Брат средневековой пушки: начало истории автомобильных двигателей

В рамках специального проекта мы рассказываем историю автомобильных двигателей. Первая часть - это экскурс в историю двигателестроения. В следующих статьях мы поговорим о том, как появились современные двигатели, что такое гоночные агрегаты и какими будут двигатели будущего."

Но современный автомобильный двигатель - это одна из самых ярких иллюстраций технического прогресса последних столетий, конкуренции удачных решений с оригинальными с учетом меняющегося мира и его требований. И вообще, как говорится, «во-первых, просто красиво!» В этой серии статей мы постараемся убедить вас, что это творение техники поистине прекрасно в своем совершенстве, а история автомобильных двигателей захватывающая и многогранная. 

Мушкеты, скороварки и лампы 

Многие удивятся, но одним из первых прототипов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) когда-то была ... средневековая пушка. Ну или мушкет какой-нибудь, если хотите. В конце концов, что такое двигатель внутреннего сгорания по определению? Это своего рода устройство, внутри которого происходит определенное действие, преобразовывающее часть энергии в механическую работу. Собственно, этот ДВС отличается, например, от паровой машины (всем известного паровоза).Ведь там «снаружи» образуется пар, который подается к поршням, заставляя их двигаться. То есть такую ​​силовую установку можно назвать ДВС.И главный недостаток такой схемы - огромные потери энергии.

EAST NEWS

А в стрелковом оружии порох взрывается, выделяется энергия, сила расширяющихся газов выталкивает «поршень», которым является ядро ​​или пуля.И именно на порохе голландский физик Кристиан Гюйгенс (очень известный персонаж в истории науки) и французский изобретатель Дени Папен пытались создать свой двигатель.Эта попытка была предпринята еще в 1690 году.На практике обеспечить стабильную и безопасную работу такого двигателя не удалось: слишком опасен порох.Но позже Папен на основе этого изобретения сделал значительный шаг вперед - как раз в сторону паровой машины.И, кстати, скороварки - этот кухонный инструмент он оставил человечеству.

Но что использовать в качестве безопасного и стабильного топлива - этот вопрос стоял перед учеными, инженерами и изобретателями несколько столетий. 

Использование газа (например, угля) было довольно популярной идеей. Первый газопоршневой двигатель был предложен в 1799 году британцем Джоном Барбером. Двигатель Филиппа Ле Бона, первый из запатентованных (1801 г.), работал на ламповом газе. Что, кстати, неудивительно, ведь Ле Бон считается изобретателем газового освещения. Но на практике француз не успел реализовать свой патент на двигатель - он скончался. 

Другая отрасль изобретений была основана на использовании угольной пыли в качестве топлива.Именно на ней работал Пиреолофор - лодочный двигатель братьев Ньепс, Джозефа Нисифора и Клода Феликса.В 1806 году им лично Наполеон Бонапарт выдал им десятилетний патент.Но конструкция этого механизма была, скорее, прототипом водометного или даже реактивного двигателя.Но именно братья Ньепсе стали одними из первых, кто задумал заменить угольную пыль маслом и оснастить двигатель самым простым, но впрыском топлива - он стал прародителем современных систем впрыска. 

VostockphotoPyreolophore — лодочный двигатель братьев Ньепс

В 1807 году Исаак де Ривас предложил идею водородного двигателя с современным электрическим зажиганием: тогда разработки Алессандро Вольта в области электричества и гальваники были как раз на пике инноваций.Конечно, это не имело ничего общего с современными водородными топливными элементами: водород был просто еще одной попыткой найти наиболее подходящее топливо.Хотя многие считают четырехколесный вагон с этим двигателем де Риваза первым автомобилем с двигателем внутреннего сгорания, это была всего лишь идея.Вторая итерация этой машины могла нести груз (около 300 кг камней) и четырех человек на целых 26 м со скоростью аж 3 км / ч, но в этом двигателе почти все - от подачи топлива до очистка цилиндра от выхлопных газов, и само воспламенение рабочих смесей - оператору приходилось делать вручную.Те самые 26 м были пройдены примерно за пять «рабочих циклов», предоставленных человеком.

