Vznětové motory – Diesel pod kapotou

Vznětový motor byl vynalezen a uveden v sériovou výrobu na konci devatenáctého století. Jeho vynálezce Rudolf Diesel vždy důrazně trval na tom, aby se vznětová varianta spalovacího motoru jmenovala po něm. Od roku 1893 je tedy na světě motor s vnitřním spalováním zvaný diesel.

Nový motor se téměř okamžitě stal konkurencí parním strojům a také je začal záhy nahrazovat. Samotné Augsburské strojírny, které stály přímo u jeho zrodu a Dieselovu práci přímo finančně dotovaly, se velmi rychle přeorientovaly na jeho výrobu. Téměř skončily s parními stroji a během let 1907 až 1909 vyrobily více než 1000 kusů stacionárních Dieselů s maximálním výkonem od 15 kW/20 k do 74 kW/100 k. V prvním období využití vznětových motorů se díky jejich mohutnosti nedalo vůbec hovořit o možnosti pohonu dopravních prostředků. Poprvé se dieselův motor objevil jako pohonná jednotka v lodní dopravě až v roce 1903. Na začátku dvacátého století dodávaly vznětové tzv. dieselovy motory určené pro pohon lodí i další společnosti. Šlo především o Benz & Cie a Daimler-Motoren-Gesellschaft (D.M.G.).

Motory pro lodě a ponorky

Společnost Benz dodala svoje první dva čtyřdobé vznětové lodní motory v roce 1910. O rok později představila dvoudobý dieselův motor pro použití v námořní dopravě. Motor „Patent Hesselman" vycházel ze švédské pohonné jednotky, kterou vyvinuli a vyrobili ve společnosti Aktienbolaget Diesels Motoren ve Stockholmu v roce 1907. Jednou z lodí, která byla Benzovým dvoutaktním dieselem poháněna, se stala veleslavná Fram. Výzkumná a expediční loď postavená v roce 1892 pro potřeby norského polárního badatele Fridtjofa Nansena. Fram sloužila na moři v letech 1893 až 1912. Poslední dvě léta (1910–1912) jako vědecká a expediční základna další z polárních legend Roalda Amundsena na jeho cestě k Jižnímu pólu, v té době byla osazena dieselovým motorem Benz o výkonu 132 kW/180 k, který nahradil původní sdružený parní stroj o maximálním výkonu 164 kW/220 k. V září roku 1911 obdržela společnost Daimler-Motoren-Gesellschaft zakázku na výrobu a dodání deseti lodních čtyřdobých vznětových motorů se vzduchovým vstřikováním paliva a s maximálním výkonem 74 KW/100 k. Motory RM 20 274 byly vyrobeny v D.M.G. v Berlíně Marienfelden. Prvních pět kusů bylo z fabriky Daimler vydodáno v roce 1912. Obě dvě společnosti, které se později sloučily (1926), aby vytvořily jeden z nejúspěšnějších podniků automobilové výroby všech dob, dodávaly během první světové války vznětové motory také jako pohonné jednotky ponorek. V lednu 1916 vyhrála společnost D.M.G. Marienfelde kontrakt na dvanáct šestiválcových vznětových motorů pro ponorkové loďstvo. Prvních sedm motorů MU 256 s maximálním výkonem 221 kW/300 k bylo vyrobeno a dodáno zákazníkovi ještě ve stejném roce. V té samé době pracovali konstruktéři společnosti Benz & Cie  na výkonných vznětových ponorkových motorech S 6 Ln o maximálním výkonu 331 kW/450 k. Sedm takových motorů vyrobili a prodali v letech 1915 až 1916.

