Брат средневековой пушки: начало истории автомобильных двигателей

В рамках спецпроекта с брендом моторных масел G-Energy рассказываем об истории автомобильных двигателей. Первая часть — экскурс в историю двигателестроения. В будущих статьях мы поговорим о том, как появились современные двигатели, что из себя представляют гоночные агрегаты и какими будут двигатели будущего.

А ведь современный автомобильный двигатель – это одна из наиболее ярких иллюстраций технического прогресса за последние столетия, конкуренции успешных решений с гениальными, учета меняющегося мира и его требований. И вообще, как говорится, «во-первых, это просто красиво!» В этом цикле статей мы постараемся убедить вас, что это создание инженерной мысли действительно красивое в своем совершенстве, а история автомобильных двигателей – захватывающая и разносторонняя.

Мушкеты, скороварки и светильники

Многие будут удивлены, но одним из первых прообразов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) стала когда-то. средневековая пушка. Ну или какой-нибудь мушкет, если угодно. Ведь что такое по определению двигатель внутреннего сгорания? Это некое устройство, внутри которого происходит некое действие, преобразующее некую энергию в механическую работу. Собственно этим ДВС и отличается, к примеру, от паровой машины (всем известного паровоза). Ведь там пар образуется «снаружи» и подается к поршням, заставляя их двигаться. То есть подобную силовую установку можно назвать двигателем внешнего сгорания. И основной недостаток такой схемы – огромные потери энергии.

А в стрелковом оружии порох взрывается, выделяется энергия, силой расширяющихся газов выталкивается «поршень», в качестве которого выступает ядро или пуля. И именно на порохе пытались создать свой двигатель голландский физик Христиан Гюйгенс (весьма небезызвестный в истории науки персонаж) и французский изобретатель Дени Папен. Была предпринята эта попытка еще в далеком 1690 году. Обеспечить стабильную и безопасную работу такого двигателя на практике не удалось: порох все-таки слишком опасен. Но позже Папен на основе этого изобретения сделал существенный шаг вперед – как раз в сторону паровой машины. И, кстати, скороварки – этот кухонный инструмент оставил человечеству именно он.

А вот что использовать в качестве безопасного и стабильного топлива – этот вопрос повис перед учеными, инженерами и изобретателями на несколько веков.

Достаточно популярной идеей было использование газа (например, угольного). Первый газовый поршневой двигатель предложил в 1799 году британец Джон Барбер. На светильном газе работал двигатель Филиппа Лебона – первый из запатентованных (в 1801 году). Что, кстати, немудрено, ведь именно Лебон считается изобретателем газового освещения. Вот только на практике реализовать свой патент двигателя француз не успел – ушел из жизни.

Другая ветка изобретений основывалась на использовании в качестве топлива угольной пыли. Именно на ней работал Pyreolophore – лодочный двигатель братьев Ньепс, Жозефа Нисифора и Клода Феликса. В 1806 году десятилетний патент на него им выдал лично Наполеон Бонапарт. Но конструкция этого механизма скорее была прообразом водометного, а то и реактивного двигателя. Зато именно братья Ньепс стали одними из первых, кто додумался заменить угольную пыль на нефть и оснастить двигатель простейшим, но впрыском топлива – он и стал прародителем современных систем впрыска.

В 1807 году Исаак де Риваз предложил идею двигателя, работавшего на водороде и имевшего ультрасовременное электрическое зажигание: тогда разработки Алессандро Вольты в области электричества и гальваники как раз были на пике инноваций. Конечно, с современными водородными топливными ячейками это не имело ничего общего: водород был просто еще одной попыткой найти наиболее подходящее топливо. Хотя именно четырехколесная повозка с этим двигателем де Риваза и считается многими первым автомобилем с двигателем внутреннего сгорания, это была только идея. Вторая итерация этого автомобиля смогла провезти груз (около 300 кг камней) и четырех человек аж целых 26 м со скоростью целых 3 км/ч, однако практически все в этом двигателе – от подачи топлива до прочистки цилиндра от выхлопных газов, да и сам поджиг рабочей смеси – оператор должен был делать вручную. Те самые 26 м были преодолены примерно за пять «рабочих циклов», обеспечиваемых человеком.

Эпоха первых патентов

Поиски продолжались еще более полувека. За это время британец Самюэль Браун подарил миру (1825 год) идею водяного охлаждения цилиндра, но работал в этом цилиндре все тот же водород. В 1826 году в Америке Самюэль Мори получил патент на ДВС, где в качестве топлива использовались спирт и скипидар. Америка, кстати, в эти годы сделала серьезный рывок в этой области. Чуть позже изобретатель Чарльз Дьюри впервые в Новом Свете использовал в качестве топлива бензин (который тогда бензином еще не назывался), а в 1833 году появился двигатель Райта. Нет, не того, который «один из братьев Райт» – до их авиационных экспериментов оставалось еще более 60 лет. Лемюэль Веллман Райт запатентовал двигатель, который работал на газе, но уже по двухтактному циклу, и имел систему водяного охлаждения.

