Kto wynalazł silnik spalinowy?

Historia silnika spalinowego – od pierwszych koncepcji do działających prototypów

Pytanie o to, kto wynalazł silnik spalinowy, nie posiada prostej, jednowyrazowej odpowiedzi. Droga do stworzenia jednostki napędowej, która zmotoryzowała świat, była procesem ewolucyjnym, trwającym niemal trzy stulecia. Choć powszechnie kojarzymy ten wynalazek z końcem XIX wieku, teoretyczne fundamenty kładziono znacznie wcześniej, kiedy inżynierowie i fizycy zaczęli dostrzegać potencjał drzemiący w kontrolowanych eksplozjach.

Już w XVII wieku holenderski fizyk Christiaan Huygens eksperymentował z maszyną, w której tłok w cylindrze miał być poruszany siłą wybuchu prochu strzelniczego. Choć urządzenie to nigdy nie weszło do praktycznego użytku, ustanowiło kluczową zasadę działania silnika tłokowego: przekształcenie energii chemicznej bezpośrednio w energię mechaniczną wewnątrz cylindra. Była to fundamentalna różnica w stosunku do maszyn parowych, gdzie spalanie odbywało się na zewnątrz (tzw. silniki spalania zewnętrznego).

Wkład Isaaca de Rivaza

Prawdziwy przełom w myśleniu o mobilności nastąpił jednak na początku XIX wieku. W 1807 roku szwajcarski wynalazca François Isaac de Rivaz skonstruował pierwszy pojazd napędzany silnikiem spalania wewnętrznego. Jego konstrukcja wykorzystywała mieszankę wodoru i tlenu, a zapłon następował elektrycznie. Mimo że pojazd był w stanie poruszać się samodzielnie na krótkich dystansach, technologia ta była zbyt prymitywna i niebezpieczna, by znaleźć szersze zastosowanie. Niemniej jednak, de Rivaz udowodnił, że koncepcja jest słuszna, otwierając drzwi dla kolejnych pokoleń inżynierów.

Étienne Lenoir i pierwszy udany silnik gazowy – zapomniany pionier

Podczas gdy wcześniejsze próby były jedynie ciekawostkami laboratoryjnymi, to Belg Étienne Lenoir w 1860 roku zaprezentował światu pierwszy silnik spalinowy, który nadawał się do produkcji seryjnej i codziennego użytku. Lenoir nie skupiał się na teoretycznej doskonałości, lecz na praktyczności. Jego silnik był zasilany gazem węglowym (miejskim), co rozwiązywało problem dostarczania paliwa w zindustrializowanych miastach tamtego okresu.

Konstrukcja Lenoira przypominała poziome maszyny parowe. Był to silnik dwusuwowy, działający bez wstępnego sprężania mieszanki. Mieszanka paliwowo-powietrzna była zasysana do cylindra, zapalana iskrą elektryczną w połowie suwu, a rozprężające się gazy popychały tłok do końca. Mimo że silnik ten działał płynnie i był stosunkowo cichy, charakteryzował się bardzo niską sprawnością termiczną – rzędu zaledwie 4%. Większość energii marnowana była na ciepło, a zużycie paliwa było ogromne.

Mimo tych wad, silnik Lenoira odniósł sukces komercyjny. Wyprodukowano setki egzemplarzy, które napędzały pompy, maszyny drukarskie i tokarki w małych zakładach rzemieślniczych. Lenoir podjął nawet próbę zamontowania swojego silnika w pojeździe nazwanym Hippomobile, którym w 1863 roku pokonał 18-kilometrową trasę z Paryża do Joinville-le-Pont. Choć podróż zajęła kilka godzin, był to niezaprzeczalny dowód na to, że silnik spalinowy może służyć do transportu.

Nikolaus Otto i rewolucyjny cykl czterosuwowy – ojciec współczesnego napędu

Jeśli Lenoir pokazał, że silnik spalinowy może działać, to niemiecki inżynier Nikolaus August Otto uczynił go wydajnym. Otto trafnie zdiagnozował główny problem silnika Lenoira: brak sprężania mieszanki przed zapłonem. Zrozumiał, że ściśnięcie paliwa i powietrza w cylindrze przed wybuchem drastycznie zwiększy siłę eksplozji i efektywność pracy. To spostrzeżenie doprowadziło do opracowania w 1876 roku słynnego „cichego silnika Otto” (Otto Silent Engine).

