3. Поиски двигателя

Еще в древние времена человек обратил внимание на то, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, поставленного на огонь, способна сместить препятствие, оказавшееся на ее пути. Поэтому, когда встал вопрос о применении для движения экипажа двигателя, решили использовать в нем в качестве рабочего тела пар.

Первый паровой котел был построен англичанином Томасом Севери в 1698 г. Это был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Через некоторое время вместо бака стали применять длинный (до 10 м) цилиндр диаметром около 1,5 м.. Поверхность, омываемая горячими газами, у таких котлов была очень маленькой, эффективность такого котла была низкой. В начале XVIII века конструкция парового котла была изменена. Горячие газы начали пускать по трубам, окруженным водой. Такие котлы получили название «газотрубных» и стали широко применяться в паровозах и пароходах.

В конце XIX века были изобретены прямоточные котлы. Вода в них превращалась в пар по мере движения по трубам: с одной стороны в трубы подается вода, а с другой — выходит пар.

Паровая машина была создана Джеймсом Уаттом в 1774—1784 гг. До конца XIX века она была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии транспорта. Паровая машина — это поршневой двигатель. Рабочим телом в таких машинах является водяной пар.

Паровые машины были установлены и на первых автомобилях. На транспорте они работали вплоть до 50-х гг. XX века.

Теоретически задача постройки автомобиля, то есть повозки, которая бы ездила сама, была уже почти решена. Нужен был двигатель. В XVIII веке таким двигателем могла стать только паровая машина.

Впервые эту идею высказали Дени Папен и Томас Севери — авторы понятия «лошадиная сила». Реализация английских проектов Севери и Уатта удалась французу Никола Жозефу Кюньо.

Первый автомобиль, так называемая малая телега Кюньо, с собственным именем «Фардье», развивал на дороге скорость 4,5 км/ч, но только в течение 12 мин, поскольку на большее не хватало ни воды, ни пара. Необходимо было наполнить котел водой и вновь разжечь под ним костер, так как у первого автомобиля отсутствовала топка. Построенный Кюньо в 1769 г. паровой экипаж в настоящее время хранится в Музее искусств и ремесел в Париже. В конце 1770 г. были проведены испытания нового, более мощного парового автомобиля Кюньо. Тягач работал, хотя его скорость не превышала 4 км/ч. Движение было непрерывным, поскольку котел теперь имел собственную топку.

Для подвозки грузов и пассажиров к железной дороге стали широко применять экипажи. К этому времени мощность паровых экипажей увеличилась в 10 раз по сравнению с повозкой Кюньо, значительно были уменьшены размеры машин и расход топлива. Однако развитие безрельсового парового транспорта, в отличие от железнодорожного, шло недостаточно быстро.

Для перевозок пассажиров или почты использовались дилижансы – представлявшие собой многоместную карету на конной тяге. Почтовые дилижансы получили наибольшее распространение в конце XVIII - начале XIX века. Средняя маршрутная скорость почтовых дилижансов составляла 9-10 км/ч. Значение дилижансов начало падать после появления железных дорог. Последние дилижансы использовались до второго десятилетия XX века, пока они не были заменены автобусами. Одним из усовершенствований дилижанса была установка на него паровой машины. Сокрушительным ударом по владельцам любых механических повозок стал принятый английским парламентом «Закон о дорожных локомотивах», который уничтожил самое главное преимущество парового транспорта — скорость, ограничив ее до 15 км/ч.

Первый паровой колесный тягач в России был построен в 1874 г. на Мальцевском заводе в Людиново. В качестве прототипа был взят английский автомобиль «Эвелин Портер», он был приспособлен к работе на дровах, а не на угле. Всего было построено семь таких тягачей. Как только в России появился первый рутьер, приобретенный бароном Буксгевденом, военные провели его испытания. Рутьер — паровой тягач, способный буксировать специальные вагоны, платформы или прицепы.

Следующим паровым автомобилем после рутьеров Мальцевского завода был построенный в 1901 г. легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс». Однако паровым автомобилям не удалось прижиться в России. Последней попыткой в этом направлении стала постройка в конце 1949 г. двух паровых грузовых автомобилей НАМИ-012.

Во Франции конца XIX века паровые автомобили пережили свое второе рождение. Двигатели оснастили керосиновыми горелками вместо угольных топок, теперь они не нуждались в запасе угля и долгом разогреве. Леон Серполле (1858—1907) в своей модели парового экипажа заменил водяной котел длинной многократно изогнутой трубой — змеевиком.

Такая замена позволила уменьшить объем используемой воды. Кроме этого, на повозке Серполле были установлены эластичные шины и специальный механизм, соединяющий вал паровой машины и ведущие колеса — кардан. Он получил свое название от имени итальянского изобретателя Д. Кардано. В 1533 г, студент медицинского университета, будущий итальянский математик и философ Джероламо Кардано (1506-1576) предложил способ соединения двух вращающихся валов, находящихся под углом друг к другу.

