Разработка первого двигателя внутреннего сгорания длилась почти два века, пока автомобилисты смогут узнать . Все начиналось с газа, а не с бензина. В число людей, которые приложили свою руку к истории создания, являются - Отто, Бенц, Майбах, Форд и другие. Но, последние научные открытия перевернули весь автомир, поскольку отцом первого прототипа считался совсем не тот человек.
Леонардо и здесь руку приложил
До 2016 года основателем первого двигателя внутреннего сгорания считался Франсуа Исаак де Риваз. Но, историческая находка, сделанная английскими учеными, перевернула весь мир. При раскопках вблизи одного из французских монастырей, были найдены чертежи, которые принадлежали Леонардо да Винчи. Среди них был чертеж двигателя внутреннего сгорания.
Конечно, если смотреть на первые двигатели, которые создавали Отто и Даймлер, то можно найти конструктивные сходства, а вот с современными силовыми агрегатами их уже нет.
Легендарный да Винчи опередил свое время почти на 500 лет, но поскольку был скован технологиями своего времени, а также финансовыми возможностями, так и не смог сконструировать мотор.
Детально исследовав чертеж, современные историки, инженеры и автоконструкторы с мировым именем, пришли к выводу, что данный силовой агрегат мог работать и довольно продуктивно. Так, компания Форд занялась разработкой прототипа двигателя внутреннего сгорания, основываясь на чертежах да Винчи. Но, эксперимент удался только наполовину. Двигатель завести не удалось.
Но, некоторые современные доработки позволили, все-таки дать жизнь силовому агрегату. Он так и остался экспериментальным прототипом, но кое-что компания Форд, все-таки почерпнула для себя - это размер камер сгорания для легковых автомобилей В-класса, который составляет 83,7 мм. Как оказалось - это идеальный размер для сгорания воздушно-топливной смеси для такого класса моторов.
Инженерия и теория
Согласно историческим фактам, в XVII веке голландский ученый и физик Кристиан Хагенс разработал первый теоретический двигатель внутреннего сгорания на пороховой основе. Но, как и Леонардо был скован технологиями своего времени и воплотить свою мечту в реальность так и не смог.
Франция. 19 век. Начинается эпоха массовых механизаций и индустриализаций. В это время, как раз и можно создать, что-то невероятное. Первый, кто сумел собрать двигатель внутреннего сгорания, был француз Нисефор Ньепс, который он назвал - Пирэолофор. Он работал с братом Клодом, и они вместе до создания ДВС презентовали несколько механизмов, которые не нашли своих заказчиков.
В 1806 году в национальной французской академии прошла презентация первого мотора. Он работал на угольной пыли и имел ряд конструктивных недоработок. Несмотря на все недостатки, мотор получил положительные отзывы и рекомендации. Вследствие этого братья Ньепсе получили финансовую помощь и инвестора.
Первый двигатель продолжал развиваться. Более совершенный прототип был установлен на лодки и небольшие корабли. Но, Клоду и Нисефору этого было не достаточно, они хотели удивить весь мир, поэтому изучали разные точные науки, чтобы совершенствовать свой силовой агрегат.
Так, их старания увенчались успехами, и в 1815 году Нисефор находит труды химика Лавуазье, который пишет, что «летучие масла», которые являются частью нефтепродуктов, при взаимодействии с воздухов могут взрываться.
1817 год. Клод едет в Англию, с целью получения нового патента на двигатель, так как во Франции срок действия подходил к концу. На этом этапе братья расстаются. Клод начинает работать над мотором самостоятельно, не уведомив об этом брата, и требует с него денег.
Разработки Клода нашли подтверждение только в теории. Изобретенный двигатель не нашел широкого производства, поэтому стал частью инженерной истории Франции, а Ньепса увековечили памятником.
Сын известного физика и изобретатель Сади Карно издал трактат, который сделал его легендой автомобилестроительной индустрии и делает его знаменитым на весь мир. Работа насчитывала 200 экземпляров и называлась «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» изданная в 1824 году. Именно с этого момента начинается история термодинамики.
1858 год. Бельгийский ученый и инженер Жан Жосефа Этьен Ленуара собирает . Отличительными элементами было то, что он имел карбюратор и первую систему зажигания. Топливом служил каменноугольный газ. Но, первый прототип работал всего несколько секунд, а потом навсегда вышел со строя.
