2. История создания и развития двигателей внутреннего сгорания

Вот уже около 120 лет человек не может представить жизни без автомобиля. Попытаемся заглянуть в прошлое, - к самому появлению основы основ современного автомобилестроения.

Первые попытки создания двигателя внутреннего сгорания относятся к XVII столетию. Опыты Э. Торичелли, Б. Паскаля и О. Герике побудили изобретателей использовать давление воздуха как движущую силу в атмосферных машинах. Одни из первых предложили подобные машины аббат Оттефель (1678-1682) и Х.Гюйгенс (1681). Для перемещения поршня в цилиндре они предлагали использовать взрывы пороха. Поэтому Оттефель и Гюйгенс могут рассматриваться как пионеры в области двигателей внутреннего сгорания.

Усовершенствованием пороховой машины Гюйгенса занимался и французский ученый Дени Папен - изобретатель центробежного насоса, парового котла с предохранительным клапаном, первой поршневой машины, работающей на водяном паре. Первым, кто попытался реализовать принцип ДВС, был англичанин Роберт Стрит(пат. № 1983,1794 г.). Двигатель состоял из цилиндра и подвижного поршня. В цилиндр в начале перемещения поршня поступала смесь летучей жидкости (спирт) и воздуха, жидкость и пары жидкости смешивались с воздухом. На середине хода поршня смесь воспламенялась и подбрасывала поршень.

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ и получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение, прежде всего, для развития техники освещения, которые очень скоро 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 Р. Стрит и Ф. Лебон не предпринимали попыток реализовать свои идеи.

В последующие годы (до 1860) немногочисленные попытки создания двигателя внутреннего сгорания также не увенчались успехом. Основные трудности создания двигателя внутреннего сгорания были обусловлены отсутствием подходящего топлива, трудностями организации процессов газообмена, топливоподачи, воспламенения топлива. Обойти эти трудности в значительной степени удалось Роберту Стирлингу, создавшему в 1816-1840 гг. двигатель с внешним сгоранием и регенератором. В двигателе Стирлинга преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение осуществлялось с помощью ромбического механизма, а в качестве рабочего тела использовался воздух.

Одним из первых обратил внимание на реальную возможность создания двигателя внутреннего сгорания французский инженер Сади Карно (1796-1832), занимавшийся вопросами теории теплоты, теории тепловых машин. В сочинении «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824) он писал: «Нам казалось бы более выгодным сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо, при помощи приспособления, легко осуществимого; затем заставить воздух выполнить работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде, и, наконец, выбросить его в атмосферу или заставить пойти к паровому котлу для использования оставшейся температуры. Главные трудности, встречаемые в этого рода операциях: заключить топку в помещение достаточной крепости и поддерживать при этом горение в должном состоянии, поддерживать различные части аппарата при умеренной температуре и мешать быстрой порче цилиндра и поршня; мы не думаем, чтобы эти трудности были бы непреодолимы». Карно Сади. Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу/ С. Карно. - М. - Петр.: Государственное издательство, 1953. - 76 с. Однако идеи С. Карно не были оценены его современниками. Только через 20 лет впервые обратил на них внимание французский инженер Э. Клапейрон (1799-1864), автор известного уравнения состояния. Благодаря Клапейрону, использовавшему метод Карно, популярность Карно начинает быстро расти. В настоящее время Сади Карно общепризнан, как основоположник теплотехники.

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 французскому изобретателю (бельгийского происхождения) Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры. 24 января 1860 г. Ленуар получил патент на двигатель внутреннего сгорания, и к концу 1860 г. двигатель был построен. Двигатель работал на светильном газе без предварительного сжатия. На части хода поршня от ВМТ к НМТ в цилиндр поступала смесь воздуха и газа, а затем смесь воспламенялась электрической искрой (Приложение 2).

Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать. Уже первые несовершенные конструкции продемонстрировали существенные преимущества двигателя внутреннего сгорания по сравнению с паровой машиной. Спрос на двигатели быстро рос, и в течение нескольких лет Ж. Ленуар построил свыше 300 двигателей. Он первым использовал двигатель внутреннего сгорания в качестве силовой установки различного назначения. Однако эта модель была несовершенная, КПД не превышал 4%.

В 1862 г. французский инженер А.Ю. Бо де Роша подал в патентное ведомство Франции прошение на выдачу патента (дата приоритета - 1 января 1862 г.), в котором уточнил идею, высказанную Сади Карно с точки зрения конструкции двигателя и его рабочих процессов. (Об этом прошении вспомнили только при патентных спорах относительно приоритета изобретения Н. Отто). Бо де Роша предлагал осуществлять впуск горючей смеси в течение первого хода поршня, сжатие смеси - в течение второго хода поршня, сгорание смеси - при крайнем верхнем положении поршня и расширение продуктов сгорания - в течение третьего хода поршня; выпуск продуктов сгорания - в течение четвертого хода поршня. Однако из-за отсутствия средств не смог осуществить.

Этот цикл, спустя 18 лет, был осуществлен немецким изобретателем Отто Николауса Августа в двигателе внутреннего сгорания, который работал по четырёхтактной схеме: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск отработанных газов. Именно модификации этого двигателя и получили наибольшее распространение. За более чем столетний период, который по справедливости именуют «автомобильной эрой», менялось все - формы, технологии, решения. Исчезали одни марки и взамен приходили другие. Несколько витков развития прошла автомобильная мода. Неизменным осталось одно - число тактов, по которым работает двигатель. И в истории автомобилестроения это число навсегда связано с именем немецкого изобретателя-самоучки Отто. Совместно с видным промышленником Ойгеном Лангеном изобретатель основал в Кёльне фирму «Отто и Ко» - и сосредоточился на поиске наилучшего решения. 21 апреля 1876 года он получил патент на очередную версию двигателя, который годом позже был представлен на Парижской выставке 1867 г., где и был отмечен Большой золотой медалью. В конце 1875 г. Отто закончил разработку проекта принципиально нового первого в мире 4-тактного двигателя. Преимущества четырёхтактного двигателя были очевидны, и 13 марта 1878 года Н. Отто был выдан патент Германии № 532 на четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания (Приложение 3).В течение первых 20 лет завод Н. Отто построил 6000 двигателей.

Эксперименты по созданию такого агрегата производились и раньше, но авторы сталкивались с рядом проблем, в первую очередь с тем, что вспышки горючей смеси в цилиндрах происходили в настолько неожиданных последовательностях, что обеспечить ровную и постоянную передачу мощности было невозможно. Но именно ему удалось найти единственно верное решение. Опытным путем он установил, что неудачи всех прежних попыток были связаны как с неправильным составом смеси (пропорции горючего и окислителя), так и с ложным алгоритмом синхронизации системы впрыска топлива и его сгорания.

Значительный вклад в развитие двигателей внутреннего сгорания был сделан также американским инженером Брайтоном, предложившим компрессорный двигатель с постоянным давлением сгорания, карбюратор.

Итак, приоритет Ж. Ленуара и Н. Отто в создании первых работоспособных двигателей внутреннего сгорания бесспорен.

Производство двигателей внутреннего сгорания неуклонно нарастало, совершенствовалась их конструкция. В 1878-1880 гг. начинается производство двухтактных двигателей, предложенных немецкими изобретателями Виттигом и Гессом, английским предпринимателем и инженером Д. Клерком, а с 1890 г. - двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой (патент Англии № 6410, 1890). Использование кривошипной камеры как продувочного насоса несколько раньше было предложено немецким изобретателем и предпринимателем Г. Даймлером. В 1878 г. Карл Бенц оснастил трёхколесный велосипед двигателем мощностью 3 л.с., который развивал скорость свыше 11 км/ч. Им же созданы первые автомобили с одно- и двухцилиндровыми двигателями. Цилиндры располагались горизонтально, крутящий момент на колеса передавался с помощью ременной передачи. В 1886 г. К. Бенцу был выдан на автомобиль патент Германии №37435 с приоритетом от 29 января 1886 г. На Парижской всемирной выставке в 1889 г. автомобиль Бенца был единственным. С этого автомобиля начинается интенсивное развитие автомобилестроения.

Другим выдающимся событием в истории двигателей внутреннего сгорания было создание двигателя внутреннего сгорания с воспламенением топлива от сжатия. В 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель (1858-1913) запатентовал, а в 1893 г. описал в брошюре «Теория и конструкция рационального теплового двигателя для замены паровых машин и известных в настоящее время тепловых двигателей» двигатель, работающий по циклу Карно. В патенте Германии №67207 с приоритетом от 28 февраля 1892 г. «Рабочий процесс и способ выполнения одноцилиндрового и многоцилиндрового двигателя» принцип работы двигателя излагался следующим образом: Там же.

1. Рабочий процесс в двигателях внутреннего сгорания характеризуется тем, что поршень в цилиндре настолько сильно сжимает воздух или какой-нибудь индифферентный газ (пар) с воздухом, что получающаяся при этом температура сжатия находится значительно выше температуры воспламенения топлива. При этом сгорание постепенно вводимого после мертвой точки топлива совершается так, что в цилиндре двигателя не происходит существенного повышения давления и температуры. Вслед за этим, после прекращения подачи топлива, в цилиндре происходит дальнейшее расширение газовой смеси.