Zasada działania cyklu Otta

Wprowadzenie cyklu czterosuwowego było absolutną rewolucją technologiczną. Otto zdefiniował cztery etapy pracy tłoka, które do dziś stanowią podstawę działania większości silników benzynowych na świecie:

1. Suw ssania: Tłok porusza się w dół, zasysając mieszankę paliwowo-powietrzną.
2. Suw sprężania: Tłok wraca do góry, sprężając mieszankę, co gwałtownie podnosi jej temperaturę i ciśnienie.
3. Suw pracy (rozprężania): Następuje zapłon (iskra), a wybuch gazów z dużą siłą pcha tłok w dół – to jedyny moment, w którym silnik generuje energię.
4. Suw wydechu: Tłok ponownie idzie w górę, wypychając spaliny z cylindra.

Dzięki zastosowaniu sprężania, sprawność silnika Otta wzrosła kilkukrotnie w porównaniu do konstrukcji Lenoira. Poniższa tabela przedstawia kluczowe różnice między tymi dwiema pionierskimi technologiami, które zadecydowały o dominacji cyklu czterosuwowego.

Gottlieb Daimler i Karl Benz – zastosowanie silnika spalinowego w pojazdach

O ile Nikolaus Otto stworzył wydajny silnik stacjonarny, o tyle jego byli współpracownicy i konkurenci – Gottlieb Daimler (wraz z Wilhelmem Maybachem) oraz Karl Benz – mieli wizję uwolnienia silnika od fundamentów fabrycznych. Ich celem była miniaturyzacja jednostki napędowej i przystosowanie jej do zasilania paliwem ciekłym (benzyną), co uniezależniłoby pojazdy od sieci gazowych.

Daimler i „Zegar Dziadka”

Gottlieb Daimler i Wilhelm Maybach skupili się na stworzeniu silnika szybkoobrotowego. W 1885 roku opracowali jednostkę znaną jako Standuhr („Zegar Dziadka”) ze względu na jej charakterystyczny, pionowy kształt. Był to silnik lekki, kompaktowy i osiągający wysokie obroty, co było kluczowe dla zastosowań w lekkich pojazdach. Daimler jako pierwszy zamontował ten silnik w drewnianym jednośladzie – Reitwagen – tworząc w ten sposób pierwszy motocykl, a następnie w powozie konnym, tworząc prototyp samochodu czterokołowego.

Podejście Karla Benza

Równolegle, w Mannheim, Karl Benz przyjął inną filozofię. Zamiast adaptować powóz konny do silnika, zaprojektował cały pojazd od podstaw jako integralną całość z układem napędowym. W 1886 roku opatentował Benz Patent-Motorwagen Nummer 1 – trójkołowy pojazd napędzany jednocylindrowym silnikiem czterosuwowym. To właśnie ta data jest powszechnie uznawana za narodziny nowoczesnego samochodu. Benz udowodnił, że silnik spalinowy, układ kierowniczy i podwozie muszą stanowić jeden spójny system inżynieryjny.

Rudolf Diesel i jego wynalazek – jak powstał silnik wysokoprężny?

Pod koniec XIX wieku, gdy silniki benzynowe zdobywały popularność, inny niemiecki inżynier, Rudolf Diesel, pracował nad koncepcją, która miała przewyższyć istniejące rozwiązania pod względem ekonomii i sprawności. Diesel, fascynat termodynamiki, marzył o stworzeniu silnika zbliżonego do ideału cyklu Carnota. Uważał, że silniki o zapłonie iskrowym marnują zbyt wiele energii.

W 1893 roku Diesel opublikował pracę teoretyczną, a w 1897 roku zaprezentował w pełni działający prototyp silnika o zapłonie samoczynnym. Jego innowacja polegała na rezygnacji z układu zapłonowego (świec). W silniku Diesla powietrze jest sprężane w cylindrze do tak wysokiego ciśnienia (znacznie wyższego niż u Otta), że jego temperatura wzrasta do poziomu, w którym wtryśnięte paliwo zapala się samoistnie. Ta metoda pozwalała na wykorzystanie tańszych, cięższych frakcji ropy naftowej oraz olejów roślinnych.

Pierwsze silniki wysokoprężne były potężne, ciężkie i pracowały wolno, co sprawiało, że początkowo nadawały się głównie do napędu statków, okrętów podwodnych i maszyn stacjonarnych w fabrykach. Ich niezrównana sprawność sprawiła jednak, że z czasem, po udoskonaleniu technologii wtrysku, zdominowały one transport ciężarowy, kolejowy, a w XX wieku trafiły również pod maski samochodów osobowych, stając się realną alternatywą dla silników benzynowych.