Случилось это потому, что мотор не имел систем смазки и охлаждения. При этой неудачи Ленуар не сдался и продолжил работу над прототипом и уже в 1863 году мотор, установленный на 3-х колесный прототип автомобиля, проехал исторические первые 50 миль.
Все эти разработки положили начало эре автомобилестроения. Первые двигатели внутреннего сгорания продолжали разрабатываться, и их создатели увековечили свои имена в истории. Среди таких были - австрийский инженер Зигфрид Маркус, Джордж Брайтон и другие.
Руль принимают легендарные немцы
В 1876 году эстафету начинают принимать немецкие разработчики, чьи имена в наши дни гремят громко. Первый, кого следует отметить, стал Николас Отто и его легендарный «цикл Отто». Он первый разработал и сконструировал прототип двигатель на 4-х цилиндрах. После этого уже в 1877 году он патентует новый двигатель, который лежит в основе большинства современных моторов и самолетов начала 20 века.
Еще одно имя в истории автомобилестроения, которое многие знают и сегодня - Готлиб Даймлер. Он со своим другом и братом по инженерии Вильгельмом Майбахом разработали мотор на газовой основе.
1886 год стал переломным, поскольку именно Даймлер и Майбах создали первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Силовой агрегат получил название «Reitwagen». Этот движок ранее устанавливался на двухколесные транспортные средства. Майбах разработал первый карбюратор с жиклерами, который также эксплуатировался достаточно долго.
Для создания работоспособного двигателя внутреннего сгорания великим инженерам пришлось объединить свои силы и умы. Так, группа ученых, в которую вошли Даймлер, Майбах и Отто начали собирать моторы по две штуки в день, что на тот момент было большой скоростью. Но, как и всегда бывает, позиции ученых в совершенствовании силовых агрегатов разошлись и Даймлер уходит с команды, чтобы основать свою компанию. Вследствие этих событий Майбах следует своему другу.
1889 год Даймлер основывает первую автомобилестроительную фирму «Daimler Motoren Gesellschaft». В 1901 году Майбах собирает первый Мерседес, который положил начало легендарному немецкому бренду.
Еще одним не менее легендарным немецким изобретателем становится Карл Бенц. Его первый прототип двигателя мир увидел в 1886 году. Но, до момента создания первого своего мотора, он успел основать фирму «Benz & Company». Дальнейшая история просто потрясающая. Впечатленный разработками Даймлера и Майбаха, Бенц решил слить все компании воедино.
Так, сначала «Benz & Company» сливается с «Daimler Motoren Gesellschaft», и становиться «Daimler- Benz». Впоследствии соединение коснулось и Майбаха и компания стала называться «Mersedes- Benz».
Еще одно знаменательное событие в автомобилестроение случилось в 1889 году, когда Даймлер предложил разработку V-образного силового агрегата. Его идею подхватил Майбах и Бенц, и уже в 1902 году V-образные двигатели начали выпускаться на самолеты, а позже на автомобили.
Отец основатель автоиндустрии
Но, как не крути, самый большой взнос в развитие автомобилестроения и автодвигательных разработок внес американский конструктор, инженер и просто легенда - Генри Форд. Его лозунг: «Автомобиль для всех» нашел признание у простых людей, что и привлекло их. Основав в 1903 году компанию «Форд», он не только принялся за разработку нового поколения Форд А, но и дал новые рабочие места простых инженерам и людям.
В 1903 году против Форда выступил Селден, который утверждал, что первый использует его разработку двигателя. Судебный процесс длился целых 8 лет, но при этом, ни один из участников, так и не смог выиграть процесс, поскольку суд решил, что права Селдена не нарушены, а Форд использует свой тип и конструкцию мотора.
В 1917 году, когда США вступила в первую мировую войну, компания Форд начинает разработку первого тяжелого двигателя для грузовых автомобилей с повышенной мощностью. Так, к концу 1917 года Генри представляет первых бензиновый 4-х тактный 8-ми цилиндровый силовой агрегат Форд М, который начала устанавливаться на грузовые автомобили, а в последствие и во время 2-й мировой на некоторые грузовые самолеты.
Когда другие автомобилестроители переживали не самые лучшие времена, то компания Генри Форда процветала и имела возможность разрабатывать все новые варианты двигателей, которые нашли применение среди широкого автомобильного ряда автомобилей Форд.