2. Для осуществления рабочего процесса, описанного в п.1, к рабочему цилиндру присоединяется многоступенчатый компрессор с ресивером. Равным образом возможно соединение нескольких рабочих цилиндров между собой или же с цилиндрами для предварительного сжатия и последующего расширения.

Первый двигатель Р.Дизель построил уже к июлю 1893 г. Предполагалось, что сжатие будет осуществляться до давления 3 МПа, температура воздуха в конце сжатия будет достигать 800 С, а топливо (угольный порошок) - вводиться непосредственно в цилиндр. При запуске первого двигателя произошел взрыв (в качестве топлива был использован бензин). В течение 1893 г. было построено три двигателя. Неудачи с первыми двигателями вынудили Р.Дизеля отказаться от изотермического сгорания и перейти к циклу со сгоранием при постоянном давлении.

В начале 1895 г. был успешно испытан первый компрессорный двигатель с воспламенением от сжатия, работающий на жидком топливе (керосине), а в 1897 г. начался период широких испытаний нового двигателя. Эффективный КПД двигателя составлял 0,25, механический КПД - 0,75. Первый двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия для промышленных целей был построен в 1897 г. Аугсбургским машиностроительным заводом. На выставке в Мюнхене в 1899 г. уже было представлено 5 двигателей Р.Дизеля заводами Отто-Дейтц, Круппа и Аугсбургского машиностроительного. Успешно демонстрировались двигатели Р. Дизеля и на Всемирной выставке в Париже (1900). В дальнейшем они нашли широкое применение и по имени изобретателя получили название «дизельные двигатели» или просто «дизели».

В России первые керосиновые двигатели начали строиться в 1890 г. на заводе Е.Я. Бромлея (четырехтактные калоризаторные), а с 1892 г. и на механическом заводе Э. Нобеля. В 1899 г. Нобель получил право на производство двигателей Р. Дизеля и в том же году завод приступил и их выпуску. Конструкцию двигателя разработали специалисты завода. Двигатель развивал мощность 20-26 л.с., работал на сырой нефти, соляровом масле, керосине. Специалисты завода выполнили также разработки двигателей с воспламенением от сжатия. Они построили первые безкрейцкопфные двигатели, первые двигатели с V-образным расположением цилиндров, двухтактные двигатели с прямоточно-клапанной и петлевой схемами продувки, двухтактные двигатели, в которых продувка осуществлялась за счет газодинамических явлений в выпускном канале. Производство двигателей с воспламенением топлива от сжатия было начатоВ 1903-1911 гг. на Коломенском, Сормовском, Харьковском паровозостроительном заводах, на заводах Фельзера в Риге и Нобеля в Петербурге, на Николаевском судостроительном заводе. В 1903-1908 гг. русский изобретатель и предприниматель Я.В. Мамин создал несколько работоспособных быстроходных двигателей с механическим впрыском топлива в цилиндр и воспламенением от сжатия, мощность которого в 1911 г., составляла уже 25 лс. Впрыск топлива производился в предкамеру, выполненную из чугуна с медной вставкой, что позволяло получить высокую температуру поверхности предкамеры и надежное самовоспламенение. Это был первый в мире бескомпрессорный дизель.Шепелев А.Н. Очерк о жизни и творчестве изобретателя Я.В. Мамина/ А.Н. Шепелев, А.А Деревянченко, Я. Мамин. - Челябинск: Юж-Урал. кн. издательство, 1988. В 1906 г. профессор МВТУ В.И. Гриневецкий предложил конструкцию двигателя с двойным сжатием и расширением - прототипа комбинированного двигателя. Им же разработан метод теплового расчета рабочих процессов, который впоследствии был развит Н.Р. Брилингом и Е.К. Мазингом и не потерял своего значения и сегодня. Как видим, специалисты дореволюционной России выполнили несомненно крупные самостоятельные разработки в области двигателей с воспламенением топлива от сжатия. Успешное развитие дизелестроения в России объясняется тем, что Россия имела свою нефть, а двигатели Дизеля наиболее отвечали потребностям небольших предприятий, поэтому производство дизельных двигателей в России началось практически одновременно со странами Западной Европы.

Успешно развивалось отечественное двигателестроение и в послереволюционный период. К 1928 г. в стране уже выпускалось свыше 45 типов двигателей суммарной мощностью около 110 тыс. кВт. В годы первых пятилеток был освоен выпуск автомобильных и тракторных двигателей, судовых и стационарных двигателей мощностью до 1500 кВт, созданы авиадизель, танковый дизель В-2, в значительной степени предопределивший высокие тактико-технические характеристики бронетанковой техники страны. Значительный вклад в развитие отечественного двигателестроения внесли выдающиеся советские ученые: Н.Р. Брилинг, Е.К. Мазинг, В.Т. Цветков, А.С. Орлин, В.А. Ваншейдт, Н.М. Глаголев, М.Г. Круглов и др.

Из разработок в области тепловых двигателей последних десятилетий ХХ века следует отметить три важнейшие: создание немецким инженером Феликсом Ванкелем работоспособной конструкции роторно-поршневого двигателя, комбинированного двигателя с высоким наддувом и конструкции двигателя с внешним сгоранием, конкурентоспособного с быстроходным дизелем. Появление двигателя Ванкеля было встречено с воодушевлением. Имея малую удельную массу и габариты, высокую надёжность, РПД достаточно быстро получили широкое распространение главным образом на легковом автотранспорте, в авиации, на судах и стационарных установках. Лицензиюна производство двигателя Ф. Ванкеля приобрелоболее чем 20 фирм, в их числе и такие как «Дженерал Моторс», «Форд. К 2000 г. было изготовлено более двух миллионов автомобилей с РПД. Пятов И. Феликс Ванкель - изобретатель роторно-поршневого двигателя / И.Пятов // Двигатель. - 2001. - №4.

В последние годы продолжается процесс совершенствования и улучшения показателей бензиновых двигателей и дизелей. Развитие бензиновых двигателей идёт по пути улучшения их экологических характеристик, экономичности и мощностных показателей путем более широкого применения и совершенствования системы впрыска бензина в цилиндры; применения электронных систем управления впрыском, расслоения заряда в камере сгорания с обеднением смеси на частичных нагрузках; увеличения энергии электрической искры при зажигании и т. д. В результате экономичность рабочего цикла бензиновых двигателей становится близкой к экономичности дизелей.

Для повышения технико-экономических показателей дизелей используют повышение давления впрыскивания топлива, применяют управляемые форсунки, форсирование по среднему эффективному давлению путём наддува и охлаждения наддувочного воздуха, используют мероприятия по снижению токсичности отработавших газов.

Таким образом, непрерывное совершенствование двигателей внутреннего сгорания обеспечило им господствующее положение, и только в авиации двигатель внутреннего сгорания уступил свои позиции газотурбинному двигателю. Для других отраслей народного хозяйства альтернативных энергетических установок малой мощности, столь же универсальных и экономичных, как двигатель внутреннего сгорания, еще не предложено. Поэтому и на отдаленную перспективу двигатель внутреннего сгорания рассматривается как основной тип энергетической установки средней и малой мощности для транспорта и других отраслей народного хозяйства.

Анализ деятельности нефтяной компании ОАО "Самотлорнефтегаз"

ТНК-ВР является одной из ведущих нефтяных компаний России и входит в десятку крупнейших частных нефтяных компаний в мире по объемам добычи нефти...

Анализ деятельности унитарного муниципального предприятия "Нижнеудинский хлебозавод"

Унитарное муниципальное предприятие "Нижнеудинский ХЛЕБОЗАВОД" и его предшественники. Объединённый архивный фонд. В 1931 году 20-го столетия в г. Нижнеудинске между рекой Уда и ее протокой Застрянка была построена кустарная пекарня...

Анализ деятельности Уральского центра стандартизации, метрологии и сертификации (ФГУ "Уралтест")

В 1899 году Урал и Сибирь посетил великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907 гг.) Приехав на Урал в качестве главы экспедиции, задачей которой было изучение горнорудного дела...

Анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания

Двигателем внутреннего сгорания называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя...

Исследование влияния концентрации щелочи на структуру диспергированных порошков и свойства керамических материалов, спеченных из них

Доокисление отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является одной из наиболее сложных и актуальных проблем защиты окружающей среды от загрязнения токсичными веществами...

История возникновения современных бульдозеров

Слово "бульдозер" появилось в конце XIX века - оно относилось к любой силе, способной сдвинуть большую массу. В 1929 году появился именно первый бульдозер - огромная и шумная машина...

История создания и развития двигателей внутреннего сгорания

В настоящее время наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания (ДВС) - тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо)...

Коррозийно-механическое изнашивание оборудования

Поршневые кольца и цилиндровые втулки (гильзы) двигателей, изготовленные из литейных чугунов, при наличии электролита образуют гальванические пары как друг с другом, так и между структурными составляющими чугуна - перлитом, графитом...

Проект реконструкции моторного участка в условиях ООО "Автоэкспресс"

ООО «Автоэкспресс» организовано в 1997 году с целью продвижения торговой марки Subaru на украинском рынке. Находится по адресу: г. Донецк, пр. Ильича, 65...

Проектирование рабочего органа скрепера

Первые землеройно-транспортные машины выполнялись на катках, позже -- на деревянных и металлических колесах. По мере увеличения мощности и массы машин давление на грунт возрастало...

Создание максимально легкого и мощного двигателя - первоочередная задача для инженеров всех автомобильных компаний, которою они с тем или иным успехом пытаются решить уже более ста лет. Гильза цилиндров -- это важная часть блока цилиндров...

