Двигатель века: кто изобрел ДВС
Самый первый теоретический ДВС на пороховой основе был создан в 17 веке голландским ученым Кристианом Хагэнсом. Но практического развития его идея не получила. На практике первый ДВС смог создать Нисефор Ньепс в 1806 году, но такой двигатель работал на пыли от угля и имел много недостатков.
В 1876 году немецкий изобретатель Николаус Отто создал первый успешный двигатель внутреннего сгорания. Он создал двигатель, который использовал смесь бензина и воздуха для движения поршня. Этот двигатель стал основой для создания современных двигателей внутреннего сгорания.
Однако, до этого были созданы другие устройства, которые использовали механические методы для движения. В 1698 году Томас Савери создал устройство, которое использовало пар для движения поршня. В 1807 году французский изобретатель Франсуа Изидор де Риваз создал двигатель, который использовал газ для движения поршня.
Сегодня двигатели внутреннего сгорания используются в автомобилях, самолетах, лодках и других транспортных средствах. Они стали неотъемлемой частью нашей жизни и позволяют нам быстро и удобно перемещаться.
Таким образом, первый успешный двигатель внутреннего сгорания был создан немецким изобретателем Николаусом Отто в 1876 году. Он использовал смесь бензина и воздуха для движения поршня. Однако, до этого были созданы другие устройства, которые использовали механические методы для движения поршня.
Кто и когда изобрел первый ДВС
Однозначного ответа на вопрос, кто изобрел двигатель внутреннего сгорания нет. В его создание внесли вклад многие изобретатели и инженеры. Постепенно ДВС вытеснили громоздкие паровые машины, появилась автомобильная промышленность и авиация. В этой статье мы узнаем историю создания двигателя и первого автомобиля.
Первые разработки
В начале XVIII века был изобретен паровой двигатель, который затем усовершенствовался и широко применялся. Главными недостатками парового двигателя были большой вес, низкий КПД и большие габариты. Поэтому ученые того времени стали искать пути уменьшения его габаритов и веса, сделав процесс сгорания топлива внутренним.
Так или иначе, многие инженеры, изобретатели и ученые внесли свой вклад в будущую разработку ДВС. Ещё до появления кривошипно-шатунного механизма были разработаны и запатентованы газовый двигатель, газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания на газообразном водороде, первое искровое зажигание. Все эти наработки затем вошли в конструкцию ДВС.
Большую роль сыграл светильный газ, который был получен Филипом Лебоном в 1799 году. Его смесь с воздухом легко воспламенялась с выделением теплоты. На этом эффекте Лебон разработал свой двигатель с подачей из компрессоров воздуха и газа в камеру сгорания. Камеры были с двух сторон цилиндра, а поршень перемещался вперед-назад.
Первый ДВС
Паровые двигатели все еще господствовали в индустрии машиностроения того времени и разработка Лебона не была востребована. Создать конкуренцию паровой машине удалось Жану Ленуару, который сделал двигатель с кривошипно-шатунным механизмом, работающий также на светильном газе, но смесь в нем поджигалась от электрической искры. Мощность двухтактного двигателя Ленуара была 12 л.с. Также он впервые применил систему охлаждения и систему смазки. Всего было выпущено около 300 двигателей Ленуара, но вскоре они были вытеснены более совершенными моделями.
Николас Отто и его легендарный «цикл Отто»
В 1860 году работу над своей разработкой ДВС начал знаменитый немецкий конструктор Николас Отто. За основу была взята разработка Ленуара, но также были применены и инновационные решения. Изначально рабочий ход поршня осуществлялся за счет давления и всасывания смеси. Позже Отто разработал четырехтактный цикл, который стал самым важным его достижением. Этот принцип применяется в ДВС до сих пор. К сожалению, разработка не была до конца оценена при его жизни и патент аннулировали. Николас Отто умер в 1891 году, так и не получив признания.
В одно и то же время с ним патент на четырехтактный цикл получил француз Бо де Роша. Минусом было то, что все эти двигатели работали на светильном газе. Это сужало область их применения, так как была необходимость в наличии громоздких емкостях под газ и сложная технология заправки. Поиски альтернативного топлива продолжались.
Первый автомобиль
В 1883 году появился первый бензиновый мотор. Его изобретателем стал немец Готлиб Даймлер. Он какое-то время работал в фирме Отто, но инженерные взгляды Даймлера не разделяли, поэтому он ушел и начал работать над своим проектом вместе с другом Вильгельмом Майбахом.
Они решили отказаться от газогенератора и сделать компактный, легкий и в то же время достаточно мощный ДВС за счет увеличения частоты вращения вала. Для этого нужно было частое и стабильное зажигание и сгорание смеси. Бензин с воздухом подавался капельным способом и зажигался раскаленной трубочкой в цилиндре. Бензин испарялся медленно, что стало главной проблемой.