Вывод
По сути, первый двигатель внутреннего сгорания изобрел Леонардо да Винчи, но это было только в теории, поскольку он был скован технологиями своего времени. А вот первый прототип поставил на ноги голландец Кристиан Хагенс. Потом были разработки французских братьев Ньепс.
Но, все же массовой популярности и разработки двигатели внутреннего сгорания получили с разработками таких великих немецких инженеров, как Отто, Даймлер и Майбах. Отдельно стоит отметить заслуги в разработках моторов отца основателя автоиндустрии - Генри Форда.
Двигатель - одно из основных составляющих автомобиля. Без изобретения двигателя автомобилестроение, скорее всего, остановилось в развитии сразу же после изобретения колеса. Рывок в истории создания автомобилей, произошел благодаря изобретению двигателя внутреннего сгорания. Это устройство стало реальной движущей силой, дающей скорость.
Попытки создать устройство, подобное двигателю внутреннего сгорания, начались с 18 века. Созданием устройства, которое могло бы преобразовывать энергию топлива в механическую, занимались многие изобретатели.
Первыми в этой области были братья Ньепс из Франции. Они придумали прибор, который сами назвали «пирэолофор». В качестве топлива для данного двигателя должна была использоваться угольная пыль. Однако, данное изобретение так и не получило научного признания, и существовала, по сути, только в чертежах.
Первым успешным двигателем, который начал продаваться, был двигатель внутреннего сгорания бельгийского инженера Ж.Ж. Этьена Ленуара. Год рождения этого изобретения - 1858. Это был двухтактовый электрический двигатель с карбюратором и искровым зажиганием. Топливом для устройства служил каменноугольный газ. Однако изобретатель не учел потребность в смазке и охлаждении своего двигателя, поэтому он работал очень недолго. В 1863 году Ленуар переделал свой двигатель - добавил недостающие системы и в качестве топлива ввел в использование керосин.
Ж.Ж.Этьен Ленуар
Устройство было крайне несовершенным - сильно нагревался, неэффективно использовал смазку и топливо. Однако с помощью него ездили трехколесные автомобили, которые так же были далеки от совершенства.
В 1864 году был изобретен одноцилиндровый карбюраторный двигатель, работающий от сгорания нефтепродуктов. Автором изобретения стал Зигфрид Маркус, он же представил общественности транспортное средство, развивающее скорость 10 миль в час.
В 1873 году еще один инженер - Джордж Брайтон - смог сконструировать 2-х цилиндровый двигатель. Изначально он работал на керосине, а позже на бензине. Недостатком этого двигателя была излишняя массивность.
В 1876 году произошел рывок в индустрии создания двигателей внутреннего сгорания. Николас Отто впервые создал технически сложное устройство, которое эффективно преобразовывало энергию топлива в механическую энергию.
Николас Отто
В 1883 году француз Эдуард Деламар разрабатывает чертеж двигателя, топливом для которого служит газ. Однако его изобретение существовало только на бумаге.
1185 году в истории автомобилестроения появляется громкое имя - . Он смог не только изобрести, но и запустить в производство прототип современного газового двигателя - с вертикально расположенными цилиндрами и карбюратором. Это был первый компактный двигатель, который к тому же способствовал развитию приличной скорости перемещения.
Параллельно с Даймлером над созданием двигателей и автомобилей работал .
В 1903 году предприятия Даймлера и Бенца объединились, дав начало полноценному предприятию автомобилестроения. Так началась новая эра, послужившая дальнейшему совершенствованию двигателя внутреннего сгорания.
Как ни пытались инженеры XVIII- XIX вв. повысить КПД парового двигателя , он все равно оставался слишком низким. Двигатель , выпускающий пар в окружающую среду, в принципе не мог иметь КПД больше 8-10 % (например, у паровой машины Уатта он составлял всего 3-4 %). И хотя впоследствии были созданы более мощные паровые установки, с успехом применяемые в промышленности, на железнодорожном и водном транспорте, их невозможно было использовать для автомобилей .
Рекордсмены наших дней
Самым мощным современным двигателем внутреннего сгорания считается Wartsila-Sulzer RTA96-C. Он имеет размеры 27 на 17 м и развивает мощность около 109 тыс. л. с. Работает этот агрегат на мазуте и используется в судостроении. На звание самого мощного автомобильного мотора претендует двигатель, установленный на американском суперкаре Vector WX-8. Его мощность 1200 л. с. (хотя в печати встречается цифра 1850 л. с).