Разработка и исследование автоматизированного устройства для лазерного термоупрочнения гильз цилиндров на базе двигателей с полым ротором

Блок цилиндров или блок-картер является основой двигателя. На нем и внутри него расположены основные механизмы и детали систем двигателя. У большинства современных двигателей жидкостного охлаждения цилиндр, где перемещается поршень...

Поршневым двигателем внутреннего сгорания называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра...

Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания Д-240

Технология переработки мясного сырья в ООО КМП "Мясная сказка" г. Тюмени

Комбинат мясных полуфабрикатов «Мясная сказка» зарегистрирован по адресу город Тюмень, улица Бабарынка, 20а/2. Участок расположения производства находится в черте города, что обеспечивает эффективную реализацию готовой продукции...

Это вступительная часть цикла статей посвящённых Двигателю Внутреннего Сгорания , являющаяся кратким экскурсом в историю, повествующая об эволюции ДВС. Так же, в статье будут затронуты первые автомобили.

В следующих частях будут подробно описаны различные ДВС:

Шатунно-поршневые
Роторные
Турбореактивные
Реактивные

Двигатель был установлен на лодку, которая смогла подняться вверх по течению реки Сона . Спустя год, после испытаний, братья получили патент на своё изобретение, подписаный Наполеоном Бонопартом, сроком на 10 лет.

Правильнее всего, было бы назвать этот двигатель реактивным, так как его работа заключалась в выталкивании воды из трубы находящейся под днищем лодки…

Двигатель состоял из камеры поджигания и камеры сгорания, сильфона для нагнетания воздуха, топливо-раздаточного устройства и устройства зажигания. Топливом для двигателя служила угольная пыль.

Сильфон впрыскивал струю воздуха смешанную с угольной пылью в камеру поджигания где тлеющий фитиль зажигал смесь. После этого, частично подожжённая смесь (угольная пыль горит относительно медленно) попадала в камеру сгорания где полностью прогорала и происходило расширение.
Далее давление газов выталкивало воду из выхлопной трубы, что заставляло лодку двигаться, после этого цикл повторялся.
Двигатель работал в импульсном режиме с частотой ~12 и/минуту.

Спустя некоторое время, братья усовершенствовали топливо добавив в него смолу, а позже заменили его нефтью и сконструировали простую систему впрыска .
В течении следующих десяти лет проект не получил никакого развития. Клод уехал в Англию с целью продвижения идеи двигателя, но растратил все деньги и ничего не добился, а Джозеф занялся фотографией и стал автором первой в мире фотографии «Вид из окна» .

Во Франции, в доме-музее Ньепсов, выставлена реплика «Pyreolophore».

Чуть позже, де Рива водрузил свой двигатель на четырёхколёсную повозку, которая, по мнению историков, стала первым автомобилем с ДВС.

Про Алессандро Вольта

Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока («Вольтов столб») .

В 1776 г. Вольта изобрел газовый пистолет - «пистолет Вольты», в котором газ взрывался от электрической искры.

В 1800 году построил химическую батарею, что позволило получать электричество с помощью химических реакций.

Именем Вольты названа единица измерения электрического напряжения - Вольт.

A - цилиндр, B - «свеча» зажигания, C - поршень, D - «воздушный» шар с водородом, E - храповик, F - клапан сброса отработанных газов, G - рукоятка для управления клапаном.

Водород хранился в «воздушном» шаре соединённым трубой с цилиндром. Подача топлива и воздуха, а так же поджиг смеси и выброс отработанных газов осуществлялись вручную, с помощью рычагов.

Принцип работы:

Через клапан сброса отработанных газов в камеру сгорания поступал воздух.
Клапан закрывался.
Открывался кран подачи водорода из шара.
Кран закрывался.
Нажатием на кнопку подавался электрический разряд на «свечу».
Смесь вспыхивала и поднимала поршень вверх.
Открывался клапан сброса отработанных газов.
Поршень падал под собственным весом (он был тяжёлый) и тянул верёвку, которая через блок поворачивала колёса.

После этого цикл повторялся.

В 1813 году де Рива построил ещё один автомобиль. Это была повозка длиной около шести метров, с колесами двухметрового диаметра и весившея почти тонну.
Машина смогла проехать 26 метров с грузом камней (около 700 фунтов) и четырьмя мужчинами, со скоростью 3 км/ч.
С каждым циклом, машина перемещалась на 4-6 метров.

Мало кто из его современников серьезно относился к этому изобретению, а Французская Академия Наук утверждала, что двигатель внутреннего сгорания никогда не будет конкурировать по производительности с паровой машиной.

В 1833 году , американский изобретатель Лемюэль Веллман Райт , зарегистрировал патент на двухтактный газовый двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением.
(см. ниже) в своей книге «Gas and Oil Engines» написал о двигателе Райта следующее:

«Чертеж двигателя весьма функционален, а детали тщательно проработаны. Взрыв смеси действует непосредственно на поршень, который через шатун вращает кривошипный вал. По внешнему виду двигатель напоминает паровую машину высокого давления, в которой газ и воздух подаются с помощью насосов из отдельных резервуаров. Смесь, находящаяся в сферических ёмкостях поджигалась во время подъёма поршня в ВМТ (верхняя мёртвая точка) и толкала его вниз/вверх. В конце такта открывался клапан и выбрасывал выхлопные газы в атмосферу.»

Неизвестно, был ли когда-либо этот двигатель построен, однако есть его чертёж:

В 1838 году , английский инженер Уильям Барнетт получил патент на три двигателя внутреннего сгорания.

Первый двигатель - двухтактный одностороннего действия (топливо горело только с одной стороны поршня) с отдельными насосами для газа и воздуха. Поджиг смеси происходил в отдельном цилиндре, а потом горящая смесь перетекала в рабочий цилиндр. Впуск и выпуск осуществлялся через механические клапана.

Второй двигатель повторял первый, но был двойного действия, то есть горение происходило попеременно с обоих сторон поршня.

Третий двигатель, так же был двойного действия, но имел впускные и выпускные окна в стенках цилиндра открывающееся в момент достижения поршнем крайней точки (как в современных двухтактниках). Это позволяло автоматически выпускать выхлопные газы и впускать новый заряд смеси.

Отличительной особенностью двигателя Барнетта было то, что свежая смесь сжималась поршнем перед воспламенением.

Чертёж одного из двигателей Барнетта:

В 1853-57 годах , итальянские изобретатели Еугенио Барзанти и Феличе Маттеуччи разработали и запатентовали двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания мощность 5 л/с.
Патент был выдан Лондонским бюро так как итальянское законодательство не могло гарантировать достаточную защиту.

Строительство прототипа было поручено компании «Bauer & Co. of Milan» (Helvetica) , и завершено в начале 1863 года. Успех двигателя, который был гораздо более эффективным чем паровая машина, оказался настолько велик, что компания стала получать заказы со всего света.

Ранний, одноцилиндровый двигатель Барзанти-Маттеуччи:

Модель двухцилиндрового двигателя Барзанти-Маттеуччи:

Маттеуччи и Барзанти заключили соглашение на производство двигателя с одной из бельгийских компаний. Барзанти отбыл в Бельгию для наблюдения за работой лично и внезапно умер от тифа. Со смертью Барзанти все работы по двигателю были прекращены, а Маттеуччи вернулся к своей прежней работе в качестве инженера-гидравлика.

В 1877 году, Маттеуччи утверждал, что он с Барзанти были главными создателями двигателя внутреннего сгорания, а двигатель построенный Августом Отто очень походил на двигатель Барзанти-Маттеуччи.

Документы касающиеся патентов Барзанти и Маттеуччи хранятся в архиве библиотеки Museo Galileo во Флоренции.

Самым главным изобретением Николауса Отто был двигатель с четырёхтактным циклом - циклом Отто . Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Четырёхтактный 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 Роша (см. выше) . Группа французских промышленников оспорила патент Отто в суде, суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырёхтактный цикл.

Не смотря на то, что конкуренты наладили выпуск четырёхтактных двигателей, отработанная многолетним опытом модель Отто всё равно была лучшей, и спрос на неё 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 их применения.
Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два - в Москве и Петербурге.

В 1865 году , французкий изобретатель Пьер Хьюго получил патент на машину представлявшую собой вертикальный одноцилиндровый двигатель двойного действия, в котором для подачи смеси использовались два резиновых насоса, приводимых в действие от коленчатого вала.

Позже Хьюго сконструировал горизонтальный двигатель схожий с двигателем Ленуара.

Science Museum, London.

В 1870 году , австро-венгерский изобретатель Сэмюэль Маркус Зигфрид сконструировал двигатель внутреннего сгорания работающий на жидком топливе и установил его на четырёхколёсную тележку.

Сегодня этот автомобиль хорошо известен как «The first Marcus Car».

В 1887 году, в сотрудничестве с компанией «Bromovsky & Schulz», Маркус построил второй автомобиль - «Second Marcus Car».

В 1872 году , американский изобретатель запатентовал двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания постоянного давления, работающий на керосине.
Брайтон назвал свой двигатель «Ready Motor».

Первый цилиндр выполнял функцию компрессора, нагнетавшего воздух в камеру сгорания, в которую непрерывно поступал и керосин. В камере сгорания смесь поджигалась и через золотниковый механизм поступало во второй - рабочий цилиндр. Существенным отличием от других двигателей, было то, что топливовоздушная смесь сгорала постепенно и при постоянном давлении.

