Kako su kroz istoriju napredovali dizel motori

Kao tvorac dizel motora u istoriju je upisan nemački inženjer Rudolf Dizel, koji je daleke 1893. godine patentirao motor sa unutrašnjim sagorevanjem, koji radi po principu da vazduh visoke temperature, postignute sabijanjem, to jest povećanjem pritiska, pali dizel-gorivo. Potrebno je da temperatura vazduha bude dovoljna za paljenje dizela. U upotrebi je i mešavina atmosferskog vazduha i izduvnih gasova, koji su vraćeni u cilindar. Sistem je poznat i kao recirkulacija izduvnih gasova (EGR – Exaust gas recirculation). Kontrolom količine ubrizganog goriva određuje se i vrednost obrtnog momenta.

Kao i u mnogim drugim oblastima, Francuzi i Nemci se ne slažu oko toga ko je prvi ugradio dizel motor u putnički automobil. Sitroen je 1933. godine u model „u7 rozali” ugradio dizel od 1,767 litara. Pogonska jedinica je oslobađala svega 10 KS, ali je omogućavala maksimalnu brzinu od čak 100 kilometara na čas. Tri godine kasnije Mercedes je ugradio svoj prvi dizel u putnički automobil. Bio je to model  „260d”, sa rednim motorom sa četiri cilindra zapremine 2.545 centimetara kubnih, koji je oslobađao 45 KS, uz maksimalni obrtni moment od 105 Nm. Ventili su bili viseći, radio je po principu sa pretkomorama. Imao je blok od gvožđa i golemu masu, koja je iznosila 300 kilogarama. Potrošnja od 11 litara bila je bitnija od maksimalne brzine (94 km/h). Inače, motor sa pretkomorama je još 1909. godine patentirao Francuz Prosper L`Oranž, a sličan sistem primenili su i na benzinskim motorima Honda i Maserati.

Nadmetanje pre svega evropskih proizvođača, obeležilo je istorijat dizel motora od kraja Drugog svetskog rata do danas. Jedan od najpoznatijih i najpriznatijih dizel motora ugrađivao se u „mercedes 200d” (W123). Stekao je ugled zbog pouzdanosti i trajnosti, a u praksi je dokazao da može da pređe više do 2 miliona kilometara. Ali, bio je užasno spor. Motor od 1,988 litara razvijao je samo 55 KS i 113 Nm, a da bi ubrzao od 0 do 100 km/h bilo je potrebno više od 20 sekundi. Alfini i BMW-ovi modeli sa benzinskim motorima mogli su istu radnju da obave dva puta brže.

Energetska vrednost

BMW je laboratorijskim ispitivanjima ustanovio da jedan litar dizel-goriva sadrži 10,38 kilovat-časova energije. Ustanovili su i da jedan litar benzina sadrži 9,61 kilovat-čas, što znači da dizel gorivo ima za 20% više energije nego benzin. Uzorke su uzeli sa pumpi u Nemačkoj. Zbog toga što motori sa dizel-gorivom rade na nižim brojevima obrtaja od benzinaca, razlika u potrošnji ostvarenoj u svakodnevnoj upotrebi može da bude i do 30%.

Pežo je početkom osamdesetih napravio prvi korak da dizelaši postanu brži, motorima sa oznakom XUD, kod kojih je primenjeno turbopunjenje, ali je značajniji napredak ostvaren tek 1987. godine, kada je Fijat primenio direktno ubrizgavanje na motoru ugrađenom u model po imenu „kroma”. Redni četvorocilindraš od 1.929 ccm razvijao je 92 KS na 4.200 o/min. i 200 Nm na 2.000 o/min.

Dizel-gorivo ima gustinu 0,838 kilograma po litru, a benzin 0,75 kg/l

Audi je januara 1988. godine prvi primenio elektronsku kontrolu rada dizel-motora, a tzv. „R5”, odnosno redni petocilindraš zapremine 2,46 litara razvijao je 120 KS na 4.250 o/min. i 265 Nm na 2.250 o/min. Motor je ugrađen u „audi 100 2,5 TDI” generacije C3. Ubrzanje od 0 do 100 km/h je iznosilo 10,1 sekundu i maksimalna brzina je bila 198 km/h.