Низкий выход мощности паровых двигателей объясняется ступенчатостью процесса: нагретая при сгорании топлива вода превращается в пар, энергия которого преобразуется в механическую работу. Поэтому паровые машины относят к двигателям внешнего сгорания. А что произойдет, если использовать непосредственно внутреннюю энергию топлива?
Первым, кто начал опыты с двигателем внутреннего сгорания, был голландский физик XVII в. Христиан Гюйгенс . Среди его многочисленных открытий и изобретений так и не осуществленный проект двигателя, работающего на дымном порохе, совершенно затерялся. В 1688 г. француз Дени Папен использовал идеи Гюйгенса и сконструировал устройство в виде цилиндра, в котором свободно перемещался поршень. Поршень был связан перекинутым через блок тросом с грузом, который также поднимался и опускался вслед за поршнем. В нижнюю часть цилиндра насыпали порох и затем поджигали. Образовавшиеся газы, расширяясь, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали водой, газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и атмосферного давления опускался, поднимая при этом груз. К сожалению, для практических целей подобный двигатель не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы, да и в использовании он был довольно опасен.
В результате Папен отказался от своей затеи и занялся паровыми машинами, а следующую более или менее успешную попытку сконструировать двигатель внутреннего сгорания предпринял спустя 18 лет француз Жозе Нисефор Ньепс, прославившийся как изобретатель фотографии. Вместе с братом Клодом Ньепс изобрел лодочный двигатель, использующий в качестве горючего угольную пыль. Названный изобретателями «пирэолофор» (в переводе с греческого «несомый огненным ветром»), двигатель был запатентован, однако внедрить его в производство не удалось.
Спустя год швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз получил во Франции патент на экипаж, приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания. Двигатель представлял собой цилиндр, в котором поджигался водород, получаемый при помощи электролиза. При взрыве и расширении газа поршень перемещался вверх, а при движении вниз приводил в действие ременной шкив. Война де Риваз был офицером наполеоновской армии помешала закончить работу над изобретением, которое в дальнейшем дало жизнь целому семейству водородных двигателей.
Несколькими годами раньше французский инженер Филипп Лебон подошел очень близко к созданию довольно эффективного двигателя внутреннего сгорания, работающего на светильном газе смеси горючих газов, главным образом метана и водорода, получаемой при термической переработке угля.
Неизвестный художник. Портрет Дени Папена. 1689 г.
Американские автомобили 1930-х гг.
Еще в 1799 г. Лебон получил патент на способ получения светильного газа посредством сухой перегонки древесины, а через несколько лет разработал проект двигателя, в котором были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, другой сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, т. е. попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. В 1804 г. изобретатель погиб, так и не успев воплотить свою идею в жизнь.
В последующие годы от мысли Лебона отталкивались многие изобретатели, некоторые даже получили на свои двигатели патенты например, англичане Браун и Райт, использовавшие в качестве топлива смесь воздуха со светильным газом. Двигатели эти были довольно громоздкими и опасными в эксплуатации. Фундамент для создания легкого и компактного двигателя был заложен лишь в 1841 г. итальянцем Луиджи Кристо-форисом, который построил двигатель, работающий на принципе «сжатие-воспламенение». Такой двигатель имел насос, подававший в качестве топлива воспламеняемую жидкость керосин. Его соотечественники Барзанти и Матточчи развили эту идею и в 1854 г. представили первый настоящий двигатель внутреннего сгорания. Он работал на смеси воздуха со светильным газом и имел водяное охлаждение. С 1858 г. его начала выпускать малыми партиями швейцарская компания «Эшер-Висс».
Одновременно бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар, отталкиваясь от разработок Лебона, после нескольких неудачных попыток создал свою модель двигателя. Очень важным новшеством стала идея воспламенения топливовоздушной смеси с помощью электрической искры. Ленуар также предложил систему водяного охлаждения и систему смазки для лучшего хода поршня. КПД этого двигателя не превышал 5 %, он неэффективно расходовал топливо и слишком сильно нагревался, но это был первый коммерчески успешный проект двигателя внутреннего сгорания для нужд промышленности. В 1863 г. его пытались установить на автомобиль, но мощности 1,5 л. с. было недостаточно для передвижения. Получив изрядный доход от выпуска своего двигателя, Ле-нуар перестал работать над его усовершенствованием, и скоро он был вытеснен с рынка более удачными моделями.
