Silniki Diesla – od sukcesu do upadku

Pod koniec XIX wieku w Europie panował znakomity klimat dla innowacji technicznych. Niemieccy, angielscy czy francuscy inżynierowie prześcigali się w pomysłach i wynalazkach. Chodzi o wiele dziedzin nauki – fizykę, chemię, mechanikę, termodynamikę itp.

To okres tzw. drugiej rewolucji przemysłowej, gwałtownemu rozwojowi nauki i techniki towarzyszyło powstanie takich rozwiązań jak silnik gazowy, dynamit, żarówka, telefon czy choćby odkurzacz elektryczny.

Między tymi wynalazcami był Rudolf Diesel. Dziś pewnie chciałby programować algorytmy AI – ale w 1872 roku ówczesny 14-letni uczeń Królewskiej Okręgowej Szkoły Handlowej w Augsburgu zdecydował, że kariera „mechanika” jest spełnieniem jego marzeń i szansą na tworzenie czegoś zupełnie nowego.

Jedno pytanie Rudolfa Diesla nurtuje najbardziej: jak można uwolnić potencjał tkwiący w materii? Przychodzą odpowiedzi: dzięki patentom złożonym w 1892 i 1893 roku powstaje maszyna, która może dostarczać energię zmagazynowaną w cieczach lub gazach do pracy mechanicznej z najwyższą możliwą wydajnością.

Jednak na drodze od teorii do praktyki Rudolf Diesel musiał stawić czoła wielu problemom. Na początku jego maszyny były tak duże, ze względu na konieczność wtrysku sprężonego powietrza, że nadawały się tylko do zastosowań stacjonarnych.

Dopiero po odejściu od pierwotnych teorii Diesla z wtryskiem do komory wstępnej silnik wysokoprężny uzyskał szansę na szersze zastosowanie praktyczne. Z czasem stawał się znacznie mniejszy, zatem możliwe stało się jego wykorzystanie najpierw do napędu statków i ciężarówek, a następnie samochodów osobowych.

To początek historii silników wysokoprężnych. Rozpędzała się powoli, jednak kolejne udoskonalenia doprowadziły ją do szczytów popularności. Obecnie ewidentnie obserwujemy jednak schyłek tej technologii. Prześledźmy to dokładniej.

Silniki Diesla: skromne początki

Wysoki poziom sprawności silników Diesla kusi wielu producentów samochodów, ale jego niskie osiągi i duża masa studzą zapał do ich stosowania.

Jako pierwszy szansę jednostce wysokoprężnej daje w roku 1936 Mercedes: w modelu W138 zainstalował czterocylindrowy silnik o mocy 45 KM i pojemności 2,6 litra. Napęd tego typu nosił wewnętrzne oznaczenie „OM” czyli „Oel-Maschine” (silnik na olej napędowy) i jest stosowany do dziś.

• Początkowo tylko Peugeot traktuje silnik wysokoprężny tak poważnie. Pierwsze lata diesli w autach osobowych to właśnie te dwie marki. Podczas gdy silnik wysokoprężny jest postrzegany gdzie indziej jako konserwatywna technologia o czysto użytkowym charakterze, Mercedes i Peugeot szukają w nim innowacyjnego potencjału oraz wysokiej wydajności – i powoli, ale nieuchronnie konkurencja też musi się w ten trend zaangażować.
  
  
• Rekordy zużycia paliwa padają bardzo szybko. Mały Peugeot 204 z silnikiem wysokoprężnym o pojemności niespełna 1,3 litra i zużyciem paliwa na poziomie około 5,7 l/100 km był jednym z najoszczędniejszych aut swojej ery. Co ciekawe, osiągi też były niezłe, prędkość maksymalna wynosiła 130 km/h.
  
  
• W latach 70. nastąpiło trzęsienie ziemi – świat ogarnął kryzys paliwowy związany z wydarzeniami na Bliskim Wschodzie. Cena ropy naftowej wzrosła 7-krotnie, na stacjach brakowało zapasów, tworzyły się kolejki, tradycyjne, paliwożerne silniki benzynowe traciły rację bytu. Na rynku pojawiały się mniejsze, oszczędniejsze modele. I właśnie teraz okazało się, że wydajny silnik wysokoprężny może stać się ciekawą alternatywą. Wtedy patrzono na to jeszcze jak na napęd alternatywny, coś w rodzaju pierwszych hybryd czy aut elektrycznych dzisiaj, ale w zderzeniu z rzeczywistością okazało się, że jest to bardzo ciekawa droga.
  
