Charles Franklin Kettering

Charles Franklin Kettering urodził się 29 września 1876 roku w USA.

Był niezwykle uzdolnionym technicznie człowiekiem, jest autorem ponad 300 patentów, niektóre z nich używamy do dzisiaj.

W przemyśle samochodowym jest autorem między innymi:

• konstrukcji instalacji elektrycznej z akumulatorem i prądnicą,
• układu zapłonowego,
• rozrusznika zapłonowego,
• zbadania zjawiska wpływu stopnia sprężania na spalanie stukowe.

Opis jego wynalazków:

Zaczynał pracę jako monter elektrycznych szaf rozdzielczych oraz diagnosta uszkodzeń w centralach telefonicznych.

Na początku kariery wynalazł mały silniczek elektryczny ze sprzęgiełkiem, który znalazł masowe zastosowanie w kasach sklepowych. Jego rozwiązanie było stosowane przez około 70 lat. Dzisiaj pewnie uśmiechamy się myśląc o małym silniczku elektrycznym, ale w tamtych czasach był to olbrzymi przełom.

Pewnego razu zobaczył, jak pewien lekarz nieskutecznie próbuje uruchomić silnik swego pojazdu (jeszcze opiszę to szerzej później ale silniki wtedy uruchamiano za pomocą korby, a w wielu przypadkach ten zabieg kończył się połamaniem nadgarstków, rąk, były także przypadki śmiertelne).

Kettering, mimo, że praktycznie pierwszy raz zetknął się z bliska z samochodem zaoferował pomoc i szybko rozwiązał problem leżący w instalacji zapłonowej. W zamian lekarz zaprosił go na przejażdżkę samochodem.

Był to początek jego przygody z samochodami, co zaowocowało wieloma wynalazkami, niektóre zaś z nich w niezmienionej postaci (co do zasady działania) stosujemy do dzisiaj.

Układ zapłonowy

W tamtych czasach układ zapłonowy zasilany był prądem ze zwykłej baterii (nie akumulatora) oraz iskrownika niskiego napięcia . Iskrownik działał tylko przy większych obrotach silnika.

Kettering opracował całkowicie nowy system zapłonu, mimochodem usprawniając także całą instalację elektryczną samochodu.

Na samym początku opracował prądnicę elektryczną, która umożliwiła zastosowanie akumulatora zamiast zwykłej baterii, oraz co było przełomem umożliwiała założenie oświetlenia elektrycznego do samochodu.

Dysponując prądem Kettering zbudował układ zapłonowy składający się z:

• przerywacza prądu niskiego napięcia,
• cewki indukcyjnej,
• rozdzielacza prądu wysokiego napięcia.

Obecnie elementy mechaniczne układu zapłonowego zastępuje się elektronicznymi, ale co do filozofii działania, jego wynalazek funkcjonuje w dalszym ciągu.

Rozrusznik

W tamtych czasach stosowane następujące sposoby rozruchu silnika:

• korba ręczna sprzężona z wałem korbowym silnika,
• korba ręczna, która nakręcała sprężynę, która następnie napędzała silnik,
• butle napełnione sprężonym dwutlenkiem węgla, który wpuszczony do cylindra kręcił silnikiem,
• specjalny dodatkowy tłok z cylindrem do którego sypano materiał wybuchowy i zapalano, posuwający się tłok poprzez listwę zębatą kręcił wałem korbowym,
• podnoszenie przodu samochodu energią wyłączanego silnika. Zwykle przód ponosił się około 40cm. Po zwolnieniu blokady przód pojazdu opadał napędzając silnik,
• swoisty patent napędzający rozrusznik gazami spalinowymi z silnika. Niestety twórca nie przewidział, że podczas rozruch nie będzie zbyt dużo spalin.

Najpopularniejsza, najprostsza w konstrukcji była zwykła korba. Ale była ona również najbardziej niebezpieczna. Uruchomienie silnika wymagało także dużego wyczucia - należało ręcznie opóźnić zapłon silnika, w przeciwnym wypadku zbyt wczesny zapłon w cylindrze spowodował "odbicie" i silnik przez chwilę kręcił się w przeciwną stronę, co kończyło się licznymi złamaniami nadgarstków i rąk.

Kettering był świadkiem jednego z takich wydarzeń. Pewna pani jechała swoim pojazdem i nagle zgasł jej silnik. Jego kolega pośpieszył z pomocą, niestety owa dama nie opóźniła dostatecznie zapłonu, i korba złamała mu kości dłoni. Na nieszczęście wdało się zakażenie i kolega Ketteringa zmarł po kilku dniach.