Ipak, ključni doprinos omasovljenju dizel-motora dao je komon-rejl sistem ubizgavanja. Vikers je još 1916. godine prvi primenio dovod goriva zajedničkom cevi pod pritiskom od 210 bara, a prvi kamion sa motorom koji je imao komon-rejl ubrizgavanje bio je 1985. godine istočnonemački IFA duplo-ve50(IFA W50). Italijanski fizičar Mario Riko je 1993. godine patentirao komon-rejl sistem na motoru za putnička vozila. Projekat je za potrebe Fijata razvijao Manjeti-Mareli, ali je pod neobičnim okolnostima celokupna dokumentacija predata Bošu i Mercedesu. Zvanično objašnjenje je da nisu imali dovoljno novca za dalji razvoj, kao da na Apeninima ne postoje banke i krediti. Ipak, prvi serijski automobil u kom je primenjen revolucionarni sistem ubrizgavanja dizel-goriva dolazi iz Italije. „Alfa romeo 156” dobila je 1997. godine redni četvorocilindarski dizel agregat od 1.910 centimetara kubnih, sa 105 KS i 255 Nm maksimalnog obrtnog momenta, kao i redni petocilindraš od 2,387 litara, koji je imao maksimume od 136 KS i 304 Nm.

Efikasnost

Dizelov motor je prvi put počeo da radi 17. februara 1897. godine, a razvijao je 13,1 kilovat, sa specifičnom potrošnjom goriva od 324 grama po kilovat-času (g/kwh). Efikasnost je iznosila 26,2%, dok je benzinski motor, koji je patentirao Nikolas Oto, imao efikasnost od samo 12%. Savremeni automobilski dizel motori imaju efikasnost od oko 40%, a brodski motori dostižu i do 55%.

Mada je decenijama bio poznat po odličnim benzinskim motorima, od dizela i komon-rejl ubrizgavanja posebnu korist je izvukao BMW, i to ugrađivanjem pomentih motora u takozvane gradske terence. Vrhunac njihovog rada bio je redni šestocilindraš od 2,993 litra sa tri turbopunjača, koji je razvijao 381 KS na 4000 o/min. i 740 Nm na 2000 o/min., prvi put prikazan 2012. godine. Maksimalni pritisak na čelo klipa je iznosio 31 bar, i to je tada bio svetski rekord za serijske dizel motore. Upotrebljeni su i kvalitetniji materijali, pa je cilindar mogao da izdrži pritisak od 200 bara, dok je kod verzije sa dva turbopunjača granica bila 185 bara. Inače, nemački, japanski i američki benzinski motori sa 8 cilindara mogu da izdrže do 130 bara.

Trenutno najupečatljivi dizel je Mercedesov redni „šestak” od 2,989 litara radne zapremine koji generiše 367 KS i čak 750 Nm maksimalnog obrtnog momenta.  Gorivo se ubrizgava pod pritiskom od 2.750 bara, što je gotovo devet puta veća vrednost u odnosu na pre osamdesete godine, kada je pritisak ubrizgavanja dizel-goriva iznosio 350 bara. Zbog velikog obrtnog momenta, većeg za 100 do 200 Nm u odnosu na benzince podjednake zapremine i odlične elastičnosti, a uz to i niže potrošnje za 20 do 30%, dizeli su i dan-danas cenjeni kod poslovnih ljudi, koji prelaze i po 9.000 kilometara mesečno, velikim prosečnim brzinama. Nije neuobičajeno da na nemačkim auto-putevima „mercedes e450d” i slične limuzine sa snažnim dizelima, budu vožene brzinama od 200 do 250 km/h, i to satima.

Ali, dizeli emituju za 15% više ugljen-dioksida nego benzinci, a u atmosferu izbacuju i čestice nesagorelih ugljovodonika i sulfata, veličine 100 nanometara. Zbog malih dimenzija, mogu da prodru duboko u pluća i da izazovu kašalj, teško disanje i gubitak daha. Prema nekim istraživanjima 95% sitnih čestica nastaje od ulja za podmazivanje.

