Pred 121 leti, 23. februarja 1893, je Rudolf Diesel prejel patent za dizelski motor na notranje zgorevanje. Poročilo, ki ga je predal patentnemu uradu, je bilo dolgo vsega 13 strani, dovolj, da je opisal osnove delovanja motorja, ki danes poganja milijone avtomobilov in drugih prevoznih sredstev po vsem svetu.
Skrivnost Dieslovega izuma je bila v samovžigu dizelskega goriva, ki ga je omogočila visoka temperatura zraka, ta se je v valju stisnil v razmerju 20 : 1. Motor je s 25-odstotnim izkoristkom močno presegel vse tedanje stroje, pa naj je šlo za bencinske z 12 odstotki, plinske s 17 odstotki ali najbolj razširjene batne parne z vsega 10 odstotki izkoristka energije v gorivu.
Do uporabe dizelskega motorja v avtomobilih je minilo še precej časa. V Nemčiji so leta 1924 z njim opremili prvi tovornjak, leta 1929 je ameriški Cummins z njim eksperimentalno opremil osebni avtomobil, serijsko pa je bil prvič na voljo leta 1936 v Mercedes-Benzu 260 D. Slovesa umazanih, glasnih, počasnih in dolgočasnih so se dizelski motorji začeli otresati šele v 60. letih, po letu 1975 pa je za njihovo uveljavitev poskrbel predvsem Volkswagen Golf z motorjem, ki je bil po zaslugi Boscheve distribucijske črpalke za vbrizgavanje goriva dovolj živahen in gospodaren. S turbopuhalom opremljeni Golf GTD je dizelski motor uveljavil tudi med športnimi avtomobili.
K uveljavitvi in izboljšanju delovanja dizelskih motorjev je pripomogla tudi uvedba neposrednega vbrizga goriva v izgorevalne komore motorjev. Leta 1989 so motor Audija 100 TDI opremili s prvo aksialno črpalko, ki je pod tlakom 1.000 barov omogočala vbrizgavanje goriva neposredno v izgorevalno komoro. Ker je bilo izgorevanje goriva v takšnih pogojih veliko bolj učinkovito, se je povečala tudi moč motorja ob zmanjšanju porabe in izpusta škodljivih snovi. K dokončni uveljavitvi turbodizelskih motorjev na evropskih trgih je najbolj pripomogel leta 1997 v Alfa Romeu 156 predstavljeni sistem skupnega gorivnega voda, pri katerem gorivo pod visokim tlakom po skupnem vodu priteče do motorja, kjer za neposredni vbrizg ustrezne količine goriva v valje poskrbijo injektorji. Inženirjem je omogočil predvsem natančne nastavitve motorjev, ki so postali dinamični, varčnejši, tišji in prijaznejši do okolja.
Hkrati z razvojem motorjev se je povečeval tudi tlak, pod katerim vbrizgajo gorivo v valje. Leta 1997 je znašal 1.350 barov, leta 2001 1.600 barov, leta 2003 je dosegel 1.800 barov, danes pa že presega 2.000 barov. Za samo vbrizgavanje so sprva sicer skrbeli elektromagnetni injektorji, ki pa so jih do danes izpodrinili serijski piezoinjektorji, ki so hitrejši in omogočajo natančnejši nadzor nad količino vbrizganega goriva ter krajše intervale med posameznimi vbrizgi. Omogočajo tudi več, do deset večtočkovnih vbrizgov goriva na ciklus motorja ter pred- in povbrizg, zaradi česar motor teče tiše in mirneje ter proizvede manj izpustov.
Sistem skupnih gorivnih vodov se je sicer najbolj uveljavil, ni pa bil vedno edini način za vbrizgavanje goriva v izgorevalne komore motorjev. Omeniti velja vsaj še sistem črpalka-šoba, ki se je najdlje zadržal v modelih Volkswagnovega koncerna in je v posamezni enoti za vsak valj združeval črpalko za zagotavljanje tlaka goriva in vbrizgalno šobo. Omogočal je zelo visoke vbrizgalne tlake in odlično razpršitev goriva z odličnim izgorevanjem in izkoristkom ter majhno porabo goriva. Žal so bili motorji tudi bolj grobi in glasnejši od motorjev s skupnimi gorivnimi vodi, manjša pa je bila tudi možnost natančne nastavitve.
