Historie spalovacích motorů

Benzínové spalovací motory se začaly v automobilech používat někdy kolem roku 1886 a byť byl princip dieselového motoru objeven už v roce 1893, do nákladního automobilu se dostal až v roce 1924 a do osobního automobilu až v roce 1936.

Podíváme-li se do historie, pak funkční princip čtyřtaktního spalovacího motoru sahá až do roku 1854 k italským vynálezcům Eugeniu Barsantimu a Felicemu Matteuccimu, kteří si tento funkční princip nechali v roce 1854 v Londýně patentovat. A nebyli jediní. Nezávisle na sobě získali patenty pro čtyřtaktní motor v roce 1860 Christian Reithmann a v roce 1862 Alphonse Beau de Rochas.

Jen pro zajímavost: Čtyřtaktní spalovací motor italských vynálezců Eugenia Barsantiho a Felice Matteucciho fungoval na principu spalování zápalné směsi vodíku a atmosférického vzduchu.

Na vývoji čtyřtaktního spalovacího motoru pracoval také Nicolaus Otto, který vycházel z dvoutaktního plynového motoru francouzského vynálezce Étienne Lenoira a v září roku 1862 již měl vyvinutý svůj první plynový jednoválcový čtyřtaktní motor a v roce 1864 založil v Kolíně nad Rýnem společně s investorem Eugenem Langenem první továrnu na motory na světě N. A. Otto & Cie.

Nově vzniklá firma N. A. Otto & Cie představila v roce 1867 na světové výstavě v Paříži novou verzi čtyřtaktního motoru, která měla oproti původní verzi třetinovou spotřebu plynu. V roce 1869 se firma přesunuje do kolínské čtvrti Deutz a v roce 1872 se přeměnila na akciovou společnost Gasmotoren-Fabrik Deutz AG. V témže roce, tj. v roce 1872 se v této firmě stává hlavním konstruktérem Gottlieb Daimler, pod jehož vedením se vyrábí další dokonalejší typ Ottova čtyřdobého plynového motoru se zvýšenou kompresí. To už Gottlieb Daimler vyvíjel motory společně s Wilhelmem Maybachem, kterého si v roce 1873 přivádí do firmy jako svého asistenta.

Ještě než se posuneme dál, je potřeba připomenout, že se jednalo o výrobu velkých stacionárních motorů poháněných stlačeným svítiplynem, kde se směs zapalovala plamenem. Aby bylo možné čtyřtaktní spalovací motor použít ve vozidlech způsobem jaký známe dnes, bylo ještě zapotřebí projít dalším vývojem. Pro začátek si zatím stačí pamatovat tato tři jména: Nikolaus Otto, Gottlieb Daimler a Wilhelm Maybach. Brzy k nim přibydou další.

Teď je tedy ještě potřeba vymyslet, jak místo stlačeného plynu použít jiné palivo, které nebude potřeba stlačovat. Toho se docílilo tak, že se jako nestlačené palivo použil kerosin, který se nechal buď odpařit, nebo se jemně rozptýlené kapičky paliva smísily se vzduchem. Tento proces, použitý k tvorbě zápalné směsi se nazývá karburace.

Co se týče karburátoru, opět začínáme v Itálii. Za praotce karburátoru je považován milánský inženýr Luigi de Cristoforis, který vycházel z výsledků práce italských vynálezců Eugenia Barsantiho a Felice Matteucciho při vývoji jejich prvního čtyřtaktního spalovacího motoru z roku 1854. Tento původní karburátor, který mohl být s největší pravděpodobností sestrojen někde kolem roku 1877 využíval směs kerosinu a vzduchu.

Jednoduchý karburátor, sestrojený už pro čistě benzínový motor přišel až 5. 8. 1882 a sestrojil ho opět Ital, profesor padovské univerzity Enrico Bernardi. Karburátor použil u svého jednoválcového benzínového motoru o zdvihovém objemu 121,6 ccm.