Аналогичным образом были построены паровые экипажи отца и сына Болли. В 1875 г.появилась первая паровая машина Болли. Экипаж представлял собой паровой дилижанс на 12 мест, и получил название «Послушная». Имея общую массу 5 т, паровик расходовал на 1 км пути 2,5 кг угля и 14 л воды. Впереди сидел управляющий поездом (по терминологии тех лет — кондуктор), а сзади — кочегар (шофер), который обслуживал паровой котел. Во Франции этим занимались Леон Серполле и фабрика «Де Дион-Бутон и Трепарду».. Четырехместные паровые экипажи были очень популярны в начале XX века во Франции и, особенно, в США, где паровые автомобили выпускались до начала 30-х гг.

К началу XX века паровые машины имели частоту вращения 1000 об/мин. На одной из своих поздних машин Серполле в 1902 г. установил мировой рекорд скорости автомобиля — 120 км/ч. В 1905 г. американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км/ч.

В 80-х гг. XIX века появились автомобили с бензиновыми двигателями. Их главное преимущество заключалось в малой массе и быстром запуске.

Паровые двигатели были тяжелыми, громоздкими, требовали большого количества топлива и воды и не обещали дальнейшего повышения экономичности. На транспорте их все больше вытесняли появившиеся в конце XIX в. двигатели внутреннего сгорания. 

Считается, что первые попытки создать новый двигатель были предприняты в 1799 г. Француз Филипп Лебон высказал идею о том, что в цилиндры паровой машины можно впускать не пар, а горючий газ, который в нужный момент поджигался бы электрической искрой. Несколько позже он разработал конструкцию двухтактного двигателя, которую запатентовал в 1801 г.

Следующие разработки в этой области можно отнести к 1807 г., когда швейцарец Исаак де Риваз подал заявку на «использование взрыва светильного газа или иных веществ как источника энергии в двигателе».

Первым, кто изготовил технологичный, пригодный для производства двухтактный газовый двигатель, был французский механик Жак Ленуар. Это произошло в 1860 г.

Ленуар взял готовую конструкцию паровой машины и заставил ее работать на смеси светильного газа и воздуха. Для зажигания служили две электрические свечи, ввернутые в крышки цилиндра. Коэффициент полезного действия (КПД) такого двигателя равнялся всего 4%. При частоте вращения вала 100 об/мин двигатель развивал мощность, равную 1 л. с. Двигатель оказался пригодным для производства и имел небольшие размеры. Это обеспечило высокий уровень продаж и коммерческий успех ленуаровского предприятия.

Продажа газовых двигателей Ленуара сопровождалась мощной рекламой. Известия о перспективной машине дошли до немецкого города Кельна, где в это время жил Николаус Отто. После многочисленных опытов Отто смог усовершенствовать мотор Ленуара так, что его мощность существенно возросла.

Основная идея Отто состояла в том, что перед зажиганием смесь необходимо подвергать сжатию, а взрыв выгоднее всего производить в крайнем верхнем положении поршня. Чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, достигающим хотя бы 15%, Отто понадобилось 15 лет. Изготовленный двигатель был четырехтактным, так как процесс в нем совершался в течение четырех ходов поршня.

 Вначале, при движении поршня вниз, смесь воздуха и горючего газа через открытый впускной клапан поступала в цилиндр-это первый такт-впуск. После этого поршень поднимался вверх, впускной клапан закрывался и смесь сжималась, происходил второй такт — сжатие. Далее смесь воспламенялась от запальной камеры, где постоянно горел газ. Происходило зажигание смеси, и расширяющиеся во время горения газы толкали поршень вниз, совершая работу третьего такта — рабочий ход. После этого поршень вновь поднимался вверх, выталкивая через открывшийся выпускной клапан продукты горения наружу. Это был четвертый такт двигателя — выпуск.

По четырехтактному циклу работает подавляющее большинство современных автомобильных двигателей.

В начале 1864 г. Отто при поддержке Ойгена Лангена,. организовал компанию «Отто и К°» и в 1867 г. продемонстрировал публике «кельнский моторчик», который в жесткой конкурентной борьбе с 14 подобными конструкциями выиграл состязание на экономичность.

В течение пяти лет Даймлер занимал должность технического директора на заводе в Карлсруэ, который выпускал паровозы и мостовые конструкции. Там он познакомился с Вильгельмом Майбахом, имевшим незаурядные способности в черчении и рисовании, чем привлек внимание технического директора. В дальнейшем их разлучила только смерть Даймлера.

Вскоре Даймлер и Майбах получили приглашение работать на заводе Отто для организации серийного производства газовых двигателей. Несмотря на выгодные условия контракта, разногласия в руководстве по поводу работы над небольшим бензиновым двигателем, стали настолько сильными, что Даймлер и Майбах оставили в 1882 г. фирму Отто и начали самостоятельную работу над компактным двигателем внутреннего сгорания.

