Как были устроены автомобили до изобретения бензинового двигателя
26 января 1886 года немецкий инженер Карл Бенц запатентовал автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Начиная с того момента, весь мир планомерно завоевали самодвижущиеся повозки на четырех колесах, и еще не известно, чем все это закончится. В своеобразный день рождения автомобиля «РГ» решила вспомнить, как были устроены машины до эпохи ДВС.
1. Историки предполагают, что первые автомобили могли появиться уже в ХIV веке. Ведь именно тогда итальянец Гвидо да Виджевано скрестил ветряную мельницу и тележку, получив прообраз современного транспортного средства. А немного позднее небезызвестный Леонардо да Винчи разработал подобный механизм, но с приводом на трехколесный велосипед. Гений он и есть гений…
2. А вот первым работающим паровым транспортом в мире считается изобретение Фердинанда Вербиста — иезуита из Китая, который построил свой автомобиль, как забавную игрушку, не более. Правда, игрушку для императора. Машинка была крайне мала и не могла доставить из точки «А» в точку «Б» ни царственную особу, ни простого смертного. Но факт остается фактом: в 1672 году паровой транспорт празднует свой день рождения.
3. Следующим в очереди отцов-основателей паровых машин стоит Томас Ньюкомен. Именно он в 1712 году воплотил в металле первый паровой двигатель, состоящий из цилиндра и поршня. Это уже, действительно, был прорыв! Однако, через 53 года Джеймс Уатт значительно усовершенствовал изобретение Ньюкомена. Теперь двигатель работал на основе давления, а не вакуума и стал более компактным и производительным. Его-то и начали ставить на первые паровозы.
4. В 1769 году Николас Джозеф Кагнот разработал почти полноценный авто для передвижения по узким улочкам Парижа. Копия этой машины выставлена сейчас в Музее искусств и ремесел в той же столице Франции. Правда, в те далекие времена горожане были не в восторге, когда мимо их домов проносился железный монстр весом более трех с половиной тонн! И хорошо, что в один прекрасный момент уже второй экземпляр этого «чуда» врезался в стену, разрушил ее и сам не подлежал восстановлению. Вообще, первые паровые машины были крайне тяжелыми, поэтому в следующие сто лет их ставили исключительно на рельсы… Вот как зарождалась система железнодорожных путей.
5. Вы не поверите, но электромобиль, это чудо современной техники, был изобретен еще до повсеместного применения двигателя внутреннего сгорания! Если исторические архивы не врут, то в 1828 году, изобретатель из Венгрии Аноис Джедлик собрал первую в мире модель электромобиля! А первым, кто попытался поставить данное изобретение на коммерческие рельсы, были Томас Давенпорт и Роберт Дэвидсон. Их авто с батареями увеличенной емкости начали производить в 1881-м. Но достаточно большой мощности тогда добиться так и не удалось, что дало толчок началу истории ДВС.
Кто изобретал двигатели внутреннего сгорания
Отличие двигателя внутреннего от двигателя внешнего сгорания
Двигателей внешнего сгорания не так много как двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Все дело в том, что коэффициент полезного действия двигателей с внешним сгоранием топлива гораздо ниже, чем у двигателей со сгоранием топлива внутри цилиндра. Так, например, у паровозов (а у них двигатель внешнего сгорания), КПД всего 5…7%. Топливо нагревает воду (как в скороварке), и она превращается в пар. Этот пар подается в рабочий цилиндр и там он совершает работу. В данном случае – вращает колеса паровоза. А отработанный пар просто выбрасывается в атмосферу.
Более современные двигатели с внешним сгоранием, это, скорее всего, модификации двигателя Стирлинга. Стирлинг предложил не выбрасывать рабочее тело (для паровоза это пар), а нагревать его внутри цилиндра. Это рабочее тело разогреется, увеличится в объеме, или если объем замкнут, увеличится давление. Это давление и произведет работу. Затем этот самый цилиндр нужно охладить. Воздух, или другой газ, уменьшится в объеме и поршень опуститься вниз. Это теоретически, на практике нагревается и остывает сам газ, перемещаясь по специальным каналам. Но принцип остается тот же, газ не покидает пределы замкнутого пространства, а тепло подводится и отводится через стенки цилиндра.
Самые современные двигатели Стирлинга, работающие на солнечной энергии, дают КПД в 31,25%. Однако, они пока не устанавливаются на автомобили из-за сложности конструкции и малой надежности.