Настоящим прорывом стало изобретение карбюратора с жиклером Донатом Банки в 1883 году. Бензин не испарялся, а распылялся в камере сгорания и сжимался поршнем, что давало стабильное воспламенение.
Первый успешный бензиновый ДВС был с одним цилиндром и для увеличения мощности увеличивали его объем. Позже появились двухцилиндровые, а затем и четырехцилиндровые бензиновые моторы.
Примечательно, но первый успешный автомобиль Бенца, изобретенный в 1885 году, был трехколесным. Роль шасси выполняла велосипедная коляска. Использовался одноцилиндровый ДВС с гальваническим зажиганием от катушки, водяное охлаждение и карбюратор. Объем двигателя составил 954 см3. Топливный бак – 4,5 литра.
Бенц не смог решить проблему с рулевым управлением, поэтому выбрал конструкцию трицикла. Вместо руля использовалась специальная ручка. Автомобиль носил название Benz Patent-Motorwagen. Прохожие с опаской и осторожностью смотрели на этот шумный агрегат, который то и дело распугивал лошадей. Известность автомобиль Бенца получил после неожиданного автопробега его жены. Она смогла преодолеть расстояние более ста километров.
Интересен тот факт, что бензин как топливо не был распространен в то время. Его продавали в аптеках как антисептическое и чистящее средство.
В 1884 году в России был изобретен первый бензиновый карбюраторный двигатель. Его конструктором был Огнеслав Костович. Четыре цилиндра располагались горизонтально и оппозитно друг другу. Появилось первое электрическое зажигание. Мощность составила 80 л.с. при массе в 240 кг., что превосходило по параметрам двигатель Даймлера и Майбаха, созданного годом позже. Но патент получили именно они, так как Костович слишком поздно подал заявку.
Первый легковой автомобиль с дизельным двигателем
Германия стала центром автомобильной индустрии, но на её территории было мало нефтяных месторождений. Поэтому в 1897 году немецкий инженер Рудольф Дизель предложил двигатель, работающий на угольной пыли с воспламенением от сжатия. Агрегат получился неудачным, но имя Дизеля с тех пор стало нарицательным для всех моторов с воспламенением от сжатия.
В последующие годы удалось усовершенствовать этот двигатель с использованием бескомпрессорной подачи топлива. Получился экономичный и достаточно мощный двигатель, но громоздкий. В дальнейшем «дизеля» применялись только на морских судах и локомотивах.
Приспособить дизельные моторы для грузовых автомобилей удалось немецкому инженеру Роберту Бошу после разработки топливного насоса высокого давления (ТНВД). Он отвечал за подачу топлива. С 1924 году началось серийное производство грузовых автомобилей с дизельными агрегатами.
Только в начале 30-х годов инженеры компании Bosch смогли разработать мотор, который был интересен производителям легковых автомобилей. Первым серийным автомобилем с этим видом мотора стал Mercedes-Benz 260D. Главным его преимуществом стала экономичность, но эта характеристика не была так важна в то время. Автомобили не были так распространены, как сейчас. Ими могли владеть только обеспеченные люди. Уже после войны этот параметр стали учитывать, и дизельные моторы распространились в легковом классе повсеместно.
Основание автоиндустрии
Автомобилестроение берет свое начало с конца XIX – начала XX века. Эта отрасль стала толчком для развития металлургии и металлообработки, а также нефтедобычи. Большую роль сыграли две мировых войны. Ещё в 1920 году стояла проблема топлива. Страны наращивали производство бензина и другого горючего.
В середине XX века машиностроение было уже зрелой индустрией с монопольным влиянием. Были несколько крупных мировых компаний, которые контролировали рынок. В это же время машиностроение бурно развивается в Японии. Известная компания Toyota внедряет так называемый Метод Тойоты, постепенно захватывая рынки США и Европы.
С середины 70-х годов повсеместно распространилось конвейерное производство и применение станков с автоматическим управлением (ЧПУ).
Сейчас современный мир невозможно представить без двигателей. Появились газотурбинные, роторные, турбореактивные конструкции, которые применяются на земле, в воде и в воздухе. За этим прорывом стоит почти двухвековая разработка двигателя внутреннего сгорания.
Эра моторов. Почему первые двигатели уступали по популярности конной тяге
Несмотря на то что двигатели внутреннего сгорания получили массовое распространение, в прежние времена к ним относились скептически. Полтора века назад на фоне технического рывка ДВС безнадёжно проигрывали паровикам и электромоторам.
