Кто придумал Двигатель внутреннего сгорания - Когда Изобрели?

Как ни пытались инженеры XVIII- XIX вв. повысить КПД парового двигателя, он все равно оставался слишком низким. Двигатель, выпускающий пар в окружающую среду, в принципе не мог иметь КПД больше 8-10 % (например, у паровой машины Уатта он составлял всего 3-4 %). И хотя впоследствии были созданы более мощные паровые установки, с успехом применяемые в промышленности, на железнодорожном и водном транспорте, их невозможно было использовать для автомобилей.

Рекордсмены наших дней

Самым мощным современным двигателем внутреннего сгорания считается Wartsila-Sulzer RTA96-C. Он имеет размеры 27 на 17 м и развивает мощность около 109 тыс. л. с. Работает этот агрегат на мазуте и используется в судостроении. На звание самого мощного автомобильного мотора претендует двигатель, установленный на американском суперкаре Vector WX-8. Его мощность 1200 л. с. (хотя в печати встречается цифра 1850 л. с).

Низкий выход мощности паровых двигателей объясняется ступенчатостью процесса: нагретая при сгорании топлива вода превращается в пар, энергия которого преобразуется в механическую работу. Поэтому паровые машины относят к двигателям внешнего сгорания. А что произойдет, если использовать непосредственно внутреннюю энергию топлива?

Первым, кто начал опыты с двигателем внутреннего сгорания, был голландский физик XVII в. Христиан Гюйгенс. Среди его многочисленных открытий и изобретений так и не осуществленный проект двигателя, работающего на дымном порохе, совершенно затерялся. В 1688 г. француз Дени Папен использовал идеи Гюйгенса и сконструировал устройство в виде цилиндра, в котором свободно перемещался поршень. Поршень был связан перекинутым через блок тросом с грузом, который также поднимался и опускался вслед за поршнем. В нижнюю часть цилиндра насыпали порох и затем поджигали. Образовавшиеся газы, расширяясь, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали водой, газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и атмосферного давления опускался, поднимая при этом груз. К сожалению, для практических целей подобный двигатель не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы, да и в использовании он был довольно опасен.

В результате Папен отказался от своей затеи и занялся паровыми машинами, а следующую более или менее успешную попытку сконструировать двигатель внутреннего сгорания предпринял спустя 18 лет француз Жозе Нисефор Ньепс, прославившийся как изобретатель фотографии. Вместе с братом Клодом Ньепс изобрел лодочный двигатель, использующий в качестве горючего угольную пыль. Названный изобретателями «пирэолофор» (в переводе с греческого «несомый огненным ветром»), двигатель был запатентован, однако внедрить его в производство не удалось.

Спустя год швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз получил во Франции патент на экипаж, приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания. Двигатель представлял собой цилиндр, в котором поджигался водород, получаемый при помощи электролиза. При взрыве и расширении газа поршень перемещался вверх, а при движении вниз приводил в действие ременной шкив. Война де Риваз был офицером наполеоновской армии помешала закончить работу над изобретением, которое в дальнейшем дало жизнь целому семейству водородных двигателей.

Несколькими годами раньше французский инженер Филипп Лебон подошел очень близко к созданию довольно эффективного двигателя внутреннего сгорания, работающего на светильном газе смеси горючих газов, главным образом метана и водорода, получаемой при термической переработке угля.

Неизвестный художник. Портрет Дени Папена. 1689 г.

Американские автомобили 1930-х гг.

Еще в 1799 г. Лебон получил патент на способ получения светильного газа посредством сухой перегонки древесины, а через несколько лет разработал проект двигателя, в котором были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, другой сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, т. е. попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. В 1804 г. изобретатель погиб, так и не успев воплотить свою идею в жизнь.

В последующие годы от мысли Лебона отталкивались многие изобретатели, некоторые даже получили на свои двигатели патенты например, англичане Браун и Райт, использовавшие в качестве топлива смесь воздуха со светильным газом. Двигатели эти были довольно громоздкими и опасными в эксплуатации. Фундамент для создания легкого и компактного двигателя был заложен лишь в 1841 г. итальянцем Луиджи Кристо-форисом, который построил двигатель, работающий на принципе «сжатие-воспламенение». Такой двигатель имел насос, подававший в качестве топлива воспламеняемую жидкость керосин. Его соотечественники Барзанти и Матточчи развили эту идею и в 1854 г. представили первый настоящий двигатель внутреннего сгорания. Он работал на смеси воздуха со светильным газом и имел водяное охлаждение. С 1858 г. его начала выпускать малыми партиями швейцарская компания «Эшер-Висс».

Одновременно бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар, отталкиваясь от разработок Лебона, после нескольких неудачных попыток создал свою модель двигателя. Очень важным новшеством стала идея воспламенения топливовоздушной смеси с помощью электрической искры. Ленуар также предложил систему водяного охлаждения и систему смазки для лучшего хода поршня. КПД этого двигателя не превышал 5 %, он неэффективно расходовал топливо и слишком сильно нагревался, но это был первый коммерчески успешный проект двигателя внутреннего сгорания для нужд промышленности. В 1863 г. его пытались установить на автомобиль, но мощности 1,5 л. с. было недостаточно для передвижения. Получив изрядный доход от выпуска своего двигателя, Ле-нуар перестал работать над его усовершенствованием, и скоро он был вытеснен с рынка более удачными моделями.