Интересующиеся термодинамическими аспектами двигателя, могут почитать про «Цикл Брайтона» .

В 1878 году , шотландский инженер Сэр (в 1917 году посвящён в рыцари) разработал первый двухтактный двигатель с воспламенением сжатой смеси. Он запатентовал его в Англии в 1881 году.

Двигатель работал любопытным образом: в правый цилиндр подавался воздух и топливо, там оно смешивалось и эта смесь выталкивалась в левый цилиндр, где и происходило поджигание смеси от свечи. Происходило расширение, оба поршня опускались, из левого цилиндра (через левый патрубок) выбрасывались выхлопные газы, а в правый цилиндр всасывалась новая порция воздуха и топлива. Следуя по инерции поршни поднимались и цикл повторялся.

В 1879 году , построил вполне надежный бензиновый двухтактный двигатель и получил на него патент.

Однако настоящий гений Бенца проявился в том, что в последующих проектах он сумел совместить различные устройства (дроссель, зажигание с помощью искры с батареи, свеча зажигания, карбюратор, сцепление, КПП и радиатор) на своих изделиях, что в свою очередь стало стандартом для всего машиностроения.

В 1883 году, Бенц основал компанию «Benz & Cie» по производству газовых двигателей и в 1886 году запатентовал четырехтактный двигатель, который он использован на своих автомобилях.

Благодаря успеху компании «Benz & Cie», Бенц смог заняться проектированием безлошадных экипажей. Совместив опыт изготовления двигателей и давнишнее хобби - конструирование велосипедов, к 1886-му году он построил свой первый автомобиль и назвал его "Benz Patent Motorwagen ".

Конструкция сильно напоминает трехколёсный велосипед.

Одноцилиндровый четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания рабочим объёмом 954 см3., установленный на "Benz Patent Motorwagen ".

Двигатель был оснащён большим маховиком (использовался не только для равномерного вращения, но и для запуска) , бензобаком на 4,5 л., карбюратором испарительного типа и золотниковым клапаном, через который топливо поступало в камеру сгорания. Воспламенение производилось свечой зажигания собственной конструкции Бенца, напряжение на которую подавалось от катушки Румкорфа .

Охлаждение было водяным, но не замкнутого цикла, а испарительным. Пар уходил в атмосферу, так что заправлять автомобиль приходилось не только бензином, но и водой.

Двигатель развивал мощность 0,9 л.с. при 400 об/мин и разгонял автомобиль до 16 км/ч.

Карл Бенц за «рулём» своего авто.

Чуть позже, в 1896 году, Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель (или плоский двигатель) , в котором поршни достигают верхней мертвой точки в одно и то же время, тем самым уравновешивая друг друга.

Музей «Mercedes-Benz» в Штутгарте.

В 1882 году , английский инженер Джеймс Аткинсон придумал цикл Аткинсона и двигатель Аткинсона.

Двигатель Аткинсона - это по существу двигатель, работающий по четырёхтактному циклу Отто , но с измененным кривошипно-шатунным механизмом. Отличие заключалось в том, что в двигателе Аткинсона все четыре такта происходили за один оборот коленчатого вала.

Использование цикла Аткинсона в двигателе позволяло уменьшить потребление топлива и снизить уровень шума при работе за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в этом двигателе не требовалось редуктора для привода газораспределительного механизма, так как открытие клапанов приводил в движение коленчатый вал.

Не смотря на ряд преимуществ (включая обход патентов Отто) двигатель не получил широкого распространения из-за сложности изготовления и некоторых других недостатков.
Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах выдаёт сравнительно малый момент и может заглохнуть.

Сейчас двигатель Аткинсона применяется на гибридных автомобилях «Toyota Prius» и «Lexus HS 250h».

В 1884 году , британский инженер Эдвард Батлер , на лондонской выставке велосипедов "Stanley Cycle Show " продемонстрировал чертежи трёхколёсного автомобиля с бензиновым двигателем внутреннего сгорания , а в 1885 году построил его и показал на той же выставке, назвав «Velocycle». Так же, Батлер был первым кто использовал слово бензин .

Патент на «Velocycle» был выдан в 1887 году.

На «Velocycle» был установлен одноцилиндровый, четырёхтактный бензиновый ДВС оснащенный катушкой зажигания, карбюратором, дросселем и жидкостным охлаждением. Двигатель развивал мощность около 5 л.с. при объёме 600 см3, и разгонял автомобиль до 16 км/ч.

На протяжении многих лет Батлер улучшал характеристики своего транспортного средства, но был лишен возможности его тестировать из-за "Закона Красного Флага " (издан в 1865 году) , согласно которому транспортные средства не должны были превышать скорость свыше 3 км/ч. Кроме того, в автомобиле должны были присутствовать три человека, один из которых должен был идти перед автомобилем с красным флагом (такие вот меры безопасности) .

В журнале «Английский Механик» от 1890 года, Батлер написал - «Власти запрещают использование автомобиля на дорогах, в следствии чего я отказываюсь от дальнейшего развития.»

Из-за отсутствия общественного интереса к автомобилю, Батлер разобрал его на металлолом, и продал патентные права Гарри Дж. Лоусону (производителю велосипедов) , который продолжил производство двигателя для использования на катерах.

Сам же Батлер перешёл к созданию стационарных и судовых двигателей.

В 1891 году , Герберт Эйкройд Стюарт в сотрудничестве с компанией "Richard Hornsby and Sons " построил двигатель «Hornsby-Akroyd», в котором топливо (керосин) под давлением впрыскивалось в дополнительную камеру (из-за формы её называли «горячий шарик») , установленную на головке блока цилиндров и соединённую с камерой сгорания узким проходом. Топливо воспламенялось от горячих стенок дополнительной камеры и устремлялось в камеру сгорания.

1. Дополнительная камера (горячий шарик) .
2. Цилиндр.
3. Поршень.
4. Картер.

Для запуска двигателя использовалась паяльная лампа, которой нагревали дополнительную камеру (после запуска она подогревалась выхлопными газами) . Из-за этого двигатель «Hornsby-Akroyd», который был предшественником дизельного двигателя сконструированного Рудольфом Дизелем , часто называли «полу-дизелем». Однако спустя год Эйкройд усовершенствовал свой двигатель добавив к нему «водяную рубашку» (патент от 1892 г.), что позволило повысить температуру в камере сгорания за счёт увеличения степени сжатия, и теперь уже не было необходимости в дополнительном источнике нагрева.

В 1893 году , Рудольф Дизель получил патенты на тепловой двигатель и модифицированный "цикл Карно " под названием «Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу».

В 1897 году, на «Аугсбургском машиностроительном заводе» (с 1904 года MAN) , при финансовом участии компаний Фридриха Круппа и братьев Зульцер, был создан первый функционирующий дизель Рудольфа Дизеля
Мощность двигателя составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту, КПД 26,2 % при весе пять тонн.
Это намного превосходило существующие двигатели Отто с КПД 20 % и судовые паровые турбины с КПД 12 %, что вызвало живейший интерес промышленности в разных странах.

Двигатель Дизеля был четырёхтактным. Изобретатель установил, что КПД двигателя внутреннего сгорания повышается от увеличения степени сжатия горючей смеси. Но сильно сжимать горючую смесь нельзя, потому что тогда повышаются давление и температура и она самовоспламеняется раньше времени. Поэтому Дизель решил сжимать не горючую смесь, а чистый воздух и концу сжатия впрыскивать топливо в цилиндр под сильным давлением.
Так как температура сжатого воздуха достигала 600-650 °C, топливо самовоспламенялось, и газы, расширяясь, двигали поршень. Таким образом Дизелю удалось значительно повысить КПД двигателя, избавиться от системы зажигания, а вместо карбюратора использовать топливный насос высокого давления
В 1933 году Эллинг пророчески писал: «Когда я начал работать над газовой турбиной в 1882 году, я был твёрдо уверен в том, что моё изобретение будет востребовано в авиастроении.»

К сожалению, Эллинг умер в 1949 году, так и не дожив до наступления эры турбореактивной авиации.

Единственное фото, которое удалось найти.

Возможно кто-то найдёт что-либо об этом человеке в "Норвежском музее техники ".

В 1903 году , Константин Эдуардович Циолковский , в журнале «Научное обозрение» опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами », где впервые доказал, что аппаратом, способным совершить космический полёт, является ракета. В статье был предложен и первый проект ракеты дальнего действия. Корпус её представлял собой продолговатую металлическую камеру, снабжённую жидкостным реактивным двигателем (который тоже является двигателем внутреннего сгорания) . В качестве горючего и окислителя он предлагал использовать соответственно жидкие водород и кислород.

Наверное на этой ракетно-космической ноте и стоит закончить историческую часть, так как наступил 20-ый век и Двигатели Внутреннего Сгорания стали производиться повсеместно.

Философское послесловие…

К.Э. Циолковский полагал, что в обозримом будущем люди научатся жить если не вечно, то по крайней мере очень долго. В связи с этим на Земле будет мало места (ресурсов) и потребуются корабли для переселения на другие планеты. К сожалению, что-то в этом мире пошло не так, и с помощью первых ракет люди решили просто уничтожать себе подобных...

Спасибо всем кто прочитал.