K povečevanju učinkovitosti dizelskih motorjev je pripomogel tudi razvoj turbopuhal s spremenljivo geometrijo turbin, ki jim je mogoče spreminjati nagib lopatic in tako že pri razmeroma nizkih vrtljajih omogočiti zadostno povečanje tlaka vstopnega zraka. Tako se poveča količina kisika v izgorevalni komori, kar pripomore k boljšemu izgorevanju gorivne zmesi ter povečanju moči, predvsem pa navora že pri nizkih vrtljajih ročične gredi. Učinek povečujejo še kombinacije mehanskega kompresorja in turbopuhala, ki medsebojno izničujeta negativne učinke, ter biturbo, pri katerem se dve turbopuhali učinkovito dopolnjujeta pri različnih vrtljajih motorja.
Tehnologija skupnih gorivnih vodov je druge sisteme potisnila ob stran tudi zaradi svoje prilagodljivosti, ki ji je povečala potencial tako pri zmanjševanju deleža škodljivih snovi v izpušnih plinih kot pri njihovi nadaljnji obdelavi. Gre predvsem za odstranjevanje človeškemu zdravju nevarnih trdnih delcev (saj) in strupenih dušikovih oksidov (NOx). K zniževanju vsebnosti saj v izpušnih plinih pripomorejo filtri, v katerih saje med regeneracijo izgorijo v nenevarni ogljikov dioksid in vodo. Določanju ustreznega časa za regeneracijo so namenjeni merilniki pretoka plinov pred in za filtrom, ki ob prevelikih odstopanjih zaradi nakopičenih saj sprožijo proces regeneracije filtra. Upravna enota tedaj s pomočjo zapoznelega sekundarnega vbrizga goriva v valje dvigne temperaturo izpušnih plinov, ki vžgejo saje v filtru.
Zmanjševanje izpustov dušikovih oksidov je nekoliko bolj kompleksno. V večini motorjev je dovolj optimizacija že opisanih procesov, vključno s povratnim vodom izpušnih plinov v motor, za zahtevnejše primere pa je na voljo vodna raztopina sečnine, ki jo vbrizgavajo v izpušne pline, kjer dušikove okside s pomočjo katalizatorja menda kar 95-odstotno razgradi v dušik in vodo.
K večji gospodarnosti in prijaznosti do okolja pripomorejo tudi sistemi start-stop, nekatere slabosti motorjev na notranje zgorevanje pa z dodatnim navorom elektromotorjev predvsem pri nižjih vrtljajih odpravljajo tudi hibridni sistemi, v katerih vlogo primarnega motorja vse bolj prevzemajo dizelski motorji.
Novo vlogo dobivajo celo žarilne svečke, ki so tradicionalno namenjene predgretju izgorevalnih komor pred hladnim vžigom motorja. Pri slovenski Hidrii so vanje namreč vgradili tipalo, ki omogoča natančno sprotno merjenje tlaka v izgorevalni komori, ki mu osrednja kontrolna enota stalno prilagaja vbrizg goriva in povratni tok izpušnih plinov. S tem se poveča izkoristek goriva, izboljšajo pa se tudi drugi parametri delovanja motorja, kot so uravnoteženost valjev, prilagajanje kakovosti goriva, izboljšan hladni vžig in celo zmanjšanje hrupa.
Samosvojo pot je v okviru nove tehnologije Skyactiv ubrala Mazda, ki je kompresijsko razmerje v dizelskih motorjih znižala na 'bencinskih' 14 : 1. Zaradi visokega kompresijskega razmerja stisnjeni zrak v izgorevalni komori konvencionalnih dizelskih motorjev doseže tako visoka tlak in temperaturo, da se vbrizgano gorivo vžge, še preden se učinkovito razporedi po prostoru in ustvari učinkovito gorivno zmes z zrakom. Zaradi nehomogenega vžiga nastane preveč saj in dušikovih oksidov. Inženirji se zato odločajo za zakasnitev vžiga, ko bat že potuje navzdol, kar povzroči dodatne izgube. Mazdini projektanti so z znižanjem kompresijskega razmerja motorja povzročili padec tlaka in temperature v izgorevalni komori in omogočili bolj uniformno in učinkovito izgorevanje gorivne zmesi. Manjši tlaki in temperature kljub nekaterim prilagoditvam zaradi težav pri hladnem zagonu zahtevajo tudi manjšo strukturno trdnost motorja in občutne prihranke pri teži in obrabi motorja.
Dizelski motor se je v 12 desetletjih obstoja torej razvil v verodostojen pogonski stroj, ki v marsičem presega izumiteljev zapis v dnevniku iz leta 1897: »Po več letih napornih prizadevanj in po premagovanju neslutenih težav mi je končno uspelo zgraditi stroj, ki se odlikuje po gladkem teku in preprosti uporabi ter je veliko boljši od drugih ...«
Foto: Arhiv Avto magazin, Shutterstock
Novo na Metroplay: Ko se govori o hierarhiji, je že prepozno | Bine Volčič in Žiga Faganel