Téhož roku, tj. roku 1882 Gottlieb Daimler s Wilhelmem Maybachem odchází z firmy Gasmotoren-Fabrik Deutz AG a společně v malé dílně v Canstattu u Stuttgartu vyvinuli lehký rychloběžný motor s 800 ot. / min s nově zkonstruovaným hladinovým karburátorem, který se již dal využít k pohonu vozidel. Ale pořád ještě něco málo chybělo, aby mohl být motor mobilní. Ano, chybělo už jen elektrické zapalování.

Vrátíme se tedy ještě na chvíli zpět k Nikolausi Ottovi, který dál vyvíjel a zdokonaloval své stacionární plynové motory a učinil velké pokroky směrem k jejich budoucímu možnému využití v automobilech. V roce 1884 zavedl nízkonapěťové magnetové zapalování pomocí elektrické jiskry. A právě tato zásadní inovace otevřela čtyřtaktnímu spalovacímu motoru cestu k mobilitě.

Na základě tohoto Ottova patentu začal na návrhu čtyřtaktního spalovacího motoru pracovat Karl Benz, a dal si za cíl vyrobit prakticky využitelný automobil s elektrickým zapalováním, diferenciálem a vodním chlazením.

Zhruba ve stejné době, jako Karl Benz pracovali na vývoji motokola také Gottlieb Daimler a Wilhelm Maybach. A už tu máme čtyři protagonisty. První, Nikolaus Otto, který svým nízkonapěťovým magnetovým zapalováním položil základy pro mobilní využití čtyřtaktních spalovacích motorů, a zbylí tři, Gottlieb Daimler, Wilhelm Maybach a Karl Benz, se na základě Ottových patentů podíleli jak na vývoji benzínového čtyřtaktního spalovacího motoru, tak na zdokonalování elektrického zapalování a vylepšeném systému karburace.

Celé to vedlo k tomu, že v roce 1885 postavili Gottlieb Daimler a Wilhelm Maybach první benzínový motocykl, a Karl Benz svůj první tříkolový automobil. Následující rok 29. ledna 1886 byl Benzův tříkolový automobil patentován a v červenci roku 1886 se pod značkou Benz Velo tento benzínový tříkolový automobil začal prodávat.

A opět téměř současně, v létě roku 1886 zabudoval Gottlieb Daimler benzínový motor do samohybného kočáru a dal tak vzniknout prvnímu čtyřkolovému automobilu na světě. S jistotou se dá říct, že tito tři pánové, Gottlieb Daimler, Wilhelm Maybach a Karl Benz stáli u zrodu automobilové historie psanou čtyřtaktními benzínovými spalovacími motory, která oficiálně začala v roce 1886.

Dieselový motor to měl ještě o něco složitější. Jak už název napovídá, o jeho existenci se zasloužil Rudolf Diesel (18. 3. 1858 – 29. 9. 1913). Úplně první Dieselův nápad na sestrojení ideálního tepelného motoru podle Carnotova procesu byl patentován 27. 2. 1892 patent. DE67207C pod názvem „Pracovní metoda a konstrukce pro spalovací motory“. Po sladění Carnotova procesu s procesem konstantního tlaku, což už byl ve své podstatě princip dieselového motoru, byl Rudolfovi Dieselovi udělen 29. 11. 1893 druhý patent DE82168C.

Podobný princip byl patentován už roku 1890 v Anglii Herbertem Akroydem Stuartem, který tento princip využil k vývoji motoru Hornsby – Akroyd poháněného olejem. Tento motor byl však pomalý s omezeným výkonem a nedokázal se dlouhodobě prosadit proti rychlejšímu a výkonnějšímu dieselovému motoru. Výroba tohoto motoru byla proto v roce 1922 ukončena.

Ale zpět k Rudolfu Dieselovi. Ten pro své pokusy se samovznícením paliva nejprve použil petrolej, který se nedokázal vznítit vůbec. Začal tedy s tím, co už ve spalovacích motorech fungovalo, a to s benzínem. Benzín se sice dokázal vznítit, ale benzínová směs se v tlakovém potrubí nemohla příliš ohřát, aby se ve vstřikovacím potrubí nespálila a aby se vůbec vznítila, bylo zapotřebí mimořádně bohaté směsi. Pro vytváření potřebného vysokého vstřikovacího tlaku byl použitý kompresor, tzv. vstřikovací stroj.