. Частота вращения вала у двигателя Даймлера была в 4—5 раз больше, чем у газовых двигателей, и достигала 450—900 об/мин, а мощность на литр рабочего объема — вдвое больше. Одновременно с Готлибом Даймлером похожим путем шел к созданию своего двигателя другой немецкий изобретатель — Карл Бенц. Он выбрал в качестве основного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) газовый, двухтактный. Выбор оказался точным. Небольшие мастерские через двенадцать лет превратились в солидную фирму «Бенц и К°», выпускающую двигатели различного назначения. К этому времени Бенц решил построить легкий трехколесный экипаж с ДВС. В 1885 г. Карл Бенц построил четырехтактный бензиновый одноцилиндровый двигатель с искровым зажиганием. На испытательном стенде он развил 300 об/мин и показал мощность около 2/3 л. с.

В 1886 г. Карл Бенц подал заявку на оформление патента на самодвижущийся экипаж с ДВС. До 1886 г. изобретатель не мог использовать на своем детище четырехтактный двигатель, так как он охранялся патентом, выданным 1 июля 1877 г. Николаусу Аугусту Отто.

Заявки на патенты Бенц и Даймлер подали почти одновременно, однако в разные патентные бюро. Механизмы, приводившиеся в движение ДВС, были созданы задолго до 1886 г., но Бенц был первым, кто предложил покупателю годный для эксплуатации прообраз современного автомобиля, а Даймлер первый запустил в производство функциональный автомобильный двигатель.

В начале 90-х гг. XIX века производство бензиновых автомобилей начало интересовать другие фабрики в Германии и за ее пределами. Первые автомобили известных в будущем марок «Пежо» и «Панар-Левассор» были оснащены двигателями конструкции Даймлера. Лицензии на производство двигателей Даймлера купили и другие фирмы в Италии, Англии и Франции.

18 марта 1858 г. родился еще один немецкий изобретатель- это Рудольф Дизель. Долгие годы Рудольф работал над созданием двигателя, в котором, по его замыслу, воздух должен был сжиматься до такой степени, чтобы создавалась необходимая для воспламенения температура. Логическим завершением его исследований стал патент от 28 февраля 1892 г. на «метод работы машины и способ изготовления двигателей внутреннего сгорания». Это был патент на первый в мире двигатель с самовоспламенением топливной смеси от сжатия, названный впоследствии именем Дизеля. Работает на дизельном топливе. Дизельное топливо — жидкое нефтяное топливо: керосиновые, газойлевые и соляровые фракции прямой перегонки нефти.

Дата 17 февраля 1894 г. вошла в историю. В мастерской, принадлежавшей Дизелю, в течение одной минуты проработал второй опытный образец двигателя, совершив при этом 88 оборотов.

В 1897 г. Дизель продемонстрировал двигатель мощностью 25 л.с. Вскоре патент Дизеля был куплен крупнейшими германскими фирмами, а также многими компаниями Франции, Англии, Бельгии, Швейцарии.

Главное отличие в работе бензинового и дизельного двигателей состоит в том, что в последнем в цилиндр засасывается не горючая смесь, а воздух. Поршень сжимает воздух, при этом его температура повышается. В момент наибольшего сжатия насос впрыскивает в цилиндр порцию топлива. От нагрева оно самовоспламеняется. Дизельный двигатель расходует меньше топлива, чем бензиновый. Такая экономия достигается за счет вдвое более высокой степени сжатия.

Но в дизеле применяются очень дорогие насосы и форсунки. Высокое давление потребовало прочной и тяжелой конструкции. Тяжелые детали ограничивали частоту вращения вала двигателя, что делало его не таким быстроходным, как бензиновый. Кроме этого, дизельные двигатели оказались более шумными, чем бензиновые.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Когда и кем был построен первый паровой котёл?

2. Когда и кем была построена первая паровая машина?

3. Какова роль Николы Жозефа Кюньо в создании автомобиля?

4. Когда и где в России был построен первый паровой колесный тягач?

5. Каковы особенности конструкции паровой машины, предложенной Леоном Серполле?

6. Каковы особенности конструкций паровых экипажей, предложенных отцом и сыном Болли?

7. Когда и кем впервые был изготовлен технологичный, пригодный для производства двухтактный газовый двигатель?

8. Каковы особенности конструкции первых двухтактных газовых двигателей?

9. Когда и кем впервые был изготовлен четырёхтактный двигатель?

10. Каковы особенности конструкции первых четырёхтактных двигателей?

11. Каков принцип работы четырёхтактных двигателей?

12. Каковы особенности двигателя, построенного Готлибом Даймлером?

13. Каковы особенности двигателя, построенного Карлом Бенцем?

14. Какова роль Рудольфа Дизеля в строительстве двигателя внутреннего сгорания?

15. Каковы особенности конструкции поршневого двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия?

16. Каковы достоинства и недостатки бензиновых и дизельных двигателей?