Двигатель внутреннего сгорания Ж. Э. Ленуара.
В 1862 г. французский изобретатель Альфонс Бо де Роша запатентовал принципиально новое устройство первый в мире двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершался за два оборота коленчатого вала, т. е. за четыре хода (такта) поршня. Однако до коммерческого производства четырехтактного двигателя дело так и не дошло. На Парижской всемирной выставке 1867 г. представители завода газовых двигателей Deutz, основанного инженером Николасом Отто и промышленником Эженом Лан-геном, продемонстрировали двигатель, сконструированный с использованием принципа Барзанти Матточчи. Этот агрегат создавал меньше вибраций, был легче и поэтому скоро вытеснил двигатель Ленуара.
Цилиндр нового двигателя был вертикальным, вращаемый вал помещался над ним сбоку. Вдоль оси поршня к нему крепилась рейка, связанная с валом. Вал приподнимал поршень, под ним образовывалось разрежение и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через трубку (Отто и Ланген не были специалистами в области электротехники и отказались от электрического зажигания). При взрыве давление под поршнем возрастало, поршень поднимался, объем газа увеличивался, и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним вновь не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой, КПД этого двигателя достигал 15 %, т. е. превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
А. Впуск рабочей смеси. Поршень (4) перемещается вниз; через впускной клапан (1) в цилиндр поступает горючая смесь. Б. Сжатие. Поршень (4) перемещается вверх; впускной (1) и выпускной (3) клапаны закрыты; давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышаются. 6. Рабочий ход (горение и расширение). В результате искрового разряда свечи зажигания (2) происходит быстрое сгорание смеси в цилиндре; давление газов при сгорании воздействует на поршень (4); движение поршня передается через поршневой палец (5) и шатун (6) на коленчатый вал (7), заставляя вал вращаться. Г. Выпуск газов. Поршень (4) движется вверх; выпускной клапан (3) открыт; отработавшие газы из цилиндра поступают в выпускной трубопровод и дальше в атмосферу.
Отто в отличие от Ленуара на достигнутом не остановился и упорно развивал успех, продолжая работать над своим изобретением. В 1877 г. ему был выдан патент на четырехтактный двигатель с искровым воспламенением. Этот четырехтактный цикл и в настоящее время используется в основе работы большинства бензиновых и газовых двигателей. Уже через год новинка была запущена в производство, однако при этом разразился скандал. Обнаружилось, что Отто нарушил авторские права Бо де Роша, и после судебного разбирательства монопольное право Отто на четырехтактный двигатель было аннулировано.
Использование в качестве топлива светильного газа сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Газовых заводов было немного даже в Европе, а в России и вовсе только два в Москве и Петербурге. Еще в 1872 г. американец Брайтон, как ранее Кристофорис, пытался использовать в качестве топлива керосин, но затем перешел к более легкому нефтепродукту бензину.
В 1883 г. появился бензиновый двигатель с зажиганием от открытой в цилиндр раскаленной полой трубки, изобретенный немецкими инженерами Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, бывшими сотрудниками фирмы Отто. Однако двигатель на жидком топливе не мог конкурировать с газовым, пока не было создано устройство для испарения бензина и получения горючей смеси с воздухом. Карбюратор с жиклером, прообраз всех современных карбюраторов, был изобретен венгерским инженером Донатом Банки, который в 1893 г. получил на свое устройство патент. Банки предложил, вместо того чтобы испарять бензин, мелко распылять его в воздухе. Этим обеспечивалось равномерное распределение бензина по цилиндру, а испарение происходило под действием тепла сжатия уже в цилиндре.
Изначально двигатели внутреннего сгорания имели только один цилиндр, и для увеличения мощности двигателя приходилось увеличивать его объем. Однако это не могло продолжаться бесконечно, и в результате пришлось прибегнуть к увеличению числа цилиндров. В конце XIX в. появились первые двухцилиндровые двигатели, с начала XX столетия стали распространяться четырехцилиндровые, а сейчас никого не удивишь и двенадцатицилиндровым. Усовершенствование двигателей идет в основном в сторону усиления мощности, однако принципиальная схема остается прежней.