Двигатель внутреннего сгорания, потому так и называется, что нагрев рабочего тела (не важно, газ это или пар) происходит внутри замкнутого объема (чаще всего цилиндра). Первым таким двигателем, как не странно это будет звучать, была пушка.
Пороховой заряд, воспламеняясь, нагревал воздух и продукты сгорания пороха внутри канала ствола, и ядро выбрасывалось «пущалось». Отсюда и пушка, от «пущать».
Во всех современных двигателях внутреннего сгорания происходит почти то-же самое – внутри замкнутого объема зажигается некая горючая смесь. Этот «пожар» или «взрыв» нагревает воздух, а он (горячий воздух) производит необходимую работу. Просто поршень в двигателе не выбрасывается наружу, а совершает движения вперед и назад внутри цилиндра.
Изобретатели двигателя, который сейчас установлен на автомобиле
Итак, в связи с тем, что первым двигателем внутреннего сгорания была пушка, необходимо было бы узнать имя изобретателя, но оно, к сожалению, потерялось в веках. Известно, только,что в Европе пушка появилась в 14-м веке, а в восточных странах еще в 13-м.
Христиан Гюйгенс (портрет слева) в начале 17-го века предложил внутрь цилиндра с поршнем насыпать немного пороха. Если этот порох поджечь, то поршень поднимется вверх и шток прикрепленный к поршеню может совершить некоторую работу. Затем аппарат необходимо было разобрать, засыпать новую порцию пороха и продолжить. Шток останавливался в верхнем положении при помощи специального фиксатора.
Конечно, на это сейчас мы смотрим с удивлением, но для 17-го века это был прорыв.
В 1690 году (конец 17-го века) Дени Папен (портрет справа) усовершенствовал эту конструкцию предложив вместо пороха залить на дно цилиндра воду. Если нагреть цилиндр вода испарится превратившись в пар и этот пар совершит работу подняв поршень. Затем поршень можно остудить пар внутри превратится в воду и процесс можно повторить.
Через 15 лет, в 1705 году английский кузнец Томас Ньюкомен предложил машину для откачки воды из шахт. Его аппарат состоял из котла, который производил пар. Пар подавался в цилиндр и там совершал работу. Для быстрого охлаждения цилиндра он применил форсунку, которая впрыскивала холодную воду в этот цилиндр, тем самым охлаждая его. Конечно, периодически приходилось скопившуюся в цилиндре воду выливать, но машина его работала эффективно. Назвать такую машину двигателем внутреннего сгорания сложно, ведь нагрев воды происходит вне цилиндра, но такова история. Весь 18-й век посвящен изобретению конструкций работающих на использовании энергии пара.
Только в 1801 году французский изобретатель Филип Лебон придумал подавать в цилиндр светильный газ в смеси с воздухом и поджигать его там. Он даже получил патент на этот газовый двигатель. Но в связи с тем, что Лебон рано умер (в 1804 году в возрасте 35 лет), довести свое детище до практической модели не успел.
Этьен Ленуар (француз с бельгийскими корнями), придумывал различные механические конструкции, работая на гальваническом заводе. Именно он считается изобретателем первого работающего двигателя внутреннего сгорания.
Доработав идею Лебона, в 1860 году он взял за основу двухходовой поршень, который совершал работу двигаясь как вправо, так и влево. А смесь светильного газа и воздуха он поджигал в отдельной камере при помощи электрической искры. Направляя продукты сгорания (в зависимости от положения поршня) либо в правую, либо в левую полость, как пар у паровоза.
Как видим это опять не совсем похож на современный двигатель в нашем его понимании, но прародитель его это уж точно. Выпустив более 300 таких двигателей, он разбогател и перестал заниматься изобретательством. Изобретенный Августом Николаусом Отто двигатель вытеснил с рынка двигатели Ленуара. Именно Отто предложил и построил четырехтактный двигатель. КПД его двигателя достигал 15%, это почти в 3 раза выше чем у двигателей Ленуара. Кстати сказать современные бензиновые двигатели имеют КПД не выше 36%, это все чего мы достигли за 150 лет работы над двигателями внутреннего сгорания. На этом четырехтактном цикле работают сейчас большинство двигателей.