VostockphotoЧетырёхколёсная повозка с двигателем де Риваза

Эпоха первых патентов

Поиски продолжались более полувека.За это время британец Сэмюэл Браун представил миру (1825 г.) идею водяного охлаждения цилиндра, но в этом цилиндре работал тот же водород.В 1826 году в Америке Самуэль Мори получил патент на двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива использовались спирт и скипидар.Америка, кстати, за эти годы сделала большой прорыв в этой сфере.Чуть позже изобретатель Чарльз Дьюри впервые в Новом Свете использовал в качестве топлива бензин (который тогда еще не назывался бензином), а в 1833 году появился двигатель Райта.Нет, не тот, что «один из братьев Райт» - до их авиационных экспериментов оставалось еще более 60 лет.Лемюэль Веллман Райт запатентовал двигатель, работавший на газе, но уже с двухтактным циклом, и имел систему водяного охлаждения.

Интересным шагом стали двигатели британца Уильяма Барретта.Это были двигатели - в 1838 году он запатентовал сразу три.Они были двухтактными (а в одном даже использовалась схема газообмена, которая практически сохранилась до наших дней), но принципиальным моментом здесь было то, что смесь не просто подавалась в камеру сгорания - она ​​там сжималась перед зажиганием.До этого практически во всех конструкциях топливовоздушная смесь просто выгорала и расширялась.Его предварительное сжатие позволило значительно увеличить как мощность, так и КПД (КПД).

К 1863 году был построен рабочий прототип двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания итальянцев Эухенио Барзанти и Феличе Маттеуччи, запатентованный пятью годами ранее.Он был двухцилиндровым, развивал мощность 5 л.из.и имел очень хороший КПД по тем временам.Именно итальянские изобретатели смогли стать первопроходцами в создании действительно коммерчески успешного двигателя - заказы стали поступать очень активно.Но не судьба.В ходе налаживания выпуска своего детища на заводе в Бельгии Барзанти заболел тифом и умер, и в одиночку Маттеуччи не смог вытащить проект.Хотя позже он ворчал, что сам двигатель Николая Августа Отто (на самом деле, откуда и произошло название «цикл Отто») на самом деле является копией их разработки.

Двигатель Отто, который действительно стал основоположником серийных ДВС, родился в 1862 году и был вынужден выдержать серьезную конкуренцию за место на рынке с другой развитой в то время конструкцией - двигателем Жана Жозефа Этьена Ленуара.Ленуар впервые представил свой двигатель немного раньше, в 1860 году, но бельгийцу потребовалось несколько лет, чтобы настроить системы охлаждения и смазки.Тем не менее, в конце концов, 12-сильный агрегат был доведен до ума, и его коммерческий тираж в Старом Свете составил почти полторы тысячи единиц - на тот момент! Автомобильная версия родилась в 1862-1863 годах и также использовала жидкое топливо, керосин, вместо угольного газа.

Legion MediaДвигатель Жана Жозефа Этьена Ленуара

Примерно в то же время был разработан четырехтактный двигатель (один ход отвечает за впуск рабочей смеси, второй - за сжатие, третий - фактический ход после зажигания, а четвертый - за очистку цилиндра и выпуск. выхлопные газы), но дело француза Альфонса Бо де Роша не вышло за рамки патента (1861 г.). Точнее, его нет - но об этом позже. 

Борьба конструкций

Итак, официальным предком всех сегодняшних четырехтактных двигателей внутреннего сгорания был двигатель Отто и его партнера Карла Ойгена Лангена, появившийся в 1862-1863 годах.За несколько лет он был настолько усовершенствован, что получил высшую награду на Всемирной выставке в Париже (1867 г.) и пошел в серию, хотя Отто и Лангену удалось пережить банкротство своей крошечной компании N. в 1872 г.Отто и Си.Однако созданная после этого банкротства компания по сей день не только жива, но и прекрасно себя чувствует.Это Deutz AG - крупный производитель, как нетрудно догадаться, бензиновых и дизельных двигателей.Следует отметить, что тогда слова «дизель» еще не существовало: Рудольфу Дизелю тогда едва исполнилось 12 лет. 

VostockphotoФирма N. A. Otto & Cie

Даже из патентного конфликта с французами, отстаивавшими первенство прав на четырехтактный двигатель за де Рош (да, упомянутое «дело ушло» появилось именно на этом этапе) Отто и его товарищи вышли потрепанными (часть прав должны были быть разделены, как и монополия на изобретение цикла Отто), но непобежденной.И более 40 тысяч (сравните с считающимся успешным тиражом двигателя Ленуара!) Этих двигателей, выпущенных более трех десятилетий, стали окончательным доказательством промышленного триумфа.Но слабым местом двигателей Отто было топливо.В этом качестве снова выступал световой газ.Дорогой и довольно дефицитный, он к тому времени производился мало где.