Все права защищены © 2016
Любое использование материалов допускается только с указанием активной ссылки на источник.

Изначально стоит оговориться, что приписать полное авторство в этой области кому-либо конкретно невозможно.

Например, уже в рукописях Герона Александрийского (150 год до н.э.) было высказано предположение, что возможно использование силы пара для привода механизмов и создания движителя. Позже, подобная мысль одолевала Леонардо да Винчи. В 1643 году Эванджелиста Торричелли описал силовое воздействие давления воздуха. Но они так и остались только авторами идей. Авторами (создателями) ДВС стали другие.

В 1680 году голландец Кристиан Гюйгенс спроектировал первую силовую машину, которая базировалась на явлении расширения газов в цилиндре при взрыве пороха. Фактически это был первый двигатель внутреннего сгорания!

Физик Дени Папен изучал работу поршня в цилиндре. В 1690 году в Марбурге он создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счет нагревания и конденсации пара. Это был один из первых паровых котлов. Конструкцию паровой машины (цилиндр и поршень) Дени Папену подсказал Лейбниц. Столетия силами многих инженеров паровая машина усовершенствовалась, среди них был и Джеймс Уатт, впервые использовавший термин «лошадиная сила» для обозначения мощности.

Небольшие мастерские не всегда могли воспользоваться паровым двигателем. Дело в том, что такой двигатель имел очень невысокий КПД (менее 10%). Кроме того, его использование было связано с большими затратами и хлопотами: для того чтобы запустить его в ход, необходимо было развести огонь и навести пары. Даже если машина была нужна только временами, её все равно приходилось постоянно держать под парами. Это было неудобно. Для мелкой промышленности требовался двигатель небольшой силы, занимающий мало места, который можно было бы запускать и останавливать в любое время и без долгой подготовки.

Алессандро Вольта (1777 год): в капсуле подрывалась с помощью электрической искры смесь воздуха с каменноугольным газом. В 1807 году швейцарец Исаак де Ривац получил патент на использование смеси воздуха с каменноугольным газом как средства генерации механической энергии.

1801 год. Филипп Лебон

В последний год XVIII века французский инженер Филипп Лебон (1769-1804) открыл светильный газ. Традиция приписывает его успех случайности: Лебон увидел, как вспыхнул газ, истекавший из поставленного на огонь сосуда с древесными опилками, и понял, какую пользу можно извлечь из этого явления. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путем сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение, прежде всего, для развития техники освещения. Во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать со 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 своё изобретение.

Но идея его продолжала жить! Действительно, принцип действия газового двигателя намного проще, чем паровой машины, так как здесь топливо само непосредственно производит давление на поршень, тогда как в паровом двигателе тепловая энергия сначала передаётся носителю - водяному пару, который и совершает полезную работу. 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 паровыми.

Следующий крупный шаг был сделан в 1825 году, когда Майкл Фарадей получил из каменного угля бензол — первое жидкое топливо для двигателя внутреннего сгорания.

1862 год. Этьенн Ленуар

Этьенн Ленуар (1822-1900) вынужден был оставить свою мечту стать инженером и начал работать официантом в довольно непритязательном ресторане "Холостой парижанин". Среди завсегдатаев заведения часто встречались владельцы мастерских и механики. Так, подавая закуски и разнося спиртное, молодой человек жил проблемами механиков и инженеров, а в его голове уже начинал рождаться смелый план по принципиальному усовершенствованию такой диковинки, как двигатель. Вскоре, оставив место гарсона, Ленуар поступил на работу в одну из мастерских, где его обязанностью стало составление новых эмалей. Примерно через год, поссорившись с хозяином, Ленуар стал механиком-одиночкой, чинившим всё подряд - от экипажей до отхожих мест и кухонной утвари. Поработав какое-то время и не добившись ни благодарности, ни денег, он поступил в механическое и литейное заведение итальянца Маринони, которое с помощью Ленуара преобразилось в гальванопластическую мастерскую. Наконец-то, Ленуар повёл безбедную жизнь и получил возможности для экспериментального изобретательства. В то время он создал свои вариации маломощного электромотора, регулятора динамомашин, водомера. Ленуар запатентовал все свои изобретения и продолжал опыты.

Первый, опытный образец двигателя приятно удивил Ленуара и его спонсора Маринони своей безшумностью. Были и минусы - он слишком быстро нагревался во время работы и требовал принципиально другого охлаждения. Из-за юридической промашки машина Ленуара была опечатана, однако (нет худа без добра), именно это подтолкнуло его к созданию собственной фирмы. И очень скоро начала работу фирма по выпуску газовых двигателей «Ленуар и Ко». Мотор Ленуара, мощностью в 4 лошадиные силы, производили французские фирмы «Маринони», «Лефевр», «Готье» и немецкая фирма «Кун».

В 1860 году Ленуар получил патент на своё изобретение, и в том же году с двигателем познакомился немецкий инженер Отто, создавший впоследствии вместе с Лангеном фирму для производства таких двигателей. Именно эта фирма, поначалу прославившая труд Ленуара, впоследствии отнимет его лавры.

Машина Ленуара с успехом демонстрировалась на Парижской выставке 1862 года. Французский журнал «Иллюстрасьон» предложил публике чертёж и описание омнибуса Ленуара — трехколесного восьмиместного экипажа с этим двигателем. Это было интересное время - время инженерных дерзаний и неисчерпаемых идей и возможностей. Самые смелые и революционные решения не давали покоя гениальным "технарям" по всему свету - впереди была эра прогресса. В декабре 1872 года газовый двигатель Ленуара был установлен на дирижабле, испытания прошли успешно. Однако, слава Ленуара была недолгой - уже в 1878 году его обошли немцы - шумная и громоздкая 4-тактная машина его бывшего коллеги Отто с большим вертикальным колесом маховика, работала с КПД равным 16%, тогда как в двухтактном двигателе Ленуара он достиг лишь 5%. Безусловно, рекорд был побит.

1878 год. Август Отто и его такты

В 1864 году Август Отто 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, 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 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, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 16%, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.

Наиболее сложной проблемой при такой конструкции двигателя было создание механизма передачи движения рейки на вал. Для этой цели было изобретено особое передаточное устройство с шариками и сухариками. Когда поршень с рейкой взлетал вверх, сухарики, охватывавшие вал своими наклонными поверхностями, так взаимодействовали с шариками, что те не препятствовали перемещению рейки, но как только рейка начинала двигаться вниз, шарики скатывались по наклонной поверхности сухариков и плотно прижимали их к валу, вынуждая его вращаться. Эта конструкция обеспечивала жизнеспособность двигателя.

Поскольку двигатели Отто были почти в 5 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 (многих смущал вид рейки, взлетавшей вверх в течение долей секунды, к тому же её движение сопровождалось неприятным дребезжащим грохотом).

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. И в 1878 году новые двигатели уже были запущены в производство.

Во всех более ранних газовых двигателях смесь газа и воздуха зажигалась в рабочем цилиндре при атмосферном давлении. Однако действие взрыва было тем сильнее, чем давление было больше. Следовательно, при сжимании смеси взрыв должен был быть более сильным. В новом газовом двигателе Отто, газ сжимался до 3 атм., вследствие чего двигатель стал меньше по размерам, но его мощность возросла.

Для того чтобы сделать вращение вала более равномерным, его снабжали массивным маховиком. Ведь из четырех ходов поршня только один соответствовал полезной работе, и маховик должен был давать энергию для трёх последующих ходов (или, что то же самое, во время 1,5 оборотов). Воспламенение смеси производилось, как и прежде, открытым пламенем. Из-за кривошипно-шатунного соединения с валом получить расширение газа до атмосферного не удавалось, и поэтому КПД двигателя был ненамного выше, чем у предыдущих моделей. Зато он оказался самым высоким для тепловых двигателей того времени.

Четырёхтактный 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 Во де Рошем. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырехтактный цикл. Отто болезненно переживал эту неудачу, между тем дела его фирмы шли совсем не плохо. Хотя конкуренты наладили выпуск четырехтактных двигателей, отработанная многолетним производством модель Отто всё равно была лучшей, и спрос на неё 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 в Петербурге. Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жидкого топлива. Еще в 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешел к более легкому нефтепродукту - бензину. Но для того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство (впоследствии оно стало называться карбюратором) для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом. Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых «испарительных» карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.

Немец Майбах предложил не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало равномерное распределение смеси по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклёр. Жиклёр выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха. Для поддержания напора был предусмотрен маленький бачок с поплавком, который поддерживал уровень на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха. Карбюратор таким образом состоял из двух частей: поплавковой камеры и смесительной камеры. В камеру топливо свободно поступало из бака по трубке и держалось на одном уровне поплавком, который поднимался вместе с уровнем топлива и при наполнении, с помощью рычага, опускал иглу и тем закрывал доступ топливу. Количество доставляемой в цилиндр смеси регулировалось поворачиванием заслонки (дросселя).

Немецкий инженер Юлиус Даймлер . много лет работал в фирме Отто и был членом её правления. В начале 80-х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто (как в свое время Уатт в аналогичной ситуации) 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. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскаленной полой трубочки, открытой в цилиндр.

Между тем другой немец, Карл Бенц, владелец компании "Бенц и К" в Мангейме, разработал свой двигатель с электрическим зажиганием. В 1886 году он выпустил трехколесный автомобиль, который может считаться первым настоящим автомобилем. В том же году Даймлер встроил двигатель в кузов.

Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объём цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров. В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX столетия стали распространяться четырёхцилиндровые. Последние устраивались таким образом, что в каждом из цилиндров четырёхтактный цикл был сдвинут на один ход поршня. Благодаря этому достигалась хорошая равномерность вращения коленчатого вала.

История создания дизельного двигателя.

В наше время слово "дизель" у большинства людей вызывает ассоциации лишь с двигателем внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, работающим на жидком топливе. И немногие знают, что этот двигатель назван в честь немецкого изобретателя - Рудольфа Кристиана Карла Дизеля (1858-1913 г.г.)

Родители Рудольфа были переплетчиками, книготорговцами. Свою родословную семья ведёт из тюрингского городка Пёснека (Германия). Однако родился Рудольф в Париже 18 марта 1858 г.

Семья его отца, Теодора Дизеля, много лет жила в этом городе, и никто не вспоминал, что они немцы. Но в 1870 г. началась франко-прусская война и пришлось Дизелям перебраться в Англию. Позже мальчика отправили к родственникам, в город Аугсбург (Германия). Там Рудольф с отличием оканчивает Высшую Политехническую школу в Мюнхене. Музыка, поэзия и изобразительное искусство привлекали Рудольфа столь же сильно, как и математика. Работоспособность юноши была феноменальной, а упорство в достижении цели ошеломляло знакомых.

Вскоре профессор Карл фон Линде предложил ему место директора в парижском отделении своей фирмы. Изобретатель "холодильника Линде" заинтересовал Дизеля проблемами тепловых двигателей - паровых машин и моторов внутреннего сгорания, только что появившихся благодаря изобретениям Николауса Августа Отто.

За 10 лет Дизель разработал сотни чертежей и расчётов двигателя абсорбционного типа, работавшего на аммиаке. Фантазия молодого инженера не знала границ - от миниатюрных моторчиков для швейных машин до гигантских стационарных агрегатов, использующих солнечную энергию! И всё же Дизелю никак не удавалось создать, хотя бы на бумаге эффективный двигатель.

Задавшись целью построить экономичный двигатель, предложенный еще в 1824 г. французским офицером Никола Леонаром Сади Карно (1796-1832), Дизель тщательно изучил его единственный, безсмертный трактат "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных использовать эту силу". По мысли Карно, в максимально экономичном двигателе нагревать рабочее тело до температуры горения топлива необходимо лишь "изменением объема", т.е. быстрым сжатием. Когда же топливо вспыхнет, надо ухитриться поддерживать температуру постоянной. А это возможно только при одновременном сгорании топлива и расширении нагреваемого газа.

В 1890 г. Рудольф переехал в Берлин и... заменил аммиак сильно нагретым сжатым воздухом. "В неустанной погоне за целью, в итоге безконечных расчётов родилась наконец-то идея, наполнившая меня огромной радостью, - писал изобретатель. Нужно вместо аммиака взять сжатый горячий воздух, ввести в него распылённое топливо, и одновременно со сгоранием, расширить горящую смесь так, чтобы как можно больше тепла использовать для полезной работы."

В 1892 г. Дизель получил патент, оказавшийся одним из самых дорогостоящих в мире. А затем опубликовал описание двигателя. "Моя идея, писал он семье, настолько опережает всё, что создано в данной области до сих пор, что можно смело сказать - я первый в этом новом и наиважнейшем разделе техники на нашем маленьком Земном шарике! Я иду впереди лучших умов человечества по обе стороны океана!"

Никогда ещё теоретические построения не вызывали такого огромного интереса среди специалистов. Однако большинство оценивало идею как практически неосуществимую. Но были и другие примеры. "Я прочел вашу работу с большим интересом: так радикально и смело ещё никто, кто предрекал паровому двигателю закат, не выступал. А такой смелости будет принадлежать и победа!"- писал профессор М. Шраттер. Дизель верил в свою машину...

1893 год. Дизельный двигатель. Этап 1.

Первый опытный двигатель был построен уже в 1893 г. в Аугсбурге. Постройкой руководил сам Дизель. Сразу же приступили к испытаниям, однако первый опытный образец взорвался, изобретатель и его помощник чуть не погибли. Двигатель использовал в качестве топлива буроугольную пыль и был без водяного охлаждения стенок цилиндра.

Не достигнув положительного результата на угольной пыли, Рудольф Дизель, после попытки использовать светильный газ, окончательно остановил свой выбор на жидком топливе.

1894 год. Дизельный двигатель. Этап 2.

В феврале 1894 года начались испытания второго опытного образца двигателя, в котором в качестве топлива использовался уже керосин.

1895 год. Дизельный двигатель. Этап 3.

После первых двух неудач он сконструировал третью модель. "Первый двигатель не работает, второй работает несовершенно, третий будет хорош!" - говорил Дизель своему коллеге Фогелю. В 1895 г. закончилась сборка третьего образца, содержащего уже все основные элементы будущего дизель-мотора. Он действительно оказался хорош! Но при его создании Дизелю пришлось отказаться от многих своих первоначальных замыслов. Например, совершенно не удалось ему достичь ожидаемых результатов от работы двигателя без водяного охлаждения. Хотя возможность такой работы, предсказанная Дизелем теоретически, и была во время испытаний доказана, но опыты убедили его, что осуществлять на практике это нецелесообразно. Положительные результаты появились лишь после того, как двигатель оборудовали водяным охлаждением, а подачу жидкого топлива в цилиндр и его распыливание стали выполнять при помощи сжатого воздуха. По поводу введения водяного охлаждения Дизель, поясняя работу и результаты испытаний первого опытного двигателя в своем докладе на съезде Союза германских инженеров, скажет следующее: "Обращаю внимание на то, что эта машина работала без водяной рубашки и что, таким образом, была доказана возможность работать без водяного охлаждения, предусмотренная теоретически. По практическим соображениям, при дальнейших выполнениях машины, была применена водяная охлаждающая рубашка, которая главным образом даёт возможность получать при тех же размерах цилиндра большую работу."

1896 год. Дизельный двигатель. Этап 4.

В конце 1896 г. был построен окончательный, четвёртый вариант опытного двигателя мощностью 20 л.с.

При официальных испытаниях в феврале 1897 г., проводившихся под руководством профессора М. Шрётера, этот двигатель расходовал 240 г керосина на 1 л.с. в час, эффективный КПД его составил 26%. Таких показателей не имел ещё ни один из существоваших на то время двигателей. Работа двигателя осуществлялась за четыре такта. За первый ход поршня в цилиндр всасывался воздух, за второй он сжимался приблизительно до 4 МПа, нагреваясь при этом примерно до 600°С. И в среду разогретого сжатием воздуха через форсунку (сжатым воздухом под давлением 5-6 МПа) начинало вводиться жидкое топливо (керосин). Попадая в разогретый воздух, топливо самовоспламенялось и горело почти при постоянном давлении (но не при постоянной температуре, как ожидал Дизель, патентуя цикл). Подача керосина в цилиндр продолжалась примерно 1/5 часть третьего хода поршня. На остальной части хода, происходило расширение продуктов сгорания. За четвертый ход поршня - осуществлялся выпуск сгоревшего топлива в атмосферу. Рабочий цикл созданного двигателя сильно отличался от запатентованного.

Выставка паровых машин 1898 года в Мюнхене стала кульминацией невероятного успеха Дизеля. Заказы на двигатель приобретали немецкиие и иностранные предприятия нарасхват. На 39-летнего инженера обрушился золотой дождь!!!

Забросив исследования, Дизель ударился в коммерцию. Обладая уже шестимиллионным состоянием, он основал предприятие по строительству электропоездов, финансировал католические лотереи, покупал и продавал всевозможные фирмы. Но поразительно - ещё ни один мотор "системы Дизеля" к тому времени даже не был продан!

Скандал разразился, когда первые дизели оказались не в состоянии работать. Отменяются соглашения, приостанавливаются выплаты Дизелю. Принадлежавшая изобретателю Аугсбургская фабрика обанкротилась. Из-за обилия мелких неполадок дизель-мотор подорвал своё реноме. Необходимая точность при изготовлении ряда деталей значительно превышала уровень возможностей большинства заводов. Помимо технологических трудностей, встал вопрос о создании новых жаростойких материалов. Некоторые фирмы заявили о "непригодности" дизель-моторов для серийного производства...

Столкнувшись со стеной недоброжелательства в Германии, Дизель наладил взаимоотношения с зарубежными промышленниками. Во Франции, Швейцарии, Австрии, Бельгии, России и Америке.

1903 год. Приключение дизеля в России.

Как только промышленный мир облетела весть о новом двигателе, Эммануэль Нобель, владелец машиностроительного завода в Петербурге, сразу же понял, что в России дизелям уготовано большое будущее. Потому что в России находятся неисчерпаемые запасы нефти, которая даже в чистом виде, без переработки, способна стать топливом для нового двигателя. Ну и, конечно же, была в том выгода не только для всей Руси великой, но и конкретно для семейства Нобелей, владеющего нефтеперерабатывающим товариществом «Братья Нобель». И в 1897 году Эммануэль Нобель попытался приобрести патент на изготовление двигателя в России. Однако Дизель, купавшийся тогда в лучах всемирной славы, запросил запредельную цену - полмиллиона рублей золотом. Рачительный швед решил подождать более подходящего для сделки момента. Через год конструктор, получивший реалистические представления о законах бизнеса, снизил цену до 800 тыс. марок.