Krok k automobilu

Až do roku 1920 nebyl po pravdě řečeno dieselův motor připraven ke vstupu na jinou scénu něž nanejvýš lodní dopravy. Přesto, že bylo učiněno několik pokusů o jeho zmenšení a zefektivnění chodu, prozatím nepřekonatelnou překážkou byl systém vstřikování paliva, který pracoval s tlakovým vzduchem jako s jeho nosičem. Tím, kdo zapracoval na konstrukci vznětového motoru, a především vstřikovacího systému, směrem k jeho využití v automobilovém průmyslu byl Prosper L'Orange, od roku 1908 vývojový pracovník společnosti Benz & Cie. V Mannheimu vyvinul kompaktní, vysoko obrátkový, vznětový motor vhodný jako pohonná jednotka automobilu. Postupně se podepsal pod taková konstrukční řešení, jako je palivový systém s předkomůrkou, čípková vstřikovací tryska, trychtýřová předkomůrka nebo variabilní vstřikovací čerpadlo. To byly doslovné milníky vznětového motoru na jeho cestě pod kapotu automobilu.

Z Orientu do Německa

Prosper L’Orange se narodil prvního února 1876 v Beirutu patřícím tehdy ještě do Osmanské říše. Po roce 1890 však již vyrůstal v Německu. Od mládí se zajímal o motory s vnitřním spalováním a o techniku vůbec, bylo tedy pouze logickým krokem jeho přijetí na technickou univerzitu v Berlíně Charlottenburgu. Univerzitu absolvoval s vyznamenáním a stal se asistentem Emila Josse v univerzitní technologické laboratoři. Později L’Orange odešel do Gasmotorenfabrik Deutz (Továrna na plynové motory), kde se stal v roce 1906 vedoucím testovacího oddělení. Pracoval zde především na variantách vznětových motorů bez kompresorů pro vstřikování paliva unášeného vzduchem. Plánoval využít tento princip motorů pro konstrukci malé a kompaktní pohonné jednotky s výkonem okolo 25 kW/35 k, která by byla vhodná pro pohon automobilu. V tomto období došel Prosper L'Orange k závěru, že vznětový motor musí nejprve překonat nedostatky ve vstřikování paliva. Přemýšlel nad zařízením, které by bylo schopné lépe řídit atomizaci paliva a tím celý spalovací proces. Na podobných projektech pracovalo v té době samozřejmě nezávisle na sobě více konstruktérů. Avšak pouze Prosper L’Orange dotáhl svoji vizi vstřikovacího čerpadla až do úspěšného konce. Velmi přesně pracující zařízení bylo schopno dopravovat palivo do spalovacího prostoru pod tlakem 50 Atm. Vzápětí se zaměřil na optimalizaci tvaru spalovacího prostoru, v němž se mělo aerosolované palivo lépe promísit s tlakovým vzduchem. V roce 1908 dosáhl L’Orange patentování zařízení zvaného vírová komůrka, pracujícího s prostorem před pístem, v němž se vzduch a palivo lépe promíchalo. Sférická komůrka byla umístěna naproti spalovací komoře a sací a výfukový ventil byly umístěny mezi nimi. Po vstřiku paliva byla jeho malá část vznícena a docílila tak lepšího promíchání zbylé části paliva s tlakovým vzduchem. V porovnání s původním konstrukčním řešením bylo vstřikovací čerpadlo doplněné o vírovou komůrku podstatně kompaktnějších rozměrů. Přesto však motory Deutz vycházely stále příliš těžké, než aby se hodily pod kapotu automobilu.