Неудивительно, что разработки продолжали идти, прежде всего, в сторону использования жидкого топлива, которое приобретало все большую популярность и распространение.  Они проводились в Новом Свете (Джордж Брайтон), Австро-Венгрии (Зигфрид Маркус), Великобритании (Дугальд Кларк), России (Огнеслав Костович). Здесь перечислены не все участники этих исследований.

Кстати, бензиновый двигатель Костовича был очень интересной, очень продвинутой и многообещающей разработкой по тем временам.8 цилиндров по противоположной схеме (горизонтальное расположение цилиндров друг напротив друга), перспективное и доступное топливо, электрозажигание, масленки, водяное охлаждение и целых 80 литров.из.мощность при удельном весе всего 2,5 центнера - это, пожалуй, актуально и столетие спустя.Неудивительно, что после шести лет разработок (1879–1885) последовали шесть лет патентного триумфа: Костович получил патенты не только в России, но также в Великобритании и США.Причем проект похоронила изначально «неавтомобильная» постановка проблемы: российский инженер работал в основном в авиации - над проектом дирижабля «Россия».И проект оказался неудачным.

Имя Костовича, увы, сейчас известно только специалистам и историкам.Но его «виртуального соперника» помнит весь мир.Это Карл Бенц, который в 1879 году запатентовал двухтактный бензиновый двигатель, а в последующие годы объединил его с оригинальным «пакетом» решений.Был катушечный электрозажигание с искрой на свече зажигания и карбюратор с дроссельной заслонкой.Также предусматривалось основное внешнее оборудование: радиатор внешнего охлаждения, коробка передач и сцепление.К 1886 году Бенц также запатентовал четырехтактный двигатель на основе цикла Отто, но, конечно, его конструкция также была очень идеальной для того времени.Вот она - практически готовая база автомобиля! Это не заняло много времени, Benz Patent-Motorwagen («запатентованный автомобиль Benz») родился в том же 1886 году.

VostockphotoBenz Patent-Motorwagen («Запатентованный автомобиль Бенца»)

Одноцилиндровый двигатель имел объем всего 954 см3 и мощность целых 0,9 литра. из. (давайте вздохнем, вспомнив 80 л.с. двигателя Костовича), но «легковой автомобиль», развивающий 16 км / ч, навсегда остался «отцом всех машин». Это он, а не конструкции Ленуара, Маркуса и других, казалось, могли двигаться независимо. 

Но картина основных принципов, на которые позже стали полагаться (и до сих пор полагаются) инженеры-двигатели, была бы неполной без еще нескольких имен. 

Не Отто единым

В 1886 году англичанин Джеймс Аткинсон предложил усовершенствование четырехтактного двигателя Отто - несколько иной рабочий цикл с увеличенной продолжительностью рабочего хода за счет более сложного кривошипно-шатунного механизма.В свое время это более экономичное решение оказалось слишком конструктивно сложным для практической реализации.Однако к концу двадцатого века, когда остро встали вопросы эффективности и научились справляться с другими недостатками цикла Аткинсона (например, низким крутящим моментом на низких скоростях), идея возродилась и теперь используется больше и чаще.

Еще одной разработкой конца 19 века (точнее 1891 года) стал двигатель Герберта Эйкройда Стюарта.Его идея заключалась в том, что топливно-воздушная смесь воспламенялась в форкамеру, примыкающей к цилиндру, а затем работала в основной камере сгорания.Такая схема обеспечивала лучшее наполнение цилиндров, снижение ударных нагрузок, делала двигатель более плавным и экономичным.Однако форкамерные бензиновые двигатели по-прежнему оставались экзотикой из-за сложности конструкции и частого расхождения реальных показателей с расчетными.Многие экспериментировали с этой конструкцией, например, механика ГАЗ для советских Волг, но она так и не стала мейнстримом.Форкамерные дизели встречаются чаще (несмотря на то, что у них также есть такие особенности, как сложный холодный запуск), но это отдельная и более специализированная история, выходящая за рамки данной статьи.

Интересной конструкцией, конкурирующей с «автомобилем» Бенца, могла бы стать машина англичанина Эдварда Батлера.Его даже показали на два года раньше немецкого.Но провести полноценные испытания изобретатель не смог из-за абсурдных британских законов об ограничении скорости «безлошадных экипажей» («Закон красного флага»), он плюнул в сердца и уничтожил свое детище, отказавшись от дальнейшей программы.И сдал двигатель для разработки силовых установок для малых лодок - но уже без своего участия.В истории Батлер остался прежде всего человеком, давшим бензину именно это название - бензин.