Двигатель внутреннего сгорания Ж. Э. Ленуара.

В 1862 г. французский изобретатель Альфонс Бо де Роша запатентовал принципиально новое устройство первый в мире двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершался за два оборота коленчатого вала, т. е. за четыре хода (такта) поршня. Однако до коммерческого производства четырехтактного двигателя дело так и не дошло. На Парижской всемирной выставке 1867 г. представители завода газовых двигателей Deutz, основанного инженером Николасом Отто и промышленником Эженом Лан-геном, продемонстрировали двигатель, сконструированный с использованием принципа Барзанти Матточчи. Этот агрегат создавал меньше вибраций, был легче и поэтому скоро вытеснил двигатель Ленуара.

Цилиндр нового двигателя был вертикальным, вращаемый вал помещался над ним сбоку. Вдоль оси поршня к нему крепилась рейка, связанная с валом. Вал приподнимал поршень, под ним образовывалось разрежение и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через трубку (Отто и Ланген не были специалистами в области электротехники и отказались от электрического зажигания). При взрыве давление под поршнем возрастало, поршень поднимался, объем газа увеличивался, и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним вновь не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой, КПД этого двигателя достигал 15 %, т. е. превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

А. Впуск рабочей смеси. Поршень (4) перемещается вниз; через впускной клапан (1) в цилиндр поступает горючая смесь. Б. Сжатие. Поршень (4) перемещается вверх; впускной (1) и выпускной (3) клапаны закрыты; давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышаются. 6. Рабочий ход (горение и расширение). В результате искрового разряда свечи зажигания (2) происходит быстрое сгорание смеси в цилиндре; давление газов при сгорании воздействует на поршень (4); движение поршня передается через поршневой палец (5) и шатун (6) на коленчатый вал (7), заставляя вал вращаться. Г. Выпуск газов. Поршень (4) движется вверх; выпускной клапан (3) открыт; отработавшие газы из цилиндра поступают в выпускной трубопровод и дальше в атмосферу.

Отто в отличие от Ленуара на достигнутом не остановился и упорно развивал успех, продолжая работать над своим изобретением. В 1877 г. ему был выдан патент на четырехтактный двигатель с искровым воспламенением. Этот четырехтактный цикл и в настоящее время используется в основе работы большинства бензиновых и газовых двигателей. Уже через год новинка была запущена в производство, однако при этом разразился скандал. Обнаружилось, что Отто нарушил авторские права Бо де Роша, и после судебного разбирательства монопольное право Отто на четырехтактный двигатель было аннулировано.

Использование в качестве топлива светильного газа сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Газовых заводов было немного даже в Европе, а в России и вовсе только два в Москве и Петербурге. Еще в 1872 г. американец Брайтон, как ранее Кристофорис, пытался использовать в качестве топлива керосин, но затем перешел к более легкому нефтепродукту бензину.

В 1883 г. появился бензиновый двигатель с зажиганием от открытой в цилиндр раскаленной полой трубки, изобретенный немецкими инженерами Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, бывшими сотрудниками фирмы Отто. Однако двигатель на жидком топливе не мог конкурировать с газовым, пока не было создано устройство для испарения бензина и получения горючей смеси с воздухом. Карбюратор с жиклером, прообраз всех современных карбюраторов, был изобретен венгерским инженером Донатом Банки, который в 1893 г. получил на свое устройство патент. Банки предложил, вместо того чтобы испарять бензин, мелко распылять его в воздухе. Этим обеспечивалось равномерное распределение бензина по цилиндру, а испарение происходило под действием тепла сжатия уже в цилиндре.

Изначально двигатели внутреннего сгорания имели только один цилиндр, и для увеличения мощности двигателя приходилось увеличивать его объем. Однако это не могло продолжаться бесконечно, и в результате пришлось прибегнуть к увеличению числа цилиндров. В конце XIX в. появились первые двухцилиндровые двигатели, с начала XX столетия стали распространяться четырехцилиндровые, а сейчас никого не удивишь и двенадцатицилиндровым. Усовершенствование двигателей идет в основном в сторону усиления мощности, однако принципиальная схема остается прежней.

Двухцилиндровый двигатель Г. Даймлера, вид в двух проекциях.

Н. Отто.

Когда Рудольф Дизель больше века назад разрабатывал двигатель собственной конструкции, он и представить не мог, что дизельные двигатели могут быть столь чувствительны к качеству топлива. Ведь преимущество своего мотора Дизель видел именно в том, что он может работать на чем угодно, от угольной пыли до переработанного кукурузного жмыха. Современные турбодизели со впрыском топлива требуют только хорошо очищенного дизельного топлива с низким содержанием серы. Именно поэтому многие зарубежные автопроизводители не решались до недавнего момента продавать свои дизельные модели в России.

Р. Дизель.

Двигатель Р. Дизеля.

ВОЙНА И МИР