  
• Ruszyła machina marketingowa, do akcji wkroczyli eksperci ds. sprzedaży – którzy wcześniej uważali olej napędowy za prymitywną ciekawostkę – teraz nagle odkryli jego potencjał. Pierwsze Volkswageny Golfy diesle i inne podobne modele z tamtego okresu nie są więc wynikiem sprytnie przemyślanego otwarcia na technologię, ale dzieckiem działów marketingu. 
  
  
• Najważniejsze trendy w rozwijającym się segmencie diesli nadal jednak wyznaczają pionierzy: Peugeot i Mercedes. Pod kierunkiem Ferdinanda Piëcha (wnuka Ferdinanda Porsche) – inżyniera, a później szefa Volkswagena – Mercedes opracowuje OM 617, płynnie pracujący i mocny silnik pięciocylindrowy, który montowano nawet do klasy S szeregu W116. Promuje także eksperymentalny pojazd C 111, początkowo z silnikiem Wankla, ale później wykorzystujący turbodiesle. Rodziła się kolejna era jednostek wysokoprężnych. 

Silniki Diesla: era turbodoładowania

Diesle były oszczędne, ale ich osiągi mocno odstawały od benzynowych odpowiedników. To była poważna wada, odstręczająca wielu klientów. Turbodoładowanie nie było niczym nowym, ale traktowano je w tamtym okresie jako element zarezerwowany dla najbardziej sportowych modeli.

Okazało się jednak, że turbosprężarka doskonale pasuje do silników wysokoprężnych: nie wymaga to aż tak precyzyjnego dawkowania paliwa jak w silnikach benzynowych, a jednocześnie pozwala na uzyskanie w miarę prostym sposobem dużych przyrostów mocy – ciągle przy niewielkim zużyciu paliwa.

• Jako pierwszy turbodiesla oferuje Mercedes – ale na rynku amerykańskim. W Europie trofeum za pierwszy samochód wysokoprężny z turbodoładowaniem trafia do 95-konnego Peugeota 604 D Turbo. Osiągi się poprawiły, kultura pracy ciągle jednak pozostawiała wiele do życzenia.
  
  
• Na początku lat 80. niechęć do diesli opuściła BMW. Firma zebrała się na odwagę i przedstawiła 2,5-litrowego rzędowego sześciocylindrowego turbodiesla typu M21. Nagle staje się absolutnie oczywiste, że silniki wysokoprężne mogą być nie tylko wydajne, ale także wystarczająco wyrafinowanie, aby sprawdzać się w autach wyższych klas, zapewniać odpowiednie osiągi, a przy tym dowodzić swojej żywotności i niezawodności. Od tego silnika wszystko stało się jasne: ówczesny kanon diesla to jednostka wyposażona w turbodoładowanie. Inne rozwiązania stały się z dnia na dzień przestarzałe.

Silniki Diesla: czas na wtrysk bezpośredni

Postanowiono pójść za ciosem. Silnik traktowany wybitnie użytkowo zaczynał być realną konkurencją dla jednostek benzynowych. Wydano zielone światło dla zakrojonych na szeroką skalę eksperymentów z samochodami z silnikami wysokoprężnymi.

• W 1988 roku w modelu Fiat Croma pojawia się pierwszy w osobowym aucie turbodiesel z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Silnik miał pojemność 1.9 i rozwijał 92 KM. To w jeszcze większym stopniu usprawniało proces spalania, a przez to czyniło jednostki tego typu jeszcze bardziej oszczędnymi. 35 lat temu urodził się więc mniej więcej standard silnika Diesla znany do dziś: jednostka z turbodoładowaniem i bezpośrednim wtryskiem. Lata 90. stają się złotą dekadą diesla.

Silniki Diesla: common rail i pompowtryskiwacze

Diesle stały się oszczędne i szybkie, jednak ciągle pracowały głośno, twardo, generowały też sporo szkodliwych spalin. Trzeba było doskonalić je dalej. Dążono do zwiększenia ciśnienia wtrysku paliwa do cylindrów: mogło ono być wówczas rozpylone w mniejszych kropelkach, co znacznie poprawiało proces spalania mieszanki. Pojawiły się dwa rozwiązania.

• Pierwsze to układ common rail: pompa wysokiego ciśnienia zasilała szynę, z której paliwo było dystrybuowane do wtryskiwaczy w cylindrach. Były one więc czymś w rodzaju zaworów dozujących paliwo, w których czas wtrysku i jego moment można było łatwo sterować za pomocą oprogramowania silnika. Większe ciśnienie wtrysku przy zmniejszaniu średnicy otworu/otworów dyszy poprawiało przy tym sposób rozpylenia paliwa. Turbosprężarka dbała, żeby nie zabrakło powietrza do jego spalenia.
  