В первой половине XIX века паровые машины уже активно внедрялись в Европе. Пароходы не только курсировали на торговых речных маршрутах, но и даже вышли в океанские дали. Паровые установки качественно изменили промышленность. Стали возводиться фабрики-автоматы, где вся механика задействовалась от двух-трёх центральных установок. Произошел рывок и в металлообработке. Однако для мелких хозяйств паровая установка оставалась слишком громоздкой. А спрос на бытовые двигатели для насосов и других стационарных механизмов был колоссальный. К примеру, Этьену Ленуару для гальванических работ потребовался мотор для динамо-машины. Такой агрегат он решил сделать самостоятельно и принялся изучать опыт другого французского изобретателя: Филиппа Лебона, который ещё в 1801 описал принципы действия двигателя внутреннего сгорания. В качестве топлива предлагалось брать светильный газ из опилок, в обильном количестве используемый для освещения домов. Керосин в те времена был дорог и продавался в аптеках как средство для наружного применения.
Мотор Этьена Ленуара повторял принципы паровой машины. Станина, цилиндр с маховиком и все детали за малым исключением были взяты им от действующих паровиков. Новшеством лишь был отказ от пара в качестве рабочего тела. Поршень толкал не пар, а расширяющиеся при взрыве продукты распада светильного газа. Этьен Ленуар придумал способ их подачи и подрыва. Мотор оказался настолько компактным, что умещался на прочном дубовом столе.
Как двигатель Рудольфа Дизеля изменил мир
В 10 часов вечера 29 сентября 1913 года Рудольф Дизель отправился в свою каюту на пароходе "Дрезден", шедшем из бельгийского Антверпена через Ла-Манш в Лондон. Его пижама была разложена на кровати, но он так в нее и не переоделся.
Изобретатель двигателя, названного его именем, размышлял о своих больших долгах и процентах по ним, которые он уже не мог выплачивать. В его дневнике этот день — 29 сентября — был помечен зловещим крестом: "X".
Перед тем, как отправиться на пароход, 55-летний Дизель собрал все наличные деньги и сложил их в сумку вместе с документами, из которых было ясно, насколько отчаянным оказалось его финансовое положение. Он отдал сумку ничего не подозревавшей жене и велел открыть ее не раньше, чем через неделю.
Дизель вышел на палубу. Снял плащ и шляпу. Аккуратно сложил их на палубе. Посмотрел на воду. И прыгнул за борт.
Или не прыгнул? Любители конспирологии считают, что ему "помогли".
Но кто мог быть заинтересован в смерти бедного изобретателя? Есть две версии.
Для того, чтобы понять контекст, вернемся на тридцать лет назад, в 1872 год. Паровые двигатели уже широко применяются в промышленности, по железным дорогам бегают все более многочисленные паровозы, но в городах весь транспорт — по-прежнему на гужевой тяге.
Спрос на замену лошади
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
Конец истории Реклама подкастов
Осенью того года эпизоотия конского гриппа парализовала города Соединенных Штатов. Не на чем было подвозить товары в лавки, не на чем вывозить мусор.
В полумиллионном городе в те времена могло быть около ста тысяч лошадей. Каждая из них ежедневно орошала улицы 15 килограммами навоза и 4 литрами мочи.
Города остро нуждались в недорогом, надежном и небольшом двигателе, который заменил бы конную тягу.
Одним из кандидатов на эту роль был паровой двигатель: автомобили на паровой тяге конструировались один за другим.
Вторым был двигатель внутреннего сгорания. Первые его модели работали на газе, на бензине, даже на порохе. Но в семидесятых годах XIX века, когда Рудольф Дизель был студентом, оба этих типа двигателей были ужасно неэффективны, с КПД всего лишь около 10%.
Поворотным пунктом в жизни молодого Дизеля стала лекция о термодинамике в Королевском Баварском политехническом институте в Мюнхене, на которой он услышал, что двигатель внутреннего сгорания, преобразующий всю энергию тепла в полезную работу, теоретически возможен.
Автор фото, Alamy
Схема-рисунок двигателя внутреннего сгорания, изобретенного Рудольфом Дизелем в 1887 году
Дизель взялся за претворение теории в жизнь. И потерпел неудачу. КПД его первого двигателя составлял всего лишь 25%. КПД лучших из современных дизелей — более 50%.
Но даже 25% — это было в два с лишним раза лучше, чем у конкурентов.
В бензиновых двигателях внутреннего сгорания в цилиндре сжимается смесь воздуха и паров бензина, которая затем поджигается электрической искрой. В двигателе Дизеля сжимается только воздух, при этом его температура повышается настолько, что ее достаточно для воспламенения впрыскиваемого топлива.
При этом в дизеле чем сильнее сжатие, тем меньше нужно топлива, тогда как в двигателе с зажиганием слишком сильное сжатие приводит к сбою в работе.
Ненадежные моторы
Все автомобилисты знают о главном свойстве машин с дизельным мотором: они обычно дороже стоят, зато дешевле в эксплуатации.