V roce 1893 dává Heinrich von Butz, Rudolfovi Dieselovi možnost vyvíjet dieselový motor v továrně na stroje v Augsburgu, kde byl generálním ředitelem. Což se s finanční spoluúčastí firmy Friedrich Krupp děje a 10. 8. 1893 došlo k prvnímu vznícení lehkého oleje v motoru a 17. 2. 1894 se dieselový motor poprvé rozběhl vlastní silou.

Pak nastala více než tříletá práce na vývoji a přípravě pro sériovou výrobu. V roce 1897 byl připraven první funkční prototyp dieselového motoru, který už tehdy běžel s účinností 26,2 %.

A pak už to šlo ráz na ráz. 1. 1. 1898 byla založena továrna na dieselové motory v Augsburgu, 17. 9. 1898 byla založena Obecná společnost pro dieselové motory a ve stejném roce vyrobila společnost Diesel Motor Company of America první dieselové motory ve Spojených státech a společnost Sulzer první dieselový motor ve Švýcarsku.

Jen pro zajímavost: Původní továrna, kde Rudolf Diesel dotahoval do konce vývoj dieselového motoru byla Maschinenfabrik Augsburg, která se v roce 1898 spojila s Maschinenbau – Actiengesselschaft Nürnberg do podniku s názvem Maschinenfabrik Augsburg – Nürnberg AG, a nakonec v roce 1908 pod název MAN.

Dieselův motor, jak již bylo napsáno výše, je založen na myšlence Carnotova procesu, přizpůsobenému procesu konstantního tlaku. Zjednodušeně řečeno, dieselový motor s velkou účinností využívá základní procesy termodynamiky a rovnotlakého spalování pro přeměnu tepla na práci. A to se projevuje zejména v jeho nízké spotřebě paliva, vyšší účinnosti a velmi dobrém poměru cena / výkon.

Jelikož dieselův motor v prvních fázích většinou nahrazoval parní stroje v lodní dopravě, a k jeho provozu se nepoužívala motorová nafta, jak jí známe dnes, ale ropné oleje, nebyl původně do sériové výroby pro osobní automobily koncipován. Dieselový motor spalující naftu s přímým vstřikem paliva, byl v silniční dopravě použit v nákladních vozech firmy MANaž v roce 1924. Tento motor dokázal ušetřit oproti tehdy běžným benzínovým motorům až 75 % provozních nákladů. Tímto nákladním vozem byl položen základ vítězného tažení dieselových motorů světem nákladních automobilů. V roce 1927 je dieselův motor zdokonalen o vysokotlaké vstřikovací čerpadlo firmy Robert Bosch. Do segmentu osobní automobilové dopravy se dieselový motor dostal až v roce 1936 prostřednictvím automobilů Mercedes – Benz 260 Da Hanomag Rekord 15 K. Turbodmychadlo, dnes již zcela běžná součást dieselového a většiny nových benzínových motorů, se u dieselového motoru poprvé objevilo v roce 1951 a byla to opět firma MAN, která jej ve svých dieselových motorech jako první použila.

Do Čech se automobil se spalovacím motorem dostal v roce 1893, prostřednictvím libereckého textilního podnikatele Theodora Liebiga, který se v roce 1893 stal vlastníkem Benzova automobilu Victoria a stal se tak prvním automobilistou v Čechách. Baron Liebig se také v roce 1897 značnou měrou zasloužil o uskutečnění stavby prvního továrně vyráběného sériového automobilu na území Rakousko-Uherska, legendárního NW Präsident. Stalo se tak především díky jeho automobilovému nadšení a přátelství s Karlem Benzem. Karl Benz svolil, že do Kopřivnice dodá jeden ze svých dvouválcových motorů pro vůz Präsident.

