Когда изобрели автомобиль в каком году. Великая история авто

Сегодня двигатели внутреннего сгорания окружают нас практически со всех сторон – количество автомобилей измеряется сотнями миллионов. Кроме того, их применяют и во многих других устройствах – от генераторов электрического тока до авиации. Но при всем их разнообразии, принцип их работы одинаков – сгорание жидкого топлива в смеси с кислородом в маленькой камере. При этом происходит микровзрыв и под действием высокого давления от расширяющихся газов происходит движение главной подвижной части двигателя – поршня. Принцип, в общем, прост, но вот интересно, кто первым его придумал?

А первым человеком, который решил использовать энергию сгорающего топлива для создания двигателя, был французский инженер Филипп Лебон. В 1799 году он открыл так называемый светильный газ, который состоял из смеси водорода, метана и углекислого газа. В том же году он запатентовал способ получения этого газа из древесины или угля. В дальнейшем этот газ стали широко применять для освещения – в газовых лампах.

Но Лебон на этом не остановился. Уже в 1801 году он запатентовал газовый двигатель. В его конструкции в рабочий цилиндр нагнетался сжатый воздух и сжатый светильный газ, а затем воспламенялся и приводил в движение поршень. Что интересно – камеры сгорания находились с обеих сторон поршня и срабатывали поочередно, то есть двигатель производил полезную работу постоянно и должен был развивать хорошую мощность. Трагическая смерть в 1804 году прервала работу этого талантливого изобретателя.

Следующим, кто взялся за идею двигателя внутреннего сгорания, был бельгийский механик Жан Этьен Ленуар. Он тоже использовал светильный газ, но придумал воспламенять его с помощью электрической искры. Он даже создал первый рабочий двигатель, который работал совсем немного –расширившийся от температуры поршень заклинил в цилиндре. Во второй модификации Ленуар применил водяное охлаждение, а затем использовал и смазку поршня. И тогда двигатель заработал как следует. В 1864 году Ленуар продал 300 двигателей, но перестал их улучшать и скоро появились более совершенные конструкции.

Немекий изобретатель Август Отто запатентовал свою конструкцию двигателя в 1864 году, и со временем очень сильно ее усовершенствовал. Этот двигатель был очень популярен, но имел серьезный недостаток – в качестве топлива использовался все тот же светильный газ.

В 1872 году американец Брайтон придумал использовать в качестве топлива керосин, а потом – бензин. Но жидкость нужно было превращать в газ, чтобы получать воздушно – бензиновую смесь, поэтому Брайтон и придумал такое устройство – карбюратор. Только вот работал он плохо.

И вот, в 1883 году, был создан первый дествительно работающий бензиновый двигатель. А изобрел его немецкий инженер Готлиб Даймлер. Даймлер работал в фирме Отто, и ему был показан первый проект, но тот проигнорировал его. И в результате Даймлер и его друг – Вильгельм Майбах стали работать над новым двигателем самостоятельно. Так вот Отто и прозевал свое счастье, потому что в результате получился компактный, легкий и мощный двигатель.

Сейчас двигатели внутреннего сгорания настолько широко распространились, что бюджет многих стран зависит от продаж нефти, из которой производят бензин. Теперь уже не люди контролируют двигатель, а он – их. Предпринимаются попытки создания принципиально новых типов двигателей, более дешевых и экологически чистых.

Например, японцы представили действующую модель автомобиля, который работает на воде. Что может быть дешевле и доступнее воды, которой на планете больше, чем суши? Современные технологии позволяют получить энергию практически из чего угодно.

Так вот, этот японский автомобиль существует в единственном экземпляре – его сделали для регистрации патента. Что он может? А может он на литре воды любого качества – от дождевой до морской, лишь бы без грязи, проехать целый час, притом на скорости 80 км/ч. Представляете? Взял бутылку воды – и катайся себе на здоровье, а кончится – можно из речки или из крана еще набрать.

Есть ли будущее у таких автомобилей? Казалось бы – несомненно. Но… есть производители бензина и экспортеры нефти… Весь мир давно поделен на сферы влияния и что-то новое, нарушающее привычный порядок, а тем более – приносящее ущерб, быстро пресекается или прячется в ящик. Против монополистов не попрешь. Патенты на такие технологии выдаются неохотно. Но как знать, может идея и пробьет себе дорогу…

Двигатель для автомобиля, как и сам автомобиль, непременно должен был появиться в последней четверти прошлого века. И двигатель появился, а потом дот уже в течение 100 лет безраздельно господствует на автомобилях. Разговор идет о поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС), работающем на бензине по четырехтактному циклу. О конструкциях ДВС других типов будет рассказано ниже.