Приобретя патент, Нобель совершил акт неслыханного альтруизма: он предложил всем российским заводам соответствующего профиля, воспользовавшись чертежами патента, начать производство дизельных двигателей. Однако в связи с тем, что к тому моменту авторитет двигателя на Западе сильно пошатнулся, желающих не нашлось. И инженеры завода Нобеля начали самостоятельно разрабатывать модификацию двигателя, работающего на нефти. В ноябре 1899 года «нефтяной» дизель мощностью 20 л.с. был готов. В 1900 году на Парижской выставке его главный конструктор профессор Георгий Филиппович Депп доказал, что русский дизель превосходит зарубежные аналоги. Главной задачей для Нобеля было получение заказа военного ведомства на установку дизелей на военные корабли. В 1903 году в Петербурге, а также на Коломенском машиностроительном заводе начали выпускаться двигатели мощностью 150 л.с. Вначале дизели были установлены на два судна товарищества Нобелей - «Вандал» и «Сармат». Преимущества нефтяного двигателя по сравнению с паровой машиной были настолько очевидны, что владельцы пароходных компаний начали наперегонки оснащать дизелями свои суда.

Пока европейские державы спорили, кому взяться за производство моторов а-ля Дизель, их серийное производство наладила Россия, причем сразу нескольких типов: стационарный, быстроходный, судовой, реверсивный и пр. Дизель-моторы производили заводы в Коломне, Риге, Николаеве, Харькове и, конечно, завод «Людвиг Нобель» в Санкт-Петербурге (нефть Нобелей в моторах Нобелей для денег Нобелей) . В Европе дизель-мотор даже стали называть «русским двигателем». Дизель с удовольствием сотрудничал с русскими промышленниками - они единственные, кто регулярно платил изобретателю причитающиеся ему дивиденды.

Продолжение

"Изобретение... никогда не было лишь продуктом творческого воображения: оно представляет собой результат взаимосвязи между отвлеченной мыслью и материальным миром... Изобретателем история считает не того, кто с той или иной степенью определенности высказал первый подобные идеи, а того, кто осуществил свою идею, мелькнувшую, может быть, в уме множества других людей..."

Появление недорогого в эксплуатации двигателя означало победу нефти над углем, следовательно это не нравилось хозяевам угольного Рура. Несмотря на успехи нового типа двигателя, нападки недоброжелателей на Рудольфа Дизеля и его двигатель не ослабевали: "Дизель ничего не изобрел... он лишь собрал изобретения..."

В 1912 г., Рудольф Дизель приезжает в Америку. Инженерная общественность мира привыкла видеть в нем крупного преуспевающего специалиста, находящегося в зените славы,- недаром нью-йоркские газеты оповестили своих читателей о приезде "доктора Дизеля - знаменитого дипломированного инженера из Мюнхена". В лекционных залах, где он выступал с докладами, в вестибюлях гостиниц и фойе театров - всюду его осаждали корреспонденты. Сам Эдисон - чародей американского изобретательства - тогда публично заявил, что двигатель Рудольфа Дизеля является вехой в истории человечества.

Корректный, сдержанный, одетый в строгий черный фрак, Дизель стоически переносил длинные и высокопарные представления его публике. И ни один из слушавших его выступление американских инженеров не мог даже заподозрить тогда, что блестящий докладчик, рассказывающий на прекрасном английском языке о перспективах своего двигателя, находился в отчаянном положении, близком к полному краху и ни единым словом не обмолвился он о тех трудностях, промахах, неудачах, нападках и недоверии, с которым входило в жизнь его изобретение.

И в то же время, предвидя или предчувствуя неотвратимость своего краха, сразу по возвращении в Мюнхен Дизель на занятые в долг деньги покупает акции электромобильной фирмы, которая вскоре обанкротилась. В результате ему пришлось рассчитать почти всю прислугу и заложить дом, чтобы реализовать свой последний план, в который не был посвящен никто. Следующий год Дизель начал с разъездов: сначала он один побывал в Париже, Берлине, Амстердаме, а затем вместе с женой посетил Сицилию, Неаполь, Капри, Рим. "Мы можем попрощаться с этими местами. Больше мы их никогда не увидим". Такую странную фразу он обронил однажды, но жена тогда не обратила на неё внимания, а вспомнила и поняла её лишь позднее, когда уже всё произошло. Затем Дизель едет в Баварские Альпы к Зульцеру, на заводе которого когда-то проходил инженерную практику. Старых друзей поразили перемены, происшедшие за последнее время с Рудольфом. Всегда сдержанный и осторожный, он как будто без следа утратил эти качества и с видимым удовольствием стремился в опасные горные путешествия, предавался рискованным мероприятиям.

К концу лета 1913 г. разразился финансовый кризис. Дизель стал полным банкротом. И вот в этот момент, ещё совсем недавно отказавшийся от хорошо оплачиваемых должностей в американских фирмах, он вдруг даёт согласие на предложение нового двигателестроительного завода в Англии занять у них должность всего лишь инженера-консультанта. Узнав об этом, Британский королевский автоклуб обратился к нему с просьбой сделать доклад на одном из заседаний клуба, на что Дизель также ответил согласием и начал готовиться к поездке в Англию. В этот небольшой промежуток времени он совершает некоторые поступки, анализируя которые впоследствии, близкие Рудольфа Дизеля придут к выводу, что трагическое решение им уже было принято.

Проводив жену погостить к матери, он остался к началу сентября один в своем мюнхенском доме. Первое, что он сразу же при этом сделал,- отпустил до утра из дома оставшихся немногочисленных слуг и попросил старшего сына (тоже Рудольфа) срочно приехать к нему. По воспоминаниям сына, это была странная и печальная встреча. Отец показывал ему, что и где лежит в доме, в каких шкафах хранятся важные бумаги, давал соответствующие ключи и просил опробовать замки. После отъезда сына он занялся просмотром деловых документов, а вернувшаяся на следующее утро прислуга обнаружила, что камин забит пеплом сожженных бумаг, сам же хозяин находился в мрачном, подавленном состоянии.

Через несколько дней Дизель уехал во Франкфурт к дочери, где его уже ждала жена. Побыв с ними несколько дней, он уехал один 26 сентября в Гент, откуда отправил письмо жене и несколько открыток друзьям. Письмо было странным, смятённым и свидетельствовало о сильном расстройстве его автора.

29 сентября 1913 г. в Антверпене Дизель готовился к отплытию паром "Дрезден"... На верхней палубе ужин прошёл довольно непринужденно. Дизель рассказывал своим попутчикам о жене, о своих изобретениях. Но их интересовала политика. Уинстон Черчилль, назначенный лордом адмиралтейства, затеял реконструкцию английского флота, и это очень безпокоило двух новых знакомых Дизеля. Они были немцами, а война на Балканах виделась первой искрой будущей войны между Германией и Англией. Черчилль собирался перестраивать английский флот. Тонкий политик, он предчувствовал войну с Германией. Потому вошел в контакт с талантливым инженером Дизелем, ибо знал, что в кайзеровской Германии на броненосцы, в частности на «Принца-регента», уже поставлен многоцилиндровый судовой двигатель, спроектированный Дизелем, который давал значительное превосходство в скорости. Кроме того, двигатели Дизеля спешно приспосабливали для подводных лодок. Так что, возможно, не так уж случайно на борту немецкого парохода попутчиками Дизеля оказались двое немцев, готовые на всё ради Германии.

Около десяти вечера Рудольф Дизель раскланялся со своими знакомыми и спустился в каюту. Перед тем, как открыть дверь, он остановил стюарда и попросил разбудить его утром ровно в 6:15. В каюте он вынул из чемодана пижаму и разложил ее на постели. Извлек из кармана часы, завёл их и повесил на стенку рядом с подушкой… И больше его никто не видел.

Осмотр каюты показал: койка, приготовленная стюардом для сна, даже не смята; багаж не раскрыт, хотя в замок чемодана ключ вставлен; карманные часы Дизеля были положены так, чтобы стрелки можно было видеть будучи лежа на койке; записная книжка лежала раскрытой на столе и дата 29 сентября в ней отмечена крестиком. Выяснилось сразу же, что во время утреннего обхода судна дежурный офицер обнаружил чью-то шляпу и свернутое пальто, засунутыми под рельсы. Оказалось, что они принадлежали Дизелю.

Через десять дней команда маленького бельгийского лоцманского катера извлекла из волн Северного моря труп. Моряки сняли с распухших пальцев погибшего кольца, в карманах нашли кошелёк, футляр для очков и карманную аптечку. Тело, следуя морскому обычаю, отдали морю. Прибывший в Бельгию по вызову сын Рудольфа Дизеля - подтвердил, что все эти вещи принадлежали его отцу.

Родственники Дизеля были убеждены, что он покончил с собой. В пользу этой версии говорило не только странное и непонятное поведение Дизеля в последний год жизни, но также выяснившиеся позднее некоторые обстоятельства. Так, перед своим отъездом он подарил жене чемодан и просил не открывать его несколько дней. В чемодане оказалось 20 тысяч марок. Это было всё, что осталось от громадного состояния Дизеля. И еще: отправляясь в Англию, Дизель взял с собой не золотые часы, как обычно, а карманные стальные...

Заключение.

Мир воздал Рудольфу Дизелю довольно редкую в истории техники честь: начал писать его имя с маленькой буквы. Это - шаг в вечность...