Zážehový benzínový motor vychází z původní koncepce plynových motorů na svítiplyn, proto je po jednoduchých úpravách zážehový benzínový motor možné provozovat i na plyn. Plynový pohon benzínových motorů není žádnou novinkou a už v předválečném období, mezi lety 1920–1940 byl pohon na svítiplyn celkem běžnou alternativou. V poválečných letech, zejména ve druhé polovině 20 století byl svítiplyn nahrazen zemním plynem, který se už pro provoz automobilů využíval jen ve velmi malé míře a celý automobilový průmysl ve velkém přešel na benzín a naftu.

Spalovací motory prošly během druhé poloviny 20 století velmi sofistikovanou modernizací, která se zaměřovala nejen na spotřebu paliva a snížení emisí, ale i na to, jakým způsobem spalovací motor zefektivnit.

Nástup turbodmychadla u dieselových motorů přišel v roce 1951, první katalyzátory, používané k „čištění“ výfukových plynů byly použité v roce 1975 v USA firmou Cadillac, účinnější verze katalyzátoru vznikla v roce 1979 a rok na to, v roce 1980 spatřil světlo světa třícestný katalyzátor.

V roce 1992 se u benzínových motorů přestal používat systém karburace a přešlo se na nepřímé vstřikování paliva a začaly platit emisní normy EURO, konkrétně v roce 1992 jejich první varianta Euro I a začaly se řešit emise CO, Nox, HC+Nox, HC. Další emisní normy následovaly, viz přehled

Euro I rok 1992
Euro II rok 1996
Euro III rok 2000
Euro IV rok 2005
Euro V rok 2009
Euro VI rok 2014

Zhruba od roku 1996, kdy vešla v platnost emisní norma Euro II, se začaly v sériově vyráběných osobních vozech objevovat první systémy přímého vstřikování benzínu, podobně jako tomu je u motorů dieselových, jen s rozdílem, že k zažehnutí palivové směsi je potřeba elektrická jiskra. Důvod je jasný. Benzínový motor se svou koncepcí zpracování paliva neustále přibližoval motorům dieselovým, aby bylo dosaženo podobné účinnosti přeměny tepla na práci, jako u motorů dieselových, ale s použitím benzínu, jakožto čistšího paliva.

Od roku 2005, kdy vešla v platnost emisní norma Euro IV se pro plnění této normy začala u dieselových motorů používat technologie EGR pro recyklaci výfukových plynů a filtr pevných částic DPF. U zážehových benzínových motorů s přímým vstřikem paliva přibyl kromě třícestného katalyzátoru ještě katalyzátor absorpční pro neutralizaci NOx. Filtr pevných částic DPF je od roku 2018 povinný i u vozidel se zážehovými benzínovými motory s přímým vstřikem paliva. To proto, že přímý vstřik paliva, který přibližuje zpracování palivové směsi benzínového motoru dieselovému s sebou přináší více pevných částic, stejně jako u motoru dieselového.

V roce 2009, kdy vešla v platnost emisní norma Euro V přišla u dieselových motorů na řadu selektivní katalytická redukce SCR, kdy se obsah látek NOx redukuje vstřikováním vodního roztoku syntetické močoviny AD Blue a u benzínových motorů se začínají ve větší míře objevovat turbodmychadla.

Pro plnění další, zatím poslední emisní normy Euro VI, která začala platit od roku 2014 se oba systémy EGR a SCR kombinují.

Spalovací motory prošly na konci 20 a v první dekádě 21 století vývojem, který je posunul na samotnou hranici možné účinnosti. Zejména benzínové motory se systémem přímého vstřiku paliva svou účinnost velmi zvýšily a přiblížily se tak motorům dieselovým. Nicméně dieselovému motoru se svou účinností a s tím související spotřebou paliva, benzínový motor nikdy nevyrovná, protože u benzínového motoru probíhá jiný spalovací proces, než u motoru dieselového. Tady je s největší pravděpodobností cesta efektivity u konce. Další vývoj spalovacích motorů už směřuje jen k co nejmenšímu objemu emisí ve výfukových plynech. Ale o tom až příště.