Создатели первых транспортных ДВС отталкивались от конструкции паровой машины. Как сделать ее более компактной и производительной? Самые объемные, к тому же опасные ее элементы - топка и котел. Значит, их-то и нужно заменить, считали изобретатели. Чем? Ответ на этот вопрос казался простым: нужен резервуар с горючим газом, например светильным. Газ надо смешать с воздухом, вводить в цилиндр машины и там воспламенять. Горение и расширение смеси произведут силу, которая заменит пар. Топка и котел больше не понадобятся.

Газовый двигатель Ленуара

Еще в 1860 году французский механик Этьен Ленуар (1822-1900) построил газовый двигатель, напоминавший паровую машину. Однако сама по себе смесь светильного газа и воздуха в отличие от пара не давит на поршень. Нужно ее поджечь. Для зажигания служили две электрические свечи, ввернутые в крышки цилиндра. Двигатель Ленуара - двусторонний (или, как принято говорить, двойного действия; рабочий процесс происходит с двух сторон поршня) и двухтактный, т. е. полный цикл работы поршня длится в течение двух его ходов. При первом ходе происходят впуск, воспламенение и расширение смеси в цилиндре (рабочий ход), а при втором ходе - выпуск отработавших газов. Впуском и выпуском управляет задвижка-золотник, а золотником - эксцентрик, смонтированный на валу двигателя.

Преимущества нового двигателя перед паровой машиной не ограничивались ликвидацией котла и топки. Газовые двигатели не требовали разведения пара, обслуживать их было нетрудно. Увы, масса нового двигателя оставалась почти такой же, как и у паровой машины. Единица выработанной мощности двигателя (л. с. или кВт), обходилась в 7 раз дороже, чем у паровой машины. Только 1 / 25 теплоты сгоревшего газа совершала полезную работу, т. е. коэффициент полезного действия (КПД) двигателя составлял 0,04. Остальное уходило с отработавшими газами, тратилось на нагрев корпуса и отводилось в атмосферу. Когда частота вращения вала достигала 100 об/мин, зажигание действовало ненадежно, двигатель работал с перебоями. На охлаждение расходовалось до 120 м3 воды в час(!). Температура газов доходила до 800°С. Перегрев вызывал заедание золотника. Несгоревшие частицы смеси засоряли каналы впуска-выпуска.

Причина низкой производительности двигателя заключалась в самом принципе его действия. Давление воспламененной смеси не превышало 5 кг/см2, а к концу рабочего хода снижалось втрое. Простой расчет показывает, что одноцилиндровый двигатель рабочего объема 2 л при таком давлении, частоте вращения вала 100 об/мин и КПД 0,04 развивает мощность не более 0,1 кВт. Другими словами, ленуаровский двигатель в тысячу раз менее производителен, чем двигатель нынешнего автомобиля.

Создание быстроходного самодвижущегося экипажа стало возможным после изобретения двигателя внутреннего сгорания, особенно четырехтактного. Его рабочий процесс - «цикл Отто» - сохранился до наших дней. На диаграмме показано, насколько он эффективнее первоначального, предложенного Э. Ленуаром. Слева - устройство двигателя Ленуара

Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 году коммерческому служащему Николаю-Августу Отто (1832-1891) из Кёльна (Германия) совместно с Евгением Лангеном (1833-1895).

Удалось… Легко хвалить или критиковать дела изобретателей 100 лет спустя. За их редкими успехами - годы труда, неудач, лишений, они творили в условиях недостатка технической информации, отсутствия приборов, инструментов и материалов, при недоверии обывателей… Например, полученный Отто патент был в 1889 году аннулирован, так как четырехтактный цикл якобы обосновал ранее француз Л. Бо-де-Роша.

Лишь посмертно заслуги Отто признала мировая техническая общественность, цикл назвали его именем. В труде «Новые газовые и нефтяные двигатели» французский (подчеркиваю, французский) ученый Г. Ришар писал в 1892 году: «Без предложенного Отто рабочего тела - горючей смеси - современный двигатель не существовал бы» и «Бо-де-Роша не изобрел четырехтактный цикл, осуществленный до него (при внешнем сжатии смеси) Лебоном в 1801 году и (при сжатии внутри цилиндра) в 1861 году - Отто».