Только после изобретения двигателей работающих на жидком топливе (керосине и бензине), их вполне уже можно было устанавливать на повозки, что и сделал Карл Бенс в 1886 году.
В компании у Отто работали Готлиб Даймлер (слева) и Вильгельм Майбах ( на фото слева). И хотя предприятие работало прибыльно (двигателей Отто было продано более 42 тысяч штук), применение светильного газа резко сужало сферу применения. Даймлер и Майбах впоследствии организовали производство автомобилей постоянно их совершенствуя. Их имена знают практически все. Ведь именно они придумали автомобиль «Мерседес». Сын Вильгельма Майбаха – Карл (на фото справа), занимался авиационными двигателями, а затем и выпуском знаменитых автомобилей «Майбах».
Вильгельм и его сын Карл Майбах
В 1893 году Рудольф Дизель запатентовал двигатель работающий на отходах производства бензина – солярке.В его двигателе смесь не нужно было воспламенять, она загоралась сама от высокой температуры в цилиндре. Но и смесь воздуха с топливом готовилась несколько по-другому. В его двигателе топливо (солярка) подавалась в цилиндр в конце цикла сжатия специальным насосом. Это было революционным прорывом. Многие современные бензиновые двигатели используют этот метод образования воздушно-топливной смеси. Дизельный же двигатель не претерпел особых изменений.
Теперь на вопрос кто изобретал двигатели внутреннего сгорания Вы точно знаете ответ.
Первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания
Benz Patent-Motorwagen «патентованный автомобиль Бенца» — самый первый в истории автомобиль, использующий двигатель внутреннего сгорания. Также, это первый автомобиль, ставший коммерчески успешным и доступным.
Он был построен Карлом Бенцем в 1885 году и запатентован годом позднее. Данное транспортное средство обладало очень многими общими чертами современного автомобиля: оно имело шасси, двигатель, работающий на бензине, карбюратор, электрическую систему зажигания, систему охлаждения, трансмиссию и тормозной механизм.
Изобретателю удалось не только построить первый коммерчески успешный автомобиль, но и заложить основную концепцию узлов и механизмов, которые используются в современных транспортных средствах до сего дня. Однако, Бенц столкнулся с одной проблемой, которую даже ему не удалось решить сразу — система управления автомобилем так и осталась нерешённой задачей для изобретателя в течение многих лет. Именно поэтому его детище было построено по принципу обычного трёхколёсного велосипеда, в поворачивающимся передним колесом. И только в 1983 году Бенцем была разработана и запатентована современная система управления.
Сердцем автомобиля был четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания с рабочим объёмом 954 кубических сантиметра. Весил он около 100 кг и развивал мощность почти одну лошадиную силу при 400 оборотах в секунду. Автомобиль достигал скорости 16 км/час. Если принять во внимание достигнутую Бенцем компактность двигателя, такая мощность и скорость были большим достижением для 19-го века. А учитывая современную среднюю скорость движения автомобилей в час-пик в мегаполисе — 16 км/час, Бенц не потерял своего рекорда даже после выпуска более мощных и совершенных автомобилей. Первой женщиной за рулём стала жена изобретателя.
Автомобиль Карла Бенца является признанным памятником немецкой и общемировой промышленной истории.
Описать технический прогресс. Кто придумал теорию для двигателя внутреннего сгорания
Развитые страны одна за другой отказываются от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), поскольку они вредят экологии. Но для своего времени ДВС был настоящим чудом инженерной мысли. Хотя бы потому, что много лет никто не мог объяснить, как он работает. Сделать это удалось российскому ученому, о котором рассказывает новый текст серии «Кто придумал»
15 августа 2023 13:50
Василий Гриневецкий
Иллюстрация: Дарья Орлова
Золотой век русской поэзии — девятнадцатое столетие — в научно-популярной литературе принято называть веком господства паровых двигателей. И, как ни удивительно, оба эти определения встречаются в биографиях Александра Пушкина.
В 1836 году знаменитый поэт начал выпускать журнал «Современник». Активнее других Пушкину помогал Николай Гоголь — он писал блистательные литературные рецензии, где под видом критики книг иносказательно ругал общественный порядок. Когда стало ясно, что одни только гоголевские заметки коммерческого успеха журналу не принесут, издатель стал искать новые темы для публикаций.