  Pierwsze silniki tego typu pojawiły się w 1997 r. w Alfie Romeo 156 JTD (koncern Fiata wyrósł na lidera nowych technologii w dieslach) oraz Mercedesie C 220 CDI.
   
• W 1998 roku Volkswagen dał własną odpowiedź na to samo wyzwanie w Passacie B5: tylko że poszedł własną drogą. Wykorzystał wtryskiwacze zintegrowane z pompą paliwa napędzaną wałkiem rozrządu – stąd określenie pompowtryskiwacze. W pierwszym okresie zapewniało to nawet większe ciśnienie wtrysku niż silniki z common rail, ale rozwiązanie miało wiele wad: takie wtryskiwacze były drogie, sprawiały problemy, a kolejne generacje układu CR zapewniały coraz większe ciśnienie wtrysku i większą elastyczność w modelowaniu procesu wtrysku. VW się poddał – finalnie też przeszedł na common rail. 

Silniki Diesla: lata chwały, czas zagrożenia

Wokół silnika wysokoprężnego zapanowała istna gorączka złota. W 1999 roku, ze zużywającym 3 l ON na 100 km Lupo, Volkswagen wrócił do korzeni – ekstremalnie oszczędnych diesli. Ofensywa trwała ze wszystkich rynkowych stron. W 2003 roku pojawił się Mercedes 30 CDI AMG (!), a rok później Smart 0.8 CDI, który był jednym z najmniejszych silników Diesla. Diesel się rozprzestrzenia nawet w luksusowym segmencie kabrioletów.  

• W roku 2000 Peugeot wprowadza do modelu 607 kolejną nowość: pierwszy filtr cząstek stałych w produkcji seryjnej. Na horyzoncie były już nowe normy emisji spalin ograniczające emisję sadzy – coś, z czym diesle zawsze miały problem. DPF szybko stał się standardem.  

Silniki Diesla: równia pochyła czyli dieselgate

Właśnie – normy emisji. Kolejne edycje w szczególnym stopniu wpływały na silniki wysokoprężne. W 2014 roku wchodzi Euro 6: standard, który drastycznie obniża dopuszczalny poziom emisji tlenków azotu. W praktyce trzeba stosować kolejny system oczyszczania spalin: katalizatory SCR. Drogie, wymagające modyfikacji w aucie, a dla klientów – dolewania AdBlue. 

• Jesienią 2015 roku wszystko się zawaliło. Okazało się, że VW manipulował przy oprogramowaniu silnika, tak by auta spełniały wymagania podczas badań homologacyjnych, bez stosowania dodatkowych komponentów. Jednak w normalnej jeździe emisje znacząco przekraczały limity. Podobne zarzuty padły też pod adresem innych marek. Ruszyła afera znana pod nazwą dieselgate.
  
  Wizerunek diesli został znacząco podkopany, firmy musiały prowadzić akcje serwisowe, ba – sprawy toczą się do dzisiaj. W nieprawomocnym wyroku sądu w Niemczech cofnięto nawet homologacje na auta z podejrzanej serii.
  
  Co więcej, niedawno okazało się, że były prezes Audi dąży do ugody sądowej w prowadzonym przeciw niemu procesie: jeśli przyzna się do winy, zapłaci karę finansową, ale otrzyma wyrok w zawieszeniu.

Silniki Diesla: epilog

Turbo, common rail, koła dwumasowe, DPF, SCR, były nawet dieslowskie hybrydy, także plug-in. Jednostki może i stały się oszczędne, szybkie i ciche, ale ich produkcja zaczęła kosztować majątek. W dodatku były one popularne w zasadzie tylko w Europie, walka o ich utrzymanie przestała mieć sens. Zresztą i tak w modzie są teraz tylko auta elektryczne.

Sprzedaż diesli i kluczowe daty

Poniżej widzimy wykres udziałów sprzedaży silników wysokoprężnych w ostatnich kilkudziesięciu latach – tak w Polsce, jak i Europie. Widać, jak narastała popularność diesli oraz jak ostatnio malało wzięcie, jakim się cieszą. Wpływ na to ma wiele zjawisk, chociaż najważniejszym jest to, że ich rozwój i promowanie sprzedaży w obecnych warunkach (zaostrzanych przepisach emisji, włącznie z omawianym zakazem produkcji aut spalinowych) stały się bardzo mało opłacalne.