Паром "Дрезден"

Был специфически транспортным. Он питался смесью жидкого топлива с воздухом, притом экономно. Частота вращения вала была в 4-5 раз больше, чем у газовых двигателей, а литровая мощность (л. с/л) - вдвое. На единицу мощности приходилась меньшая масса.

Первые двигатели Бенца имели скорость вращения вала, не превышающую 400 об/мин; и эту тихоходность Бенц оправдывал долговечностью и бесшумностью двигателя. Кривошипный механизм оставался открытым, как у стационарных двигателей. Наиболее интересно в двигателе Бенца электрическое зажигание смеси, в принципе такое же, как у теперешних двигателей. Увы, оно работало очень неустойчиво.

Увеличение мощности двигателя

Увеличить мощность двигателя и тем самым скорость автомобиля было не так-то легко. Если увеличивать диаметр цилиндра, то возрастают силы, действующие на его стенки, на детали кривошипного механизма. Если же увеличивать длину хода поршня, то цилиндр трудно разместить на автомобиле, растут размеры частей кривошипа. В обоих случаях двигатель становится тяжелее. Эти обстоятельства привели конструкторов к мысли - умножить число цилиндров. Даймлер выполнял двухцилиндровыми (У-образными) уже свои самые ранние двигатели, а в 1891 году построил первый четырехцилиндровый.

Увеличение числа цилиндров давало не только компактность двигателя при росте его мощности, но и плавность хода. В четырехцилиндровом двигателе каждый рабочий ход приходится на пол-оборота коленчатого вала, тогда как у одноцилиндрового двигателя - на два оборота. Вместе с тем конструкция и сборка двигателя при нескольких цилиндрах более сложные, возникают перекосы и прогиб вала. Пришлось ввести на нем противовесы, увеличивать число его опор, установить рядом вспомогательный уравновешивающий вал.

К концу века многие фирмы выпускали одновременно двигатели одно-, двух- и четырехцилиндровые. Старались применить на всех двигателях фирмы одинаковые цилиндры, чтобы наладить массовое производство и упростить их замену в случае повреждения. Пытались выполнять и головку цилиндра съемной (как это делается теперь), чтобы облегчить сборку двигателя и обслуживание клапанов, но не смогли добиться плотности зазора между головкой и цилиндром; нагрев вызывал деформацию головки, герметичность нарушалась. Тогда стали отливать цилиндр заодно с головкой, а для доступа к клапанам делали люки с нарезными пробками. Отливка получалась замысловатой. Поэтому рубашка водяного охлаждения была съемной (отсюда и ее название), выполненной из латуни или меди. Крепили ее на винтах.

Важное место занимала система распределения, т. е. наполнения цилиндров горючей смесью и их очистки от газов. У всех ранних двигателей впуск смеси в цилиндр осуществлялся автоматическим тарельчатым клапаном - «тарелочкой» на стержне вроде опрокинутого гриба. По форме клапан похож на нынешний, открывался благодаря разрежению в цилиндре при такте впуска, а в остальное время удерживался в закрытом положении пружиной и давлением в цилиндре. Несмотря на частые заедания, простота конструкции такого клапана привлекала специалистов до первых годов XX века. А затем с увеличением частоты вращения вала перешли на управляемый клапан.

Выпускным же клапаном с самого начала управляли, как золотником у паровой машины, при помощи эксцентрика и тяги. С отказом от автоматического клапана и увеличением числа цилиндров множилось и число эксцентриков. Это натолкнуло конструкторов на мысль о едином вале с кулачками вместо эксцентриков, с приводом его от коленчатого вала. Кулачки установили так, что их выступы в нужный момент приподнимали стержни клапанов. При дальнейшем движении кулачка пружина удерживала клапан закрытым. Устройство распределительного механизма приобрело схему, сохранившуюся до наших дней. Чтобы возместить несовершенство тогдашних карбюраторов, этому механизму придавали еще одну функцию: водитель мог особым (еще одним!) рычагом – отключателем сместить распределительный вал и вывести кулачки из-под клапанов, временно прекратить их действие.

Хотя, казалось бы, автомобильный двигатель в отличие от стационарного можно было охлаждать потоком встречного воздуха, конструкторы очень скоро пришли к выводу о большей эффективности водяного охлаждения. Оно прошло ряд стадий развития, пока не распространились змеевиковые радиаторы, иногда опоясывавшие весь капот двигателя. Змеевики, несмотря на их громоздкость, большую массу и возможные отказы, просуществовали около 15 лет. На модели «Мерседес» (1901) впервые применен знакомый ныне трубчатый или сотовый радиатор с большой поверхностью охлаждения, изменивший облик автомобиля. В конце XIX века появились водяные насосы, вращаемые коленчатым валом. Для продувки воздуха через радиатор, особенно при медленной езде, применили вентилятор, расположенный позади радиатора или объединенный с маховиком двигателя (в этом случае ставили под двигателем кожух для герметизации подкапотного пространства).

К началу XX века утвердилась система смазки двигателя разбрызгиванием. Черпачки на нижних головках шатунов взбалтывали заполнявшее картер масло, его капли смазывали цилиндры и подшипники. Для смазки прочих механизмов автомобиля предназначалась целая батарея «капельниц», красовавшаяся на переднем щитке или сбоку кузова. Время от времени водитель или его помощник нажимали кнопки капельниц.

В разработке приборов, предназначенных для подачи смеси в цилиндры и ее воспламенения, пришлось соприкоснуться со сравнительно новыми научными дисциплинами: электротехникой, газо- и гидродинамикой.

Задолго до появления автомобилей был известен пульверизатор. Стоило поставить его на пути бензина из бака к двигателю, и разрежение в цилиндрах при такте впуска создавало бы тягу воздуха и распыляло бензин. Смешиваясь с воздухом, он образовывал горючую смесь. Однако конструкторы считали, что такая «парикмахерская» схема слишком деликатна для грубых двигателей того времени.

Появление карбюраторов

Изобретали различные замысловатые карбюраторы. Работа карбюратора Маркуса напоминает процесс разбрызгивания краски со щетки (отсюда название - щеточный карбюратор). В «барботажном» (взбалтывающем) карбюраторе Бенца воздух проходил через толщу бензина в баке. Слой бензина по мере его расхода становился тоньше, а смесь - менее насыщенной; прибор работал нормально лишь в начале поездки. От фитильного карбюратора отказались, так как из-за разрежения в цилиндре порой засасывало… сами фитили и двигатель останавливался. При использовании поверхностного карбюратора водителю приходилось постоянно наблюдать за уровнем бензина.

Не добившись желаемого результата, конструкторы обратились к отвергнутому пульверизатору. Пульверизационный карбюратор Даймлера и Майбаха состоял из поплавковой и смесительной камер. В поплавковой камере автоматически поддерживался постоянный уровень топлива. Благодаря разрежению бензин выходил из жиклера смесительной камеры, как из пульверизатора, распыленной струей. Эта схема в принципе сохранилась до наших дней.

Системы зажигания

Разнообразие конструктивных решений характерно и для ранних систем зажигания. Об их «эффективности» свидетельствуют слова «Доброго зажигания!», которыми когда-то приветствовали друг друга автомобилисты. И ныне среди водителей сохранился термин «на длинном зажигании» (буксировка отказавшего автомобиля).

Ленуаровские электрические приборы были настолько не-совершенны, что снабженный ими первый автомобиль Бенца мог работать только на очень ровной дороге, в сухую погоду и вблизи от зарядной станции или имея «на борту» запас сухих бунзеновских элементов. Попробовали заменить их динамо-машиной, но она не работала при малых оборотах; для пуска двигателя нужно было вручную очень энергично раскрутить его вал или каким-либо способом разогнать автомобиль. Кислотный аккумулятор был еще очень тяжел, энергетически слаб, портился от тряски.

Многих автостроителей привлекало изобретенное в 1895 году немецким инженером-электриком Робертом Бошем (1861 -1942) «Магнитное зажигание на отрыв». Эта система вырабатывала ток благодаря движению якоря в электрическом поле между полюсами магнита. В момент наибольшей силы тока электрическую цепь разрывала тяга, приводившаяся от якоря. Разрыв происходил в камере сгорания. Возникала искра, воспламенявшая смесь. Система работала надежно, если частота вращения двигателя не превышала 300 об/мин.

Г. Даймлера и В. Майбаха, добивавшихся больших оборотов двигателя, ни одна из тогдашних электрических систем зажигания не удовлетворяла. Поэтому до самого конца XIX века на автомобилях «Даймлер» применялась платиновая калильная трубка, несмотря на ее дороговизну, пожарную опасность и на то, что она нередко вызывала преждевременное воспламенение смеси. В Германии был даже подготовлен законопроект о запрете калильного зажигания. Даймлер первым применил на серийном автомобиле предложенную Р. Бошем магнитоэлектрическую машину с двумя обмотками якоря. Ее назвали «магнето высокого напряжения». Она позволила достичь надежного зажигания и не зависела от числа оборотов двигателя. Автомобили с магнето просуществовали до 1930-х годов.

Так шаг за шагом создавался автомобильный двигатель. Его мощность возросла к началу XX века в десятки раз, а удельная мощность - в 7 раз, расход топлива на 1 л. с. сократился вдвое. Черты сходства со стационарными двигателями почти утратили, кроме самых общих.