Keteling postanowił więc definitywnie rozwiązać problem z rozruchem silnika, a rozrusznik chciał zasilać prądem z akumulatora.

Pewnego dnia zajechał swoim samochodem pod budynek, gdzie obradowała komisja Amerykańskiego Instytutu Inżynierów Elektryków i opowiedział o swoim wynalazku. Wysłuchał z powagą szyderstw i gwizdów, oraz całej listy argumentów przeciw, które jasno dowodziły, że rozrusznika nie da się zbudować.

Następnie zaprosił wszystkich do swojego samochodu, gdzie uruchamiał i gasił silnik za pomocą tego właśnie rozrusznika. Filozofia działania tego rozrusznika nie zmieniła się do dzisiaj.

Gwoli sprawiedliwości należy dodać, że w tamtych czasach już wcześniej zostało opatentowanych wiele rozwiązań elektrycznych rozruszników, ale rozwiązanie Ketteringa miało jedną niesamowitą przewagę - działało.

Problemy

Świetny układ zapłonowy dający "pewną i silną" iskrę spowodował, że producenci silników zaczynali zwiększać stopnie sprężania silników, co spowodowało powstawanie spalania stukowego w silnikach. Objawiało się to metalicznymi stukami.

Jednak za winowajcę uznano Ketteringa i jego układ zapłonowy (przy wsparciu producentów innych rozwiązań).

Kettering wraz z pomocą Thomasa Midgleya poświęcił 7 lat na zbadanie tego zjawiska.

Proszę sobie wyobrazić w jaki sposób 100 lat temu, dysponując ówczesną techniką można było zbadać zjawiska zamknięte w cylindrze trwające ułamki sekund.

Nieoceniona była puszka po pomidorach, ale o tym za chwilę.

Kettering zbudował silnik jednocylindrowy ze specjalnym okienkiem kwarcowym w głowicy, oraz umieścił czujnik ciśnienia w komorze spalania. Zamocował obrotowo puszkę po pomidorach, na którą nawinął pas papieru, oraz ułożył ją w taki sposób, aby rysik połączony z czujnikiem ciśnienia mógł rysować po papierze. Obracając odpowiednio puszką można było zapisać ciśnienia panujące w cylindrze w zależności od kąta obrotu wału korbowego.

Po obserwacjach i analizach doszedł do wniosku, że w cylindrze pojawiał się wybuch mieszanki paliwa z powietrzem, jeszcze przed wystąpieniem iskry. Więc przyczyna nie leżała po stronie układu zapłonowego, lecz paliwa.

Początkowo założył, że winna może być barwa paliwa, dodał więc jodyny, która zabarwiła go na ciemno i ... stukanie ustało. Jodyna jednak była bardzo droga i powodowała korozję metali. Dodał zwykłego barwnika i stukot powrócił. Dodał ponownie jodyny (ale tym razem bezbarwnej) i stukot ustał. Doszedł więc do wniosku, że kolor nie ma znaczenia.

Ulepszył swój silnik doświadczalny umożliwiając mu również wygodną zmianę stopnia sprężania i zaczął szukać składnika, który ograniczyłby spalanie stukowe i byłby tani.

Ich wybór ostatecznie padł na czteroetylek ołowiu. Jest to znakomity środek przeciwstukowy, ołów ma również zdolności smarujące i tłumiące (np. osadza się na gładziach cylindrowych i gniazdach zaworowych), ale jest związkiem silnie toksycznym (w czasie II wojny światowej był uznawany za środek bojowy). Ołów odkłada się w kościach organizmów żywych powodując ołowicę.

Dodawanie czteroetylku ołowiu do paliwa samochodowego (etylina) jest w Polsce zakazane od 2005 roku. Używanie takiego paliwa w silnikach z katalizatorem powoduje całkowite zniszczenie katalizatora. Obecnie do benzyny dodaje się inne środki zapobiegające spalaniu stukowemu.

Używanie natomiast benzyny bezołowiowej do starych silników powoduje w pierwszej kolejności wypalenie gniazd zaworowych. Dostępne są jednak specyfiki zastępujące czteroetylek ołowiu dla tych silników

Kettering jako pierwszy zbadał wpływ paliwa na przebieg spalania i dzięki niemu narodziło się pojęcie liczby oktanowej paliwa (odporność paliwa na spalanie stukowe).

Kettering jest autorem ponad 300 patentów, posiadał on także niecodzienne zdolności - np. pisał obiema rękami jednocześnie, różny tekst i w różnych językach, od lewej do prawej lub od prawej do lewej pismem normalnym lub lustrzanym.