К несчастью для Рудольфа Дизеля, его первые модели при всем их высоком КПД отличались ненадежностью. Недовольные покупатели завалили его требованиями о возврате денег. Это и загнало изобретателя в финансовую яму, из которой он не смог выбраться.
Но он продолжал работать над своим двигателем и постепенно совершенствовал его.
Выявились другие преимущества двигателя Дизеля. Он может работать на более тяжелом, чем бензин, топливе — солярке, или, как сейчас его чаще называют, дизтопливе. Оно дешевле бензина и к тому же менее интенсивно испаряется, поэтому менее взрывоопасно.
В силу этого дизели стали особенно популярны у военных. Уже в 1904 году двигатели Рудольфа Дизеля были поставлены на французских подводных лодках.
Автор фото, Getty Images
Машины с дизельным двигателем дороже при покупке, но дешевле в эксплуатации
Здесь лежат корни первой конспирологической версии смерти Рудольфа Дизеля.
Европа, 1913 год, большая война все ближе и все неотвратимее — а тут немец, изобретатель нового двигателя, преследуемый финансовыми проблемами, отправляется в Британию. Одна газета так и написала в заголовке: "Изобретателя сбросили в море, чтобы предотвратить продажу патентов британскому правительству".
Коммерческий потенциал изобретения Дизеля, однако, стал раскрываться только после Первой мировой. Первые дизельные грузовики появились в 1920-х годах, железнодорожные локомотивы — в 1930-х. К 1939 году уже четверть морских грузов в мире перевозили суда с дизельными установками.
После Второй мировой войны были созданы еще более мощные дизельные моторы, которые позволили строить суда все большего водоизмещения и все более экономно перевозить грузы. На топливо приходится около 70% себестоимости морских перевозок.
Пар или дизель?
Чешско-канадский ученый Вацлав Смил, например, считает, что если бы международная торговля оставалась привязана к паровым двигателям и не перешла на дизель, то она росла бы гораздо медленнее.
Британско-американский экономист Брайан Артур так не считает. Он называет переход на двигатели внутреннего сгорания в течение последнего века проявлением "попадания в колею": уже сделанные инвестиции и построенная инфраструктура заставляют человечество действовать в определенном коридоре, а если б с самого начала был выбран другой путь, то и на нем нашлись бы эффективные решения.
По мнению Брайана Артура, еще в 1914 году у паровых автомобильных двигателей перспективы были не хуже, чем у двигателей внутреннего сгорания — но растущее влияние нефтяной промышленности привело к тому, что в развитие ДВС стали вкладывать гораздо больше денег.
Если бы инвестиций было поровну, то, предполагает доктор Артур, мы бы сейчас вполне могли ездить на машинах с паровыми двигателями какого-нибудь очередного поколения.
Автор фото, Getty Images
Экспертименты Дизеля с арахисовым маслом предвосхитили современное развитие производства биотоплива
А если бы мировая экономика прислушалась к Рудольфу Дизелю, то, может быть, сейчас двигатели работали бы на арахисе.
Имя Дизеля сейчас ассоциируется с топливом из нефтепродуктов, но вообще-то он приспосабливал свой двигатель для работы с разными видами топлива, от угольной пыли до растительного масла. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже он продемонстрировал модель, работающую на арахисовом масле.
А за год до смерти, в 1912 году, Рудольф Дизель предсказывал, что растительное масло станет таким же важным видом топлива, как и нефтепродукты.
Владельцам арахисовых плантаций это предсказание наверняка понравилось, а владельцам нефтяных месторождений — не очень.
Отсюда — вторая конспирологическая версия смерти Дизеля. Другая газета по ее поводу написала: "Убит агентами нефтяных трестов".
Арахис против нефти
В последнее время в мире возрождается интерес к дизельному биотопливу. Оно меньше загрязняет атмосферу, но есть и проблема: оно занимает сельскохозяйственные угодья, а это ведет к повышению цен на продовольствие.
Во времена Рудольфа Дизеля это не выглядело большой проблемой: население Земли тогда было гораздо меньше, а климатические изменения не сильно беспокоили людей. Поэтому Рудольф Дизель, наоборот, мечтал, что его двигатель поможет развиваться бедным, аграрным странам.
Насколько иначе сейчас выглядел бы мир, если бы самыми ценными землями считались не те, где качают нефть, а те, где хорошо растет арахис? Мы можем только гадать.
Точно так же, как мы можем только гадать, что же в точности случилось с Рудольфом Дизелем.
Его тело было найдено в море рыбаками через десять дней. К тому времени оно настолько разложилось, что рыбаки не стали брать его на борт, но забрали личные вещи — кошелек, перочинный нож, футляр для очков.
Когда рыбаки добрались до берега, эти вещи опознал младший сын Дизеля. А тело изобретателя навсегда осталось в морских глубинах.