Интересным шагом стали двигатели британца Уильяма Барретта. Именно двигатели – в 1838 году он разом запатентовал сразу три. Они были двухтактными (а один и вовсе использовал практически сохранившуюся до настоящего времени схему газообмена), но принципиальным здесь было то, что смесь не просто подавалась в камеру сгорания – она там сжималась перед воспламенением. До этого практически во всех конструкциях топливовоздушная смесь просто сгорала и расширялась. Предварительное ее сжатие позволяло значительно повысить как мощность, так и коэффициент полезного действия (КПД).

К 1863 году был построен рабочий прототип запатентованного пятью годами ранее двухцилиндрового ДВС итальянцев Еугенио Барзанти и Феличе Маттеуччи. Он был двухцилиндровым, развивал мощность 5 л. с. и обладал очень неплохим по тем временам КПД. Именно итальянские изобретатели могли стать первопроходцами в создании по-настоящему коммерчески успешного двигателя – заказы начали поступать весьма активно. Но не судьба. В ходе налаживания выпуска своего детища на заводе в Бельгии Барзанти заболел тифом и умер, а Маттеуччи в одиночку проект вытащить не смог. Хотя и не раз ворчал потом, что тот самый двигатель Николаса Августа Отто (собственно откуда и взялось название «цикл Отто») – фактически копия их разработки.

Двигатель Отто, который действительно стал основоположником серийных ДВС, появился на свет в 1862 году и был вынужден выдержать серьезную конкуренцию за место на рынке с еще одной передовой по тем временам конструкцией – двигателем Жана Жозефа Этьена Ленуара. Ленуар впервые представил свой двигатель чуть раньше, в 1860 году, но бельгийцу потребовалось несколько лет на доводку систем охлаждения и смазки. Тем не менее в итоге 12-сильный агрегат был доведен до ума, и его коммерческий тираж в Старом Свете составил почти полторы тысячи единиц – по тем-то временам! Автомобильная версия появилась на свет в 1862–1863 годах и тоже использовала для работы вместо угольного газа жидкое топливо – керосин.

Примерно в то же время был разработан и четырехтактный двигатель (один такт отвечает за впуск рабочей смеси, второй – за сжатие, третий – это собственно рабочий ход после воспламенения, а четвертый – прочистка цилиндра и выброс отработанных газов), однако у француза Альфонса Бо де Роша дело дальше патента (1861 год) не ушло. Точнее, ушло – но об этом чуть позже.

Борьба конструкций

Так что официальным предком всех сегодняшних четырехтактных ДВС стал все-таки появившийся в 1862–1863 году двигатель Отто и его партнера Карла Ойгена Лангена. За несколько лет он был усовершенствован настолько, что удостоился высшей награды Всемирной выставки в Париже (1867 год) и пошел в серию, даже несмотря на то, что Отто и Ланген успели в 1872-м пережить банкротство своей крохотной фирмы N. A. Otto & Cie. Впрочем, основанная уже после этого банкротства компания и по сей день не просто жива, но и великолепно себя чувствует. Это Deutz AG – крупный производитель, как нетрудно догадаться, газовых и дизельных двигателей. Стоит отметить, что в то время слово «дизельный» еще не существовало: Рудольфу Дизелю едва минуло тогда 12 лет.

Даже из патентного конфликта с французами, отстаивавшими первенство прав на четырехтактный двигатель за де Роша (да-да, упомянутое «дело ушло» проявилось именно на этой стадии), Отто со товарищи вышли потрепанными (частью прав пришлось поделиться, как и монополией на изобретение цикла Отто), но непобежденными. А более 40 тысяч (сравните со считавшимся успешным тиражом двигателя Ленуара!) этих двигателей, произведенных за три десятилетия, стали окончательным докозательством промышленного триумфа. Но слабое место у двигателей Отто было – топливо. В этом качестве снова выступал светильный газ. Дорогой и достаточно дефицитный, он производился к тому времени уже мало где.

Немудрено, что разработки продолжали идти и в первую очередь в направлении использования набиравшего все большую популярность и распространение жидкого топлива. Велись они в Новом Свете (Джордж Брайтон), Австро-Венгрии (Зигфрид Маркус), Британии (Дугальд Клерк), России (Огнеслав Костович). Здесь перечислены далеко не все, кто занимался этими исследованиями.

Кстати, бензиновый двигатель Костовича был очень интересной, весьма совершенной по тем временам и перспективной разработкой. 8 цилиндров по оппозитной схеме (горизонтальное расположение цилиндров друг напротив друга), перспективное и доступное топливо, электрическое зажигание, смазочные масленки, водяное охлаждение и целых 80 л. с. мощности при массе агрегата всего в 2,5 центнера – такое было бы, пожалуй, актуально и век спустя. Неудивительно, что после шести лет разработки (1879–1885) последовали шесть лет патентного триумфа: Костович получил патенты не только в России, но и в Британии и США. А похоронила проект изначально «неавтомобильная» постановка задачи: российский инженер работал в первую очередь для авиации – для проекта дирижабля «Россия». А проект оказался неудачным.