Úspěch značky Benz

V roce 1908 odešel L'Orange do Mannhei-mu k Benz & Cie na místo vedoucího testování motorů. Jeho nejbližším cílem bylo upravit vznětový motor tak, jak na něm začal pracovat již u Deutzu. S vírovou komůrkou pokročil hodně kupředu, teď byl čas na úpravu dna pístu. Pro tyto účely si nechal postavit vznětový motor, u nějž bylo možno použít několik různých hlav. Zkoušel také variantu semisférické komůrky umístěné mezi vstřikovací trysku a cylindrickou spalovací komoru. V tomto prostoru se část vstříknutého paliva vznítila od extrémně horké stěny předkomůrky a vytvořila výbuchem vysoký tlak v předkomůrce. Díky němu došlo k turbulentnímu rozproudění zbytku paliva a plnícího vzduchu a hoření za vyšších teplot. To byla jedna z forem zvýšení otáček motoru za stávajícího systému vstřikování paliva. Od prvního okamžiku na testovací stolici vykazoval vznětový motor vybavený systémem vstřikování do předkomůrky výborné výsledky. Pořád byl však příliš těžký. Ovšem Prosper L'Orange věděl, že je na dobré cestě ke splnění svého úkolu. Začátkem března, 14., roku 1909 poslal k posouzení návrh patentu vznětového motoru se systémem vstřikování paliva s předkomůrkou (DRP 230 517). Prosper L'Orange byl odměněn také ve společnosti, pro kterou teď pracoval – stal se od roku 1910 autorizovaným vedoucím konstrukce stacionárních motorů. Prosper L’Orange se postaral o největší pokrok konstrukce vznětového motoru na cestě k jeho využití v automobilovém průmyslu. A i když první světová válka jeho práci na čas přerušila, v dobách míru se opět vrátil ke svému životnímu úkolu. Po skončení válečného požáru se L'Orange vrhl opět do díla. K jeho konstruktérské cti slouží fakt, že nerozvíjel jednostranně jen své myšlenky, ale neváhal se poučit u jiných. V další práci tak vyšel nejen ze svých výsledků, ale rozvinul též konstrukci semisférické komůrky konstrukce švédského bezkompresorového komorového vznětového motoru Ellwe, stavěného u nás Škodovými závody.

Švédská inspirace

Motor pracoval se skříňovým vyplachováním, s vysokou kompresí na 28 až 35 atm. Palivo bylo vstřikováno do komůrky odlité ve víku válce a dobře chlazené vodou, do ní byl vsazen košíček zhotovený z ohnivzdorné oceli. Košíček byl opatřen v horní části otvory ústícími do komůrky a na dně kanály vedoucími do válce. Při chodu je košíček rozžhaven, takže palivo, vstříknuté jehlovým automatickým ventilem tlakem 80 atm až 120 atm pomocí čerpadla hnaného výstředníkem a řízeného osovým regulátorem se snadno zapalovalo. Při spouštění bylo nutno vložit do komůrky žhavicí patronu z filtračního papíru napuštěného roztokem ledku. V konkurenčním díle našel inspiraci, která jej hnala kupředu. Podstatně vylepšil svoji vlastní předkomůrku. Změnil její spojení se spalovacím prostorem válce, vylepšil jeho tvar a dosáhl tak rozumného zapalování a velmi dobrého prohoření směsi při různých režimech zátěže motoru. Mimo jiné, dosáhl u této konstrukce motoru zlepšení vaporizace paliva za současného snížení rizika usazování uhlíkových sloučenin – karbonu. Prosper L’Orange přihlásil svoji vylepšenou konstrukci vznětového rychloběžného motoru k patentování, čehož bylo dosaženo 18. března 1919 (patent DRP 397 142). Paralelně pracoval velmi úpěnlivě na nových vstřikovacích tryskách, které dotáhl do konce ještě v roce 1919, stal se tak autorem tzv. čípkové vstřikovací trysky.