Sastav goriva

U sastav dizel goriva ulaze pretežno alkani koji imaju od 15 do 18 atoma ugljenika (C15H32, C18H38), dok su u sastavu benzina alkani koji imaju od 4 do 12 atoma ugljenika (C4H10, C12H26). Oktan (C8H18) ima molarnu masu od 114,23 grama po molu, a cetan (C16H34) od 226,448 grama po molu (g/mol)

Negativna pojava je i čađ, to jest nesagoreli ostaci ugljovodonika. Razlozi nastanka su da nije gorivo raspršeno u dovoljnoj meri, to jest kapi su prevelike, ubrizgana je veća količina goriva, pa nije sagorevanje završeno, zatim niske temperature, kao i prelazak toplotne energije sa goriva na zidove cilindara, što otežava sagorevanje. Filter za eliminisanje čestica (DPF-diesel particulate filter), donosi smanjenje emisije čađi za 95%, a u njemu se odvija naknadno sagorevanje nesagorelih ugljovodonika, pri čemu se ubrizgava gorivo da bi se poboljšalo sagorevanje.

Azotni oksidi, nastali u procesu sagorevanja, dospevaju u atmosferu, reaguju sa vodonikom i stvaraju azotnu kiselinu, koja dovodi do pojave kiselih kiša i erozije. ADblu je omogućio reakciju pretvaranja azotnih oksida u azot i vodenu paru. ADblu čine 32,5% uree (CH4N2O) i 67,5% destilovane vode, a omogućuje da u izduvnim gasovima bude postignuta manja koncentracija azotnih oksida nego u atmosferi.

Teži se nultoj emisiji i pominje se sve češće i zabrana upotrebe putničkih vozila sa dizel motorima. Mada je njihov tržišni udeo među novim vozilima smanjen na 10 procenata, oni su još uvek prisutni, a zbog velikog obrtnog momenta, koji je kod motora za dampere i tenkove veći od 5.000 Nm, još dugo će ostati nezamenljivi u radnim i vozilima sprecijalne namene, kao i u teškom teretnom programu.

Pumpa-dizna

Folksvagen je razvio svoj sistem ubrizgavanja dizel goriva pod visokim pritiskom, poznat kao pumpa-dizna. Po svakom cilindru, postavljena je klipna pumpa, a bregovi na vratilima delovali su na brizgaljke i tako su povećavali pritisak ubrizgavanja goriva. Sistem je  prvi put ugrađen 1998. godine na motoru za „pasat”, a uspeli su na kraju razvoja da dostignu pritisak ubrizgavanja od 2070 bara. Motor od 1.896 ccm, predstavljen 2005, razvijao je 160 KS na 3.750 o/min i 330 Nm na 1.900 o/min. Tržišni uspeh  ostvarila  je i luksuzna limuzina „feton”, sa V10 motorom koji je imao pumpa-mlaznice i dva turbo–punjača varijabilne geometrije. Radna zapremina je iznosila 4.921 ccm, a maksimumi su bili 313 KS na 4.000 o/min i 750 Nm na 2.000 o/min. Motor je unapređen 2007. i razvijao je 350 KS i 850 Nm. Maksimalni pritisak na čelo klipa je bio 21,7 bara, što je za 30% manje od aktuelnog rekorda. Ali, VW je ipak 2008. odbacio sistem pumpe-mlaznice i vratio se komon-rejl sistemu ubrizgavanja goriva. Audijev V12 turbo-dizel od 5934 centimetra kubna imao je komon-rejl sistem ubrizgavanja, a razvijao je 500 ks na 3750 o/min i čak 1000 Nm u oblasti od 1750 do 3250 o/min. Najveći nedostaci sistema pumpe-dizne bili su buka, vibracije i sam princip rada, jer je pritisak ubrizgavanja goriva zavisio od broja obrtaja motora, to jest da bi postigli veći pritisak ubrizgavanja goriva, bilo je neophodno da motor radi na većim brojevima obrtaja. Slična ograničenja ima i mehanički kompresor za sabijanje vazduha, jer ga pokreće kolenasto vratilo motora.

Dostignuća u sportu

Audi je sa bolidom pokretanim dizelom pobedio 2006. godine na čuvenoj trci 24 časa Le Mana, a uspehe je ponovio i u naredne dve godine. Pežo je isto učinio 2009. godine sa V12 dizelom od 5,5 litara koji je razvijao 734 ks i 1200 Nm. Iste godine, atmosferski benzinski V8 motor od 2,4 litra, koji je korišćen u Formuli 1, razvijao je 780 ks i 300 Nm. Trke su uvek imale propagandni efekat i vozila sa dizelima koja su imala ubrizgavanje po komon-rejl principu, činila su više od 50% prodaje na tržištu Evropske unije.