Как раз в это время в Европе началось массовое производство транспортных средств, работающих на паровой тяге. Пушкина впечатлили западные публикации о паровых машинах. Поэт полагал, что интеллектуальную аудиторию его журнала заинтересует заграничное чудо техники, поэтому в конце 1836 года попросил написать такой текст своего приятеля Петра Козловского. Тот сначала долго отказывался, объясняя, что «Современник» слишком «легкий» для подобных тем, а после просто тянул со сдачей текста.
«Именно в последний разговор мой с Пушкиным 26 января (на бале у графини Разумовской) просил он меня написать к князю Козловскому и напомнить ему об обещанной статье для “Современника”, — вспоминал позже друг Пушкина Петр Вяземский. — Принимая поручение, мог ли я предвидеть, что роковой жребий, постигнувший его на другой день, был уже непреложно отмечен в судьбе и что несколько часов после увижу Пушкина на одре смерти и услышу последнее его дружеское прощание».
29 января 1937-го знаменитый поэт умер от раны, полученной на дуэли с Дантесом. Осенью того же года Козловский, «не противясь загробному голосу», все-таки написал в «Современник» статью о паровых машинах. После этого о них заговорили за пределами российского научного сообщества.
Впрочем, вряд ли в петербургских салонах стали обсуждать проблемы, занимавшие умы ученых. Для сжигания топлива в паровых машинах требовалась громоздкая «внешняя архитектура»: помимо основной части конструкции — соединенных цилиндра и поршня — для работы на паровой тяге были нужны котлы, конденсаторы, насосы и водяные резервуары. Изобретатели середины XIX века пытались придумать, как сделать инженерную систему более компактной. Со временем эту задачу решили (правда, стоить двигатели стали дороже), но оставалась другая: эффективность преобразования энергии (КПД) в паровых двигателях составляла всего лишь 1–8%.
Ситуация изменилась в конце столетия. Ученые сразу в нескольких странах практически одновременно, как это иногда бывает, изобрели двигатели внутреннего сгорания, которые оказались эффективнее и удобнее паровых. Работали и работают ДВС за счет преобразования химической энергии топлива в механическую: сжигая горючее — бензин или дизельное топливо, — двигатель преобразует энергию во вращательное движение, за счет которого крутятся колеса или лопасти. Попросту говоря, воздух как бы втягивается в двигатель с одной стороны, воспламеняется (это и называется внутренним сгоранием), а «отработанный» — выхлопной — газ вытесняется, приводя машину в движение.
ДВС появился как результат многих экспериментов. Теоретически принцип его действия разработчики не описывали, что мешало совершенствовать конструкцию. Но даже до улучшений КПД ДВС составлял около 15% — и за счет этого он быстро стал конкурентом парового двигателя. Уже к концу XIX века двигатель внутреннего сгорания пустили в массовое производство и стали использовать в транспорте.
Василий Гриневецкий
Иллюстрация: Дарья Орлова
Первый собранный в России автомобиль с ДВС был представлен в 1896 году на Всероссийской промышленной и художественной выставке в Нижнем Новгороде. Там его увидел Николай II, который, впрочем, большого интереса к новинке не проявил. Газета «Нижегородский листок» писала: «Осмотрев кустарный отдел, их Императорские Величества прошли в отдел экипажного дела… После обзора этого отдела был демонстрирован первый русский бензиномотор». Других подробностей в тексте не приводилось. Кстати, постоянным сотрудником «Нижегородского листка» был Максим Горький. Свидетельств того, что именно он — автор этой заметки, нет. Однако известно, что писатель был на упомянутой выставке в Нижнем Новгороде. И что Горький, как в свое время Пушкин, восхищался техническим прогрессом, любил писать, как мы бы сегодня сказали, «производственные репортажи» и точно знал о двигателе внутреннего сгорания, поскольку позже упоминал его в своих заметках и эссе. Массовые издания о ДВС в то время не рассказывали, зато в специализированных научных статьи о них встречались часто. Впрочем, формул и теоретических расчетов работы двигателя внутреннего сгорания тогда все еще не было.
В начале XX века это упущение исправил ученый Василий Гриневецкий.
«Поменьше теоретизируйте, побольше конструируйте!»