Двухцилиндровый двигатель Г. Даймлера, вид в двух проекциях.
Когда Рудольф Дизель больше века назад разрабатывал двигатель собственной конструкции, он и представить не мог, что дизельные двигатели могут быть столь чувствительны к качеству топлива. Ведь преимущество своего мотора Дизель видел именно в том, что он может работать на чем угодно, от угольной пыли до переработанного кукурузного жмыха. Современные турбодизели со впрыском топлива требуют только хорошо очищенного дизельного топлива с низким содержанием серы. Именно поэтому многие зарубежные автопроизводители не решались до недавнего момента продавать свои дизельные модели в России.
Р. Дизель.
Двигатель Р. Дизеля.
История создания двигателей внутреннего сгорания газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Однако светильный газ годился не только для освещения.
В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой – сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь свое изобретение.
В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому инженеру Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришел к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи.
Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машиВ 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило ее судьбу- она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто.
В 1864 году тот получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».
На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разряженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объем газа увеличивался и давление падало. При подъеме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и поПоскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырехтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.
Четырехтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто. Но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Рошем. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счел их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырехтактный цикл.
Хотя конкуренты наладили выпуск четырехтактных двигателей, отработанная многолетним производством модель Отто все равно была лучшей, и спрос на нее не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два- в Москве и Петербурге.
Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жиБрайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых «испарительных» карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.
Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Изобретателем его был немецкий инженер Юлиус Даймлер. Много лет он работал в фирме Отто и был членом ее правления. В начале 80-х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто отнесся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение- 1882 году они ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и начали работать над своим проектом.
Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из легких: они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень легким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счет увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскаленной полой трубочки, открытой в цилиндр.
Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки.
Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях заставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году взял патент на карбюратор с жиклером, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлаПервые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объем цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров.
В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX столетия стали распространяться четырехцилиндровые.
Главное устройство любого транспортного средства, в том числе назем-ного, является силовая установка — двигатель, преобразующий различные разновидности энергии в механическую работу.
В ходе исторического развития транспортных двигателей меха-ническая работа движения осуществлялась за счет применения:
1) мускульной силы человека и животных;
2) силы ветра и потоков воды;
3) тепловой энергии пара и различных видов газообразного, жидкого и твердого топлива;
4) электрической и химической энергии;
5) солнечной и ядерной энергии.
Записи о попытках построить самоходные средства перед-вижения были уже в XV — XVI вв. Правда, силовыми установками этих «средств передвижения» была мускульная сила человека. Одной из первых достаточно хорошо известной самоходной установкой с «мускуль-ным двигателем» является коляска с ручным приводом безногого часовщика из Нюрнберга Стефана Фарфлера, которую он соорудил в 1655 г.
Наибольшую известность в России получила «самобеглая коляска», построенная в Петербурге крестьянином Л. Л. Шамшуренковым в 1752 г.
Эта коляска, вполне вместительная для пере-возки нескольких человек, приводилась в движение мускульной силой двух человек. Первый педальный металлический велосипед, близкий по конструкции к современным, был изготовлен крепостным крестьянином Верхотрусского уезда Пермской губернии Артамоно-вым на рубеже XVIII и XIX вв.
Древнейшими силовыми установками, правда, не транспортны-ми, являются гидравлические двигатели — водяные колеса, приво-дящиеся в движение потоком (весом) падающей воды, а также ветряные двигатели. Сила ветров с древних времен использовалась для движения парусных судов, а значительно позднее и роторных. Использование ветра в роторных судах осуществлялось с помощью вертикальных вращающихся колонн, заменивших паруса.
Появление в XVII в. водяных двигателей, а позднее и паровых сыграло важную роль в зарождении и развитии мануфактурного производства, а затем и промышленной революции. .Однако боль-шие надежды изобретателей самоходных экипажей по применению первых паровых двигателей для транспортных средств не оправда-лись. Первый паровой самоход грузоподъемностью 2,5 т, построен-ный в 1769 г. французским инженером Жозефом Каньо, получился очень громоздким, тихоходным и требующим обязательных оста-новок через каждые 15 минут движения.