O dva roky později následovala konstrukce vhodného vstřikovacího čerpadla, které bylo schopno dodávat různé množství paliva a umožňovalo tak řídit výkon vznětového motoru s takovou přesností, která byla zapotřebí k jeho aplikaci jako pohonné jednotky pro automobily. První instalace rychloběžného vznětového motoru se tak stala pouze otázkou času. O zavedení vznětových motorů do automobilového průmyslu se postaraly firmy, které stály přímo u začátku jejich konstrukce. Vůbec první pozemní vozidlo vybavené vznětovým motorem byl tříkolový traktor Benz-Sendling z roku 1922. Jeho prototyp byl poprvé představen na zemědělské výstavě v Königsbergu, nynější baltické výspě Ruska, Kaliningradu. Zajímavostí je, že prototyp opatřený vznětovým dvouválcem (135 mm x 200 mm) s maximálním výkonem 18 kW/25 k při 800 min^-1 okamžitě našel svého zákazníka. Ba co víc, pro další dva museli v Mannheimu a Mnichově (sídlo výrobce Sendling) vyrobit další kusy. Do sériové produkce šel Benz-Sendling S6 jako motorový pluh v březnu roku 1923, podržel si svoji původní trojkolovou koncepci s jedním řídícím kolem. Společnost Benz & Cie plánovala vyrobit zhruba 100 svých vznětových motorů pro tříkolové traktory a motorové pluhy Sendling. Později v roce 1924 jich měli na kontě již 36 kusů. Do roku 1931 v Mannheimu, to již také pod křídly nově vzniklé společnosti Daimler-Benz (1926), vyrobili 1188 těchto motorů. Postupně k původní konstrukci Sendling nabízeli také čtyřkolový traktor BK.

První dieselové náklaďáky

V roce 1923 spatřil světlo světa první nákladní automobil poháněný vznětovým motorem. Pětituna Benz OB 2 byla poháněna dieselovým čtyřválcovým motorem o maximálním výkonu 33 kW/45 k při 1000 min^-1. V přímém srovnání s vozidly vybavenými běžným zážehovým motorem prokázala vznětová konstrukce jednu ze svých obrovských předností – spotřeba paliva byla o 86% nižší! Práce na novém čtyřválci začaly již v roce 1922. V září běžel motor OB 2 poprvé na zkušební stolici v Gaggenau. Konstruktéři vybrali k zástavbě šasi Benz 5 K 3 s užitečnou hmotností 5 t. Protože se vozidlo plně osvědčilo ve zkouškách, bylo 14. dubna 1923 přijato rozhodnutí o jeho sériové výrobě. První sériově vyráběný nákladní automobil se vznětovým motorem byl představen na výstavě užitkových vozidel v Amsterodamu v únoru 1924. V té době měl vznětový motor s předkomůrkou OB 2 maximální výkon 37 kW/50 k při 1000 min^-1.

Skvělá byla ovšem spotřeba motoru a s ní ruku v ruce jdoucí finanční efektivita provozu automobilu. OB 2 potřeboval zhruba čtvrtinu množství dehtového oleje destilovaného z hnědého uhlí než odpovídající benzínový motor stejného výkonu. V důsledku nízké ceny takového paliva byl provoz nákladního automobilu značně výhodný. Navíc dle dobového prospektu mohl motor stejně tak dobře běžet na plynový olej, kerosen, Texas olej nebo žlutý či hnědý parafínový olej – všechno těžká paliva. Zatímco se Benz realizoval v konstrukci dieselova motoru s předkomůrkou, společnost Daimler-Motoren-Gesellschaft (D.M.G.) z Berlínského Marienfelde experimentovala se vznětovým motorem opatřeným vstřikovacím vzduchovým kompresorem. Pracovala na tom, co znala nejlépe – na motorech původně určených pro ponorky. Její konstruktéři vyvinuli malý čtyřválcový motor s maximálním výkonem 29 kW/40 k při 1000 min^-1 a podrobili jej dlouhodobým zkouškám. Jedna z nich byla zvláště spektakulární. Automobil vybavený tímto motorem provedl dálkovou jízdu 20. září 1923 z Berlína do Stuttgartu a o 10 dní zase zpět. Ale to se již na scéně objevil také nákladní automobil značky, která měla k vynálezu dieselova motoru zdaleka nejblíže. Značka M.A.N. se postarala v rámci předchůdkyně mezinárodní výstavy nákladních a užitkových vozidel IAA v roce 1924 o velkou senzaci. Představila zde totiž první nákladní automobil vybavený vznětovým motorem s přímým vstřikováním paliva. Čtyřválcový motor dával maximální výkon 33 kW/45 k.

Převzato z časopisu

Fotogalerie