Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), преобразующий химическую энергию топлива в механическую, стал основой транспортной революции XIX–XX веков. Первые эксперименты с газовыми двигателями начались в 1807 году, но практическое применение технология обрела лишь в 1876-м с созданием четырёхтактного цикла Отто.
Развитие карбюраторов, систем зажигания и материаловедения позволило массово внедрить ДВС в автомобили, авиацию и промышленность. Сегодня, несмотря на конкуренцию электромобилей, двигатели внутреннего сгорания остаются доминирующим источником энергии в глобальной транспортной системе.
Разработчики первых моторов внутреннего сгорания ориентировались на устройство паровых агрегатов. Ещё в 1860 году французский инженер Этьен Ленуар создал газовый мотор, схожий по конструкции с паровой установкой. Аппарат функционировал на комбинации светильного газа и атмосферного воздуха. Для воспламенения использовались две электрические свечи, вмонтированные в крышки цилиндров. Двигатель Ленуара был двустороннего действия, то есть рабочий процесс происходил по обе стороны поршня, и двухтактным — полный цикл завершался за два перемещения поршня. При первом ходе осуществлялись всасывание смеси, её возгорание и расширение (рабочая фаза), при втором — вывод отработанных газов. Управление впуском и выпуском осуществлялось задвижкой-золотником, приводимым в движение эксцентриком на валу.
В отличие от паровых аналогов, газовые моторы не нуждались в генерации пара, но их обслуживание оставалось трудоёмким. Масса таких устройств практически не отличалась от паровых агрегатов. Стоимость единицы мощности превышала аналогичный показатель паровых машин в семь раз. Лишь 4% тепловой энергии сгоревшего газа преобразовывалось в полезную работу (КПД — 0,04). Остальная энергия терялась с выхлопными газами, расходовалась на нагрев корпуса или рассеивалась. При достижении частоты вращения вала 100 об/мин система зажигания давала сбои, приводя к нестабильной работе. На охлаждение тратилось до 120 м³ воды в час. Температура газа достигала 800°C, вызывая перегрев и заклинивание золотника. Частицы несгоревшей смеси засоряли каналы впуска и выпуска.
Низкая эффективность мотора Ленуара была обусловлена принципом его работы. Давление воспламенённой смеси не превышало 5 кг/см², снижаясь к концу рабочего хода в три раза. Одноцилиндровый агрегат объёмом 2 л при таких параметрах, частоте вращения 100 об/мин и КПД 0,04 выдавал мощность не более 0,1 кВт. Таким образом, производительность этого мотора была в тысячу раз ниже, чем у современных автомобильных двигателей.
Прорыв в эффективности газовых моторов произошёл в 1876 году благодаря сотруднику коммерческой компании Николаусу-Августу Отто из Кёльна и его коллеге Евгению Лангену.
Патент Отто был аннулирован в 1889 году из-за притязаний француза Л. Бо-де-Роша, заявившего о приоритете в разработке четырёхтактного цикла. Мировое признание заслуги Отто получили посмертно, а цикл назвали его именем.
Наблюдая за работой газового мотора, Отто предположил, что повысить эффективность можно путём смещения момента зажигания смеси с середины хода поршня на его начало. Это позволило бы использовать давление газа на протяжении всего хода. Для заполнения цилиндра смесью перед стартом Отто вручную проворачивал маховик, активируя зажигание только при возврате поршня в исходное положение. Маховик резко набирал обороты, тогда как сгорание смеси давало лишь слабый импульс. Изобретатель не обратил внимания, что смесь сжималась перед воспламенением, связывая улучшения исключительно с расширением газов.
На создание экономичного мотора с КПД 0,15 у Отто ушло 15 лет. Агрегат назвали четырёхтактным, так как цикл включал четыре фазы движения поршня и два оборота коленвала. Золотник в нужный момент открывал доступ к запальной камере с постоянно горящим газом, обеспечивая воспламенение. Хотя золотниковое управление и открытое пламя не используются в современных моторах, цикл Отто сохранился практически без изменений. По этому принципу работает большинство современных автомобильных двигателей.
Принцип четырёхтактного цикла:
Впуск: Поршень движется от верхней мёртвой точки, создавая разрежение для всасывания горючей смеси через карбюратор. Выпускной клапан закрыт.
Сжатие: Оба клапана закрыты. Поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь.
Рабочий ход: Воспламенение сжатой смеси. Энергия расширения газов через шатун преобразуется во вращение коленвала.
Выпуск: Инерция маховика продвигает поршень вверх, открывая выпускной клапан для удаления отработанных газов.
Инерции маховика хватало для трёх последующих тактов. Запуск мотора требовал внешнего усилия: изначально маховик вращали вручную, позже для этого стали использовать электродвигатель (стартер).
Конструктивные особенности:
Распределительный механизм контролировал открытие/закрытие клапанов.
Система зажигания обеспечивала своевременное воспламенение.
Ориентация цилиндра (горизонтальная, вертикальная, наклонная) не влияла на процесс.
Недостатки двигателя Отто:
Ограниченная скорость (до 180 об/мин) из-за износа золотника.
Высокая масса (500 кг на 1 кВт) из-за массивного кривошипного механизма и толстостенных цилиндров.
Необходимость крупных газовых резервуаров.
Эти факторы сделали мотор Отто непригодным для транспорта, но популярным в стационарных условиях.
Переход на жидкое топливо:
Пригодность ДВС для транспорта стала возможной благодаря использованию жидкого топлива, повысившего компактность и скорость. Ключевую роль сыграли Готтлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, позднее основавшие собственную фирму.
Достижения Даймлера:
Первые моторы работали на газе и бензине, последующие — только на жидкости.