Только в конце XIX в. во Франции были созданы весьма удач-ные образцы самоходных экипажей с паровыми двигателями. Начи-ная с 1873 г. французский конструктор Адеме Боле построил неско-лько удачных паровых двигателей. В 1882 г. появились паровые автомобили Дион-Бутона,
а в 1887 — автомобили Леона Серполе, которого называли «апостолом пара». Созданный Серполе котел с плоскими трубками представлял весьма совершенный парогенера-тор с почти мгновенным испарением воды.
Паровые автомобили Серполе конкурировали с бензиновыми автомобилями на многих гонках и скоростных состязаниях вплоть до 1907 г. Вместе с тем совершенствование паровых двигателей в качестве транспортных двигателей продолжается и сегодня в направлении снижения их массогабаритных показателей и повышения коэффициента полез-ного действия.
Совершенствование паровых машин и развитие двигателей внут-реннего сгорания во второй половине XIX в. сопровождалось по-пытками ряда изобретателей использовать электрическую энергию для транспортных двигателей. Накануне третьего тысячелетия Рос-сия отметила столетие со дня использования городского наземного электрического транспорта — трамвая. Немногим более ста лет назад, в 80-е годы XIX в., появились и первые электрические авто-мобили. Их появление связано с созданием в 1860-е годы свинцовых аккумуляторов. Однако слишком большая удельная масса и недо-статочная емкость не позволили электромобилям принять участие в конкуренции с паровыми машинами и газобензиновыми двига-телями. Электромобили с более легкими и энергоемкими серебряно-цинковыми аккумуляторами также не нашли широкого применения. В России талантливый конструктор И. В. Романов создал в конце XIX в. несколько типов электромобилей с достаточно легкими аккумуляторами.
Электромобили имеют достаточно высокие пре-имущества. Прежде всего они экологически чистые, так как вообще не имеют выхлопных газов, обладают очень хорошей тя-говой характеристикой и большими ускорениями за счет возраста-ющего крутящего момента при снижении числа оборотов; исполь-зуют дешевую электроэнергию, просты в управлений, надежны в эксплуатации» и т. д. Сегодня электромобили и троллейбусы имеют серьезные перспективы их развития и применения на го-родском и пригородном транспорте в связи с необходимостью коренного решения проблем по снижению загрязнения окружающей среды.
Попытки создания поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце XVIII в. Так, в 1799 г. англичанин Д. Барбер предложил двигатель, работавший на смеси воздуха с газом, полученным путем перегонки древесины. Другой изобрета-тель газового двигателя Этьен Ленуар использовал в качестве топ-лива светильный газ.
Еще в 1801 г. француз Филипп де Бонне предложил проект газового двигателя, в котором воздух и газ сжимались самостоятельными насосами, подавались в смеситель-ную камеру и оттуда в цилиндр двигателя, где смесь воспламеня-лась от электрической искры. Появление этого проекта считается датой рождения идеи электрического воспламенения топливовоз-душной смеси.
Первый стационарный двигатель нового типа, работающий по четырехтактному циклу с предварительным сжатием смеси, был спроектирован и построен в 1862 г. кельнским механиком Н. Отто.
Практически все современные бензиновые и газовые двигатели до настоящего времени работают по циклу Отто (цикл с подводом теплоты при постоянном объеме).
Практическое применение двигателей внутреннего сгорания для транспортных экипажей началось в 70 — 80 гг. XIX в. на основе использования в качестве топлива газовых и бензовоздушных сме-сей и предварительного сжатия в цилиндрах. Официально изобрета-телями транспортных двигателей, работающих на жидких фракциях перегонки нефти, признаны три немецких конструктора: Готлиб Даймлер, построивший по патенту от 29 августа 1885 г. мотоцикл с бензиновым двигателем;
Карл Бенц, построивший по патенту от 25 марта 1886 г. трехколесный экипаж с бензиновым двигателем;
Рудольф Дизель, получивший в 1892 г. патент на двигатель с само-воспламенением смеси воздуха с жидким топливом за счет теплоты, выделяющейся при сжатии.
Здесь следует отметить, что первые двигатели внутреннего сго-рания, работающие на легких фракциях перегонки нефти, были созданы в России. Так, в 1879 г. русским моряком И. С. Костовичем был спроектирован ив 1885 г. успешно прошел испытания 8-цилин-дровый бензиновый двигатель малой массы и большой мощности. Этот двигатель предназначался для воздухоплавательных аппара-тов.