Имя Костовича, увы, известно ныне лишь специалистам и историкам. А вот его «виртуального оппонента» помнит весь мир. Это Карл Бенц, запатентовавший в 1879 году двухтактный бензиновый двигатель, а в последующие годы совместивший его с гениальным «комплектом» решений. Тут были и катушечное электрическое зажигание с искрой на свече, и карбюратор с дроссельной заслонкой. Было предусмотрено и основное внешнее оборудование: выносной радиатор охлаждения, коробка передач и сцепление. А к 1886 году Бенц запатентовал и четырехтактный двигатель по циклу Отто, но своей – естественно, тоже очень совершенной по тем временам – конструкции. Вот она – практически готовая основа автомобиля! Долго ждать не пришлось, Benz Patent-Motorwagen («Запатентованный автомобиль Бенца») появился на свет в том же 1886 году.

Одноцилиндровый двигатель имел рабочий объем всего 954 см 3 и мощность аж 0,9 л. с. (вздохнем, вспомнив о 80 л. с. двигателя Костовича), но развивавший 16 км/ч «моторваген» навсегда остался «отцом всех автомобилей». Именно он, а не тоже вроде бы вполне себе умевшие двигаться самостоятельно конструкции Ленуара, Маркуса и других.

Но картина первооснов, на которые потом стали опираться (и опираются до сих пор) инженеры-мотористы, была бы неполна без еще нескольких фамилий.

Не Отто единым

В 1886 году англичанин Джеймс Аткинсон предложил усовершенствование для четырехтактного двигателя Отто – несколько иной рабочий цикл, с увеличенной за счет более сложного кривошипно-шатунного механизма длительностью рабочего хода. В свое время это более экономичное решение оказалось слишком конструктивно сложным для практической реализации. Однако к концу ХХ века, когда остро встали вопросы экономичности, а с другими недостатками цикла Аткинсона (например, малый крутящий момент на низких оборотах) справляться научились, идея была возрождена и ныне используется все чаще.

Еще одной разработкой конца XIX века (если точнее, 1891 года) стал двигатель Герберта Эйкройда Стюарта. Его идея была в том, что топливовоздушная смесь воспламенялась в смежной с цилиндром предварительной камере, а затем уже работала в основной камере сгорания. Такая схема обеспечивала лучшее наполнение цилиндров, снижала ударные нагрузки, делала работу двигателя плавней и экономичнее. Однако форкамерные бензиновые двигатели всё-таки остались экзотикой из-за сложности конструкции и частого отличия реальных показателей от расчетных. С такой конструкцией экспериментировали многие, например, мотористы ГАЗа для советских «Волг», однако мейнстримом она так и не стала. Форкамерные дизели более распространены (несмотря на то, что тоже имеют особенности вроде затрудненного холодного пуска), но это отдельная и более специализированная история, выходящая за границы данной статьи.

Интересной и конкурирующей с «моторвагеном» Бенца конструкцией мог бы стать автомобиль англичанина Эдварда Батлера. Он даже показан был двумя годами раньше немецкого. Но полноценных испытаний изобретатель провести не смог из-за нелепых по нынешним временам британских законов об ограничении скорости «безлошадных экипажей» («Закон красного флага»), в сердцах плюнул и уничтожил свое детище, отказавшись от дальнейшей программы. А двигатель передал для разработок силовых установок для малых лодок – но уже без своего участия. В истории Батлер остался в первую очередь человеком, который дал бензину именно такое название – бензин.

Ну и, конечно, Рудольф Дизель. В 1892–1893 годах он запатентовал идею двигателя, в котором необходимую для воспламенения топливной смеси температуру обеспечивало сжатие воздуха. Дело в том, что, хотя разные виды топлива (угольная пыль, газ, керосин, нефть, бензин) воспламенялись при разных температурах, в любом случае она была достаточно низка, чтобы обеспечить высокую эффективность – тот самый коэффициент полезного действия. Идея Дизеля была в том, что поршень сначала сжимал воздух, и тот нагревался при сжатии до температуры, существенно превышавшей температуру воспламенения топлива. А впрыск топлива осуществлялся уже в момент максимального сжатия – при значительно большей температуре, чем вытерпело бы просто сжимаемое топливо. Больше сжатие – сильнее и отдача. Кстати, с топливом немецкий инженер тоже наигрался вдоволь: изначально в его качестве выступала угольная пыль, затем керосин, а к началу ХХ века – нефть.

Первый двигатель внутреннего сгорания: с чего все началось

Разработка первого двигателя внутреннего сгорания длилась почти два века, пока автомобилисты смогут узнать прототипы современных моторов. 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 двухтактный двигатель. 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 двигателей для своего автомобиля 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.

Источник http://www.popmech.ru/vehicles/629273-brat-srednevekovoy-pushki-nachalo-istorii-avtomobilnyh-dvigateley/
Источник http://avtodvigateli.com/vidy/pervyj-dvigatel-vnutrennego-sgoraniya.html