Василий Гриневецкий с детства увлекался наукой. Никаких проблем с доступом к образованию у мальчика из обеспеченной дворянской семьи не было. Он с легкостью поступил в Императорское московское техническое училище (ИМТУ, сейчас — МГТУ имени Баумана), одно из самых престижных учебных заведений Российской империи конца XIX века. В 1896 году Гриневецкий окончил ИМТУ и остался работать там преподавателем на механическом отделении. Уже через несколько лет он стал профессором на кафедре прикладной механики и машиностроения. Из немногочисленных биографических заметок о его жизни ясно, что работу свою он любил и подходил к обучению студентов творчески, стараясь строить уроки так, чтобы ученики получали не только фундаментальные знания, но и практическую подготовку. Одновременно профессор продолжал научную деятельность. И там он тоже старался придерживаться своего главного убеждения: не отделять теорию от практики.
В начале XX века Гриневецкий стал изучать двигатели внутреннего сгорания, полагая, что за ними будущее. В 1906 году он запатентовал ДВС «транспортного типа», который предполагал использовать в тепловозах. Первый «двигатель Гриневецкого» на Путиловском заводе в Санкт-Петербурге изготовили в 1908-м. Испытания устройства прошли успешно — предстояла «доводка» двигателя под использование в пассажирском тепловозе. Этим занялся ученик Гриневецкого Борис Ошурков, однако планы разрушила Гражданская война. По некоторым данным, после войны к работе над двигателем хотели вернуться, но само устройство потеряли. Видимо, именно поэтому Гриневецкий прославился не как практик, а как теоретик.
В 1907 году под его редакцией вышло первое издание труда немецкого ученого Гуго Гюльднера «Газовые, нефтяные и прочие двигатели». Оригинальный текст предварял эпиграф: «Поменьше теоретизируйте, побольше конструируйте!» Гриневецкий с этой идеей был не согласен, но из уважения к немецкому коллеге эпиграф сохранил. Однако дополнил издание приложением «Тепловой расчет рабочего процесса», которое, как теоретический труд, с подходом Гюльднера конфликтовало. Опередив европейских ученых примерно на 20 лет, Гриневецкий описал принцип работы ДВС: его метод теплового расчета помогал понять, как работающие на ДВС машины приходили в движение.
Василий Гриневецкий
Иллюстрация: Дарья Орлова
Главное дело Гриневецкого
После публикации приложения к книге Гюльднера Гриневецкий начал читать лекции о двигателях внутреннего сгорания. Их, в числе прочих, слушали студенты Евгений Мазинг и Николай Брилинг. Позже они усовершенствовали метод учителя: именно их формулы использовались для расчета работы ДВС вплоть до появления ЭВМ и персональных компьютеров.
В 1914 году Гриневецкий стал ректором ИМТУ. На этой должности он полностью перестроил процесс обучения студентов. «Развитие инженерного образования должно идти в двух направлениях, — писал ученый. — С одной стороны, должна расти специализация преподавания, с другой — должно усиливаться взаимодействие и тесное сотрудничество разных специальностей. Единственно школа политехнического типа при достаточно гибкой организации может удовлетворять обоим направлениям».
К окончанию учебы выпускники должны были представить «серьезную работу», например продемонстрировать конструкторскую разработку двигателя, электроустановки и газогенератора с подробными теоретическими выкладками. Сделать это, прогуливая лекции или не проходя заводскую практику, было невозможно. В итоге выпускники приходили в профессию и с теоретическими, и с практическими знаниями. Этого было достаточно для начала успешной научной карьеры — такой, какой мог похвастаться сам ректор.
Об эффективности работы учителя говорят успехи его учеников. Подход Гриневецкого действительно работал, что подтверждают известные на весь мир фамилии выпускников «перестроенного» им учебного заведения. Среди них — спроектировавший более 100 типов самолетов Андрей Туполев, один из пионеров советской сверхзвуковой авиации Павел Сухой, создатель первого в СССР самолета, достигшего скорости звука, Сергей Лавочкин и многие другие.
Хотя известность в России и мире Василию Гриневецкому принесла теория для ДВС, сам ученый своей главной заслугой считал образовательные реформы, которые ему удалось развернуть в ИМТУ.
Автор: Ольга Обыденская
В иллюстрациях использованы фото: Kirn Vintage Stock / Corbis via Getty Images; SSPL / Getty Images; Lambert / Getty Images; ullstein bild via Getty Images; Photo12 / Universal Images Group via Getty Images; Wikipedia / CC0
Проект создан при поддержке АНО «Институт развития интернета»