Принцип работы двигателя Отто

Обратимся теперь к существу изобретения. Наблюдая работу построенного газового двигателя, похожего на ленуаровский, Отто пришел к выводу, что сможет добиться его более производительной работы, если будет зажигать смесь не на середине хода поршня, а в его начале. Тогда давление газов при сгорании смеси действовало бы на поршень в течение всего его хода. Но как наполнить цилиндр смесью до начала хода? Отто испробовал следующее: вращая маховик вручную, он наполнил цилиндр, продолжал вращать маховик и включил зажигание лишь в тот момент, когда поршень вернулся в исходное положение. Маховик резко «взял» обороты, а до этого сгорание смеси давало ему лишь слабый толчок. Отто не придал значения тому, что смесь была сжата перед зажиганием, он считал улучшение процесса результатом продолжительного расширения смеси в процессе сгорания.

Отто понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, достигающим 0,15. Двигатель назвали четырехтактным, так как процесс в нем совершался в течение четырех ходов поршня и соответственно двух оборотов коленчатого вала. Золотник в нужный момент открывал доступ в цилиндр от запальной камеры, где постоянно горел газ. Происходило зажигание смеси. Золотниковое распределение и зажигание горелкой не применяются в современных двигателях, но цикл Отто полностью сохранился до наших дней. По этому циклу работает подавляющее большинство автомобильных двигателей. Приведу самое краткое описание его.

При первом такте поршень удаляется от исходной «мертвой точки» - головки цилиндра, создавая в нем разрежение, при этом засасывается приготовленная особым прибором (карбюратором) горючая смесь. Выпускное отверстие закрыто. Когда поршень достигает нижней «мертвой точки», закрывается и впускное. При втором такте закрыты оба отверстия. Поршень, толкаемый шатуном, идет вверх и сжимает смесь. В чем значение ее сжатия, особо подчеркиваемое Ришаром? Частицы топлива сближаются, смесь легче поддается воспламенению. Если объем цилиндра над поршнем (т. е. в камере сгорания) равен его рабочему объему (между «мертвыми точками»), то степень сжатия равна 2, как у ранних ДВС (т. е. вдвое больше атмосферного давления), а давление газов при их взрыве вчетверо больше атмосферного (у современных двигателей оно в 40-50 раз больше, чем у двигателя Отто). Третий такт - рабочий ход. В начале его происходит зажигание сжатой смеси. Движение поршня через шатун преобразуется во вращение коленчатого вала. Оба отверстия закрыты. Давление в цилиндре постепенно уменьшается до атмосферного. При четвертом такте маховик, получив импульс движения, продолжает вращаться, шатун толкает поршень и вытесняет отработавшие газы в атмосферу через открывшееся выпускное отверстие, впускное закрыто.

Инерции маховика хватает и на то, чтобы поршень совершил еще три хода, повторяя четвертый, первый и второй такты. После них вал и маховик снова получают импульс. При пуске двигателя первые два такта происходят под действием внешней силы. Во времена Отто и еще в течение полувека маховик проворачивали вручную, а теперь его вращает электродвигатель - стартер. После первых нескольких рабочих ходов стартер автоматически отключается и двигатель работает самостоятельно.

Впускное и выпускное отверстия открывает и закрывает распределительный механизм. Своевременное воспламенение смеси обеспечивает система зажигания. Цилиндр может быть расположен горизонтально, вертикально или наклонно, процесс работы двигателя от этого не меняется.

К недостаткам двигателя Отто относят его тихоходность и большую массу. Увеличение числа оборотов вала до 180 в минуту приводило к перебоям в работе и быстрому износу золотника. Большое давление в цилиндре требовало крепких кривошипного механизма и стенок цилиндра, поэтому масса двигателя достигала 500 кг на 1 кВт/ч. Для размещения всего запаса газа нужен был огромный резервуар. Все это предопределило неудачу: газовый двигатель Отто, так же как и первый его вариант, был непригоден для установки на автомобиль, однако получил широкое распространение в стационарных условиях.

Двигатель внутреннего сгорания Даймлера

Двигатель внутреннего сгорания стал годным для применения на транспорте, после того как заработал на жидком топливе, приобрел быстроходность, компактность и легкость.