В 1899 г. в Петербурге создан первый в мире экономичный и работоспособный двигатель с воспламенением от сжатия. Проте-кание рабочего цикла в этом двигателе отличалось от двигателя, предложенного немецким инженером Р. Дизелем, который пред-полагал осуществить цикл Карно со сгоранием по изотерме. В Рос-сии в течение короткого времени была усовершенствована конст-рукция нового двигателя — бескомпрессорного дизеля, и уже в 1901 г. в России были построены бескомпрессорные дизели конструкции Г. В. Тринклера, а конструкции Я. В. Мамина — в 1910 г.
Русский конструктор Е. А. Яковлев спроектировал и построил моторный экипаж с керосиновым двигателем.
Успешно работали над созданием экипажей и двигателей русские изобретатели и конст-рукторы: Ф. А. Блинов, Хайданов, Гурьев, Махчанский и многие Другие.
Основными критериями при конструировании и производстве двигателей вплоть до 70-х годов XX в. оставалось стремле-ние к повышению литровой мощности, а следовательно, и к полу-чению наиболее компактного двигателя. После нефтяного кри-зиса 70 — 80 гг. основным требованием стало получение макси-мальной экономичности. Последние 10 — 15 лет XX в. главными критериями для любого двигателя стали постоянно растущие требования и нормы по экологической чистоте двигателей и преж-де всего по коренному снижению токсичности отработавших газов при обеспечении хорошей экономичности и высокой мощ-ности.
Карбюраторные двигатели, долгие годы не имевшие конкурен-тов по компактности и литровой мощности, не отвечают сегодня экологическим требованиям. Даже карбюраторы с электронным управлением не могут обеспечить выполнение современных требо-ваний по токсичности отработавших газов на большинстве рабочих режимов двигателя. Эти требования и жесткие условия конкуренции на мировом рынке достаточно быстро изменили типаж силовых установок для транспортных средств и прежде всего для легкового транспорта. Сегодня различные системы впрыска топлива с различ-ными системами управления, включая электронные, практически полностью вытеснили использование карбюраторов на двигателях легковых автомобилей.
Коренная перестройка двигателестроения крупнейшими автомо-бильными компаниями мира в последнее десятилетие XX в. совпала с третьим периодом торможения российского двигателестроения. Из-за кризисных явлений в экономике страны отечественная про-мышленность не смогла обеспечить своевременный перевод двига-телестроения на выпуск новых типов двигателей. Вместе с тем Россия имеет хороший научно-исследовательский задел по созда-нию перспективных двигателей и квалифицированные кадры специ-алистов, способных достаточно быстро реализовать имеющийся научный и конструкторский задел в производстве. За последние 8 — 10 лет разработаны и изготовлены принципиально новые опыт-ные образцы двигателей с регулируемым рабочим объемом, а также с регулируемой степенью сжатия. В 1995 г. разработана и внедрена на Заволжском моторном заводе и на Нижне-Новгородском авто-заводе микропроцессорная система управлением топливоподачей и зажиганием, обеспечивающая выполнение экологических норм ЕВРО-1. Разработаны и изготовлены образцы двигателей с микро-процессорной системой управления топливоподачей и нейтрализа-торами, удовлетворяющие экологические требования ЕВРО-2. В этот период учеными и специалистами НАМИ разработаны и созданы: перспективный турбокомпаундный дизель, серия дизель-ных и бензиновых экологически чистых двигателей традиционной компоновки, двигатели, работающие на водородном топливе, пла-вающие транспортные средства высокой проходимости с щадящим воздействием на грунт и т. п.
Современные наземные виды транспорта обязаны своим раз-витием главным образом применению в качестве силовых устано-вок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршне-вые ДВС до настоящего времени являются основным видом сило-вых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и стро-ительных машинах. Эта тенденция сохраняется сегодня и будет еще сохраняться в ближайшей перспективе. Основные конкуренты по-ршневых двигателей — газотурбинные и электрические, солнечные и реактивные силовые установки — пока еще не вышли из этапа создания экспериментальных образцов и небольших опытных пар-тий, хотя работы по их доводке и совершенствованию в качестве автотракторных двигателей продолжаются во многих компаниях и фирмах всего мира.
