników spalinowych z zapłonem iskrowym i samoczynnym do chwili obecnej nie uległy zmianie. Natomiast dzięki stałemu doskonaleniu konstrukcji znacznie zmieniły się ich parametry pracy.

Nową erę w dziedzinie silników spalinowych zapoczątkował Feliks Wankel, który na zjeździe inżynierów niemieckich w 1960 r zaprezentował skonstruowany przez siebie silnik spalinowy o tłoku obrotowym. Pomimo dość dużych początkowo trudności natury technologicznej silniki te osiągnęły obecnie dość wysoki stopień rozwoju. Niektóre wytwórnie, np. NSU, Koyo Togyo, Fichtel-Sachs, Curtiss Wright, Daimler-Benz i inne, rozpoczęły nawet seryjną ich produkcję. Silniki Wankla znalazły zastosowanie głównie w samochodach osobowych і ciężarowych.

Silniki spalinowe tłokowe mają szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach gospodarki narodowej. Najszersze zastosowanie znalazły one w napędzie pojazdów samochodowych, lokomotyw spalinowych, statków, łodzi motorowych oraz samolotów. Tłokowe silniki spalinowe są również powszechnie stosowane w budownictwie (dźwigi, maszyny robocze i zestawy prądotwórcze) oraz w rolnictwie (ciągniki rolnicze, kombajny oraz silniki małej mocy do napędu różnych urządzeń i maszyn).

O szerokim zastosowaniu silników spalinowych zadecydowały ich zalety, z których jako pierwszą należy wymienić najwyższą wśród silników cieplnych sprawność. Zwarta budowa umożliwia dostosowanie ich do napędu różnych urządzeń. Dużymi zaletami silników spalinowych są ponadto łatwość uruchamiania, natychmiastowa gotowość do pracy, prosta obsługa oraz niezależność od obcych źródeł energii.

Szybkiemu rozwojowi motoryzacji towarzyszy poważne zanieczyszczenie atmosfery, dlatego za główny cel prac rozwojowo-badawczych w dziedzinie silników spalinowych przyjęto obecnie zmniejszenie toksyczności gazów wylotowych.

Rys historyczny rozwoju silników spalinowych byłby niepełny, gdyby nie wspomniano o udziale w nim Polaków.

Już pod koniec XIX wieku na terenie dawnego Królestwa Polskiego silnıki spalinowe produkowały dwa zakłady — PERKUN i Ursus. W okresie tym do rozwoju konstrukcji silników spalinowych przyczynili się kierownicy biur technicznych wymienionych zakładów — późniejsi znani profesorowie — Jan Kunstetter i Karol Taylor.

Pierwsze próby stworzenia własnej produkcji silników samochodowych przypadają na okres międzywojenny. Centralne Warsztaty Samochodowe (CWS), a następnie Państwowe Zakłady Inżynierii (PZinż.) opracowały wiele własnych konstrukcji, z których kilka doczekało się realizacji. Na szczególną uwagę zasługują samochody osobowe CWS-T1 oraz CWS-T2 konstrukcji inż. Tadeusza Tańskiego. Pierwszym pojazdem jednośladowym polskiej konstrukcji był motocykl M-111 z silnikiem dwucylindrowym o układzie widlastym i pojemności 1000 cm3. Motocykl ten otrzymał później nazwę Sokół 1000. Następnymi motocyklami były: Sokół 600, z silnikiem jednocylindrowym o pojemności 600 cm3, oraz Sokół 200 z silnikiem jednocylindrowym dwusuwowym o pojemności 200 cm3.

Oprócz samochodów własnej konstrukcji PZInż. produkowały licencyjne samochody: osobowy Polski Fiat model 508 oraz ciężarowy Polski Fiat model 621L. Samochód osobowy Polski Fiat 508 miał silnik czterocylindrowy dolnozaworowy, samochód zaś ciężarowy Polski Fiat 621L był wyposażony w sześciocylindrowy silnik dolnozaworowy model 121. Silnik ten służy ponadto do napędu autobusu „Zawrat” zbudowanego na podwoziu wspomnianego samochodu ciężarowego ( model 621R).

      Zniszczenia wojenne sprawiały, że w Polsce Ludowej przemysł motoryzacyjny musiano organizować właśnie od podstaw. Już 1948 roku rozpoczęto produkcję przemysłowych silników spalinowych S-60 oraz silników do samochodów Star 20. W miarę upływu lat powstało w Polsce kilka nowych zakładów produkujących silniki spalinowe. W latach 30 opracowano wiele polskich oryginalnych konstrukcji silników. Jako przykład takich konstrukcji można wymienić silnik okrętowy D55, silniki kolejowe CD19 i C22 oraz silniki samochodowe i ciężarowe S-359, S-560, S-312, S-15 i inne. Ponadto placówki naukowo-badawcze stale prowadzą prace mające na celu poprawę parametrów pracy produkowanych aktualnie silników spalinowych.