Наибольший вклад в его создание внесли инженеры-машиностроители XIX века - технический директор завода Отто в Дойце Г. Даймлер (1834-1900) и его ближайший сотрудник В. Майбах (1846-1929), позднее основавшие собственную фирму.

Об изобретателях машин нередко пишут, что они с детства увлекались техникой, мастерили приборы, разбирали и собирали часы, что идею будущей новой машины они вынашивали чуть ли не с пеленок. И еще пишут, что изобретатели, мол, сознавали ее вероятное социальное и экономическое значение. В действительности дело обычно обстояло иначе. Мы это уже видели на примерах Кулибина, Кюньо и Болле. Но у Готлиба Даймлера и Вильгельма Майбаха биографии «образцовых» изобретателей. Даймлер с юных лет посвятил себя машинам, последовательно накапливал знания по локомотивам. С успехом закончил Высшее политехническое училище в Штутгарте. Во время продолжительной службы в Эльзасе и на английских машиностроительных заводах Даймлер хорошо изучил передовую для того времени технику и к тому же, владея французским и английским языками, получил доступ к обширной специальной литературе. Сначала его попросту увлекало конструирование машины. Потом, как у многих конструкторов, возникла мысль о постройке второго, третьего вариантов машины, улучшенных по опыту работы над предыдущей, и… о ее продаже. Тут-то обнаруживается спрос, зарождаются коммерческие соображения. Такова наиболее типичная схема. В данном же случае кузен Даймлера, математик и политический деятель, человек широкого кругозора да еще и со средствами, помогал умельцу, не будучи сам способным на конструирование. А «гениальному» (как его называли биографы) самоучке Майбаху помогал сам Даймлер.

Но прежде чем конструировать и строить самодвижущуюся повозку, нужно было создать для нее двигатель.

В официальной фирменной (1935) биографии Даймлера сказано: «В 1881 году Даймлер объездил Россию, чтобы на месте познакомиться с нефтью, ему уже тогда продукты нефти представлялись топливом для транспортного двигателя… 1882 год стал поворотным в жизни Даймлера. Этот год можно считать годом рождения автомобильного двигателя, хотя сам двигатель был готов только в следующем году».

Почему именно путешествие в Россию понадобилось Даймлеру для осуществления его замыслов? В России уже работал завод по перегонке сырой нефти в керосин. Химик А. А. Летний провел эксперименты и доказал, что перегонка нефти и ее остатков через раскаленные железные трубы дает различные продукты, в частности, такое горючее, как бензин. Легкое нефтяное топливо было как раз тем, что искал Даймлер для экипажного двигателя: оно хорошо испаряется, быстро и полно сгорает, удобно в транспортировке.

Один из первых двигателей Г. Даймлера - двухцилиндровый, так называемый У-образный.

Первый двигатель Даймлера годился и для транспортного, и для стационарного применения. Работал на газе и на бензине. Все позднейшие конструкции Даймлера рассчитаны исключительно на жидкое топливо. Большую частоту вращения вала двигателя, обеспечиваемую, в частности, интенсивным воспламенением смеси, Даймлер справедливо считал главным показателем работы двигателя на транспортной машине. Частота вращения вала двигателя Даймлера была в 4-5 раз больше, чем у газовых двигателей, и достигала 450-900 об/мин, а мощность на 1 л рабочего объема - вдвое больше. Соответственно могла быть уменьшена масса. К этим штрихам «транспортной специфики» добавим закрытый картер (кожух) двигателя, заполненный смазочным маслом и защищавший подвижные части от пыли и грязи. Охлаждению воды в окружающей двигатель «рубашке» способствовал пластинчатый радиатор. Для пуска двигателя служила заводная рукоятка… Теперь имелось все необходимое для создания легкого самодвижущегося экипажа - автомобиля.

От своих предков автомобиль унаследовал многое. «Автомобиль… нужно считать сыном паровоза, давшего ему душу, и велосипеда, снабдившего его телом», - так образно писал в 1902 г. один из русских журналов. Механическая повозка для своей работы не требовала каких-либо наземных устройств, кроме дороги. В отличие от конных повозок механическая не требует для своего движения приложения живой силы, кроме небольших, как это казалось, усилий водителя по управлению ею. Подчеркнем, что идея автомобиля была поначалу четко направлена на замену лишь легкого экипажа личного пользования. Возможность его использования для грузовых и массовых пассажирских перевозок рассматривалась позднее.