И, конечно же, Рудольф Дизель. В 1892-1893 годах он запатентовал идею двигателя, в котором температура, необходимая для воспламенения топливной смеси, обеспечивалась сжатием воздуха.Дело в том, что, хотя разные виды топлива (угольная пыль, газ, керосин, масло, бензин) воспламенялись при разной температуре, в любом случае она была достаточно низкой, чтобы обеспечить высокую эффективность - одинаковую эффективность.Идея Дизеля заключалась в том, что поршень сначала сжимал воздух, а при сжатии воздух нагревался до температуры, значительно превышающей температуру воспламенения топлива.А впрыск топлива производился уже в момент максимального сжатия - при значительно более высокой температуре, чем это допускает просто сжатое топливо.Больше компрессия - сильнее и отдача.Кстати, с топливом немецкий инженер тоже наигрался: сначала угольная пыль, потом керосин, а к началу ХХ века - нефть.

GettyImagesРудольф Дизель

Одновременно с дизельной конструкцией отпала необходимость в системе электрического зажигания: искра здесь просто не требовалась.Но для этого двигателя требовались прочные материалы (из-за более высокой степени сжатия) и система подачи топлива под очень высоким давлением.Собственно, эти конструктивные особенности никуда не делись и по сей день, иногда делая дизельные двигатели сложнее и дороже бензиновых.Но эффективность! Уже самый первый образец, построенный Diesel (кстати, работы велись на заводе компании, ныне известной как MAN), имел КПД как минимум на четверть лучше двигателей Отто - 26,2%.Такой показатель был бы неплох и сегодня для бензиновых двигателей, которые стали более совершенными! В среднем КПД современных бензиновых двигателей внутреннего сгорания находится в пределах 30% (не будем углубляться в особо продвинутые образцы с КПД почти 40% - такие агрегаты есть, и это технические шедевры даже по сегодняшним меркам).А у современных дизелей этот показатель находится на уровне 35-40%.

Кстати, в России работы над двигателями, аналогичными разработанным Diesel, поначалу шли очень успешно.Разработка петербуржца Густава Тринклера («Тринклер-мотор») была представлена ​​в 1898 году.Этот безнаддувный двигатель с воспламенением от сжатия имел КПД целых 29% и мог нагнетать сами дизели, но ... вмешалась нездоровая конкуренция.Нефтяной промышленник и владелец завода Людвига Нобеля в Санкт-Петербурге Эммануэль Нобель к тому времени уже приобрел патент на производство дизельных двигателей (собственно, его завод позже был переименован в Российский дизель) и фактически «задушил» одного опасный конкурент.Тринклер уехал в Германию, чтобы продолжить разработку почти десять лет, а когда он вернулся в Россию в 1907 году, он занялся судовыми двигателями на Сормовском заводе в Нижнем Новгороде.Он успешно там проработал много лет, уже в советское время создав прекрасную школу двигателестроения и обучив многих студентов. Но для автомобилестроения этот гениальный специалист потерялся навсегда. 

Без чего не обойтись

Итак, на рубеже XIX - XX веков сформировалась не теоретическая, а вполне практическая база для прорыва - на промышленном, массовом уровне - развития двигателестроения и автомобилестроения в целом.Создавались основные концепции и конструкции, в качестве топлива «застеклили» бензин и другие нефтепродукты.Что-то не хватает в этой схеме? Да ... А это «что-то» - смазки.Фактически к этому времени специализированные моторные масла уже имели свою историю: впервые такой продукт был запатентован еще в 1866 году.И не инженер или химик, а врач.Американец Джон Эллис действительно изучал свойства масла в лечебных целях.Но я заметил, что продукты на нефтяной основе обладают очень хорошими смазочными качествами.Проверив наблюдение на практике - отремонтировать заклинивший паровой двигатель такой смазкой - доктор подал заявку на патент и, по сути, стал основателем целой индустрии будущего.

Конечно, смазки существовали и раньше, и не только в их качестве, начиная с животных и растительных жиров.Увы, даже первые смазочные материалы на нефтяной основе - тяжелые и густые «остаточные» компоненты - подошли бы врачам для «вклинивания» их парового двигателя, но они абсолютно не подходили для двигателей внутреннего сгорания.И скорость движения деталей относительно друг друга, и температурный режим, и нагрузка - все здесь требовало совершенно разных качеств.Даже первые примитивные моторные масла конца 19 века не справлялись с отложениями продуктов сгорания в цилиндрах и требовали слишком частой замены.