Частота вращения вала достигла 450-900 об/мин (в 4-5 раз выше газовых аналогов).
Мощность на литр объёма удвоилась.
Появился закрытый картер с маслом для защиты механизмов.
Пластинчатый радиатор улучшил охлаждение.
Заводная рукоятка упростила запуск.
Проблемы ранних моторов:
Сложности с наращиванием мощности: увеличение диаметра цилиндра усиливало нагрузку на стенки, а удлинение хода поршня затрудняло компоновку.
Решение: добавление цилиндров. Даймлер создал V-образные двухцилиндровые (1891) и первые четырёхцилиндровые (1891) моторы.
Эволюция конструкции:
Цилиндры: Стали взаимозаменяемыми для массового производства. Головки отливались вместе с цилиндрами, съёмные рубашки охлаждения упрощали обслуживание.
Распределительный механизм: Автоматические впускные клапаны (открывались разрежением) и управляемые эксцентриком выпускные уступили место кулачковым валам.
Охлаждение: Змеевиковые радиаторы заменили сотовыми (1901), повысив эффективность. Водяные насосы с приводом от коленвала появились в конце XIX века.
Смазка: Разбрызгивание масла черпачками на шатунах.
Карбюрация: От примитивных систем (карбюратор Маркуса) перешли к пульверизационным моделям с поплавковой камерой (Бенц, Майбах), используемым до сих пор.
Система зажигания:
Ранние модели использовали калильные трубки (платина), позже — магнето Боша, генерировавшее искру при разрыве цепи.
Стартер: Изобретён Ч. Кеттерингом для замены травмоопасной рукоятки.
Дизельные двигатели:
Рудольф Дизель запатентовал в 1892 году мотор с воспламенением от сжатия. Принцип:
Сжатие воздуха до температуры, превышающей точку воспламенения топлива.
Постепенная подача топлива для поддержания постоянной температуры (цикл Карно).
Развитие дизеля:
Первые образцы (1893) на угольной пыли взрывались. Переход на керосин и компрессорный впрыск (1895) позволил добиться устойчивой работы.
КПД опытного образца 1897 года — 25% против 24% у лучших газовых моторов.
Широкое распространение после выставки 1900 года. Мощность достигла 2400 л.с. (завод Зульцера, 1900-е).
Преимущества дизеля:
Отсутствие электрического зажигания.
Работа на дешёвом тяжёлом топливе.
На 30% меньший расход топлива благодаря высокой степени сжатия.
Недостатки:
Дорогие топливные насосы и форсунки.
Повышенная масса из-за прочных деталей.
Сложности с холодным пуском.
Высокий шум.
Применение:
С 1920-х — на грузовиках и автобусах.
В СССР в 1930-х создан быстроходный дизель В-2 для танков Т-34, КВ, ИС.
Конструкции бензиновых и дизельных моторов, сформировавшиеся к началу XX века, остаются актуальными. Роторные двигатели Ванкеля не смогли их вытеснить. Даже в XXI веке автомобили продолжают использовать ДВС, доказавшие свою надёжность и эффективность.
Короткие факты о ДВС в хронологическом порядке
В 1680 году Христиан Гюйгенс спроектировал пороховой двигатель с цилиндром и поршнем. Порох воспламенялся, толкая поршень, но из-за неконтролируемых взрывов проект забросили, назвав «дьявольской мельницей».
В 1807 году Франсуа Исаак де Риваз построил первый ДВС, работавший на водороде. Смесь газа и воздуха воспламенялась электрической искрой, но двигатель выдавал всего 0.5 л.с. и не мог конкурировать с паровыми машинами.
В 1824 году Сади Карно опубликовал труд «Размышления о движущей силе огня», заложив основы термодинамики. Он доказал, что КПД идеального двигателя зависит от разницы температур, но не смог применить теорию на практике.
В 1859 году Этьен Ленуар создал двухтактный газовый двигатель мощностью 2 л.с. Он работал на светильном газе и использовался для насосов, но из-за расхода топлива в 3 м³/час прозван «пожирателем денег».
В 1862 году Альфонс Бо де Роша теоретически описал четырёхтактный цикл: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Патентное бюро отклонило заявку, посчитав идею «фантастической».
В 1872 году американец Джордж Брайтон разработал первый безопасный керосиновый двигатель. Топливо испарялось в котле, но на прогрев уходило 30 минут, что ограничило применение.
В 1876 году Николаус Отто запатентовал четырёхтактный двигатель с КПД 14%. Его фабрика Deutz AG выпускала 2000 моторов в год, но из-за патентных войн Отто разорился.
В 1883 году Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах создали бензиновый двигатель с зажиганием от калильной трубки. Мотор весом 60 кг развивал 0.25 л.с. и стал прообразом автомобильных ДВС.
В 1885 году Карл Бенц установил одноцилиндровый ДВС на трёхколёсный экипаж. Мощность 0.9 л.с. позволяла разгоняться до 16 км/ч, но горожане пугались шума, называя машину «адской телегой».
В 1892 году Рудольф Дизель запатентовал двигатель с воспламенением от сжатия. Первый образец взорвался, едва не убив изобретателя, но к 1897-му КПД достиг 26% — вдвое выше, чем у бензиновых моторов.
В 1893 году братья Дюрье создали карбюратор с распылением бензина воздухом. Технология позволила отказаться от опасного светильного газа, но первые карбюраторы часто забивались примесями.
В 1901 году Вильгельм Майбах разработал шестицилиндровый двигатель для Mercedes 35PS. Мотор мощностью 35 л.с. разгонял автомобиль до 75 км/ч, установив стандарт для гоночных машин.
В 1903 году братья Райт использовали 12-сильный ДВС в первом самолёте. Двигатель весил 82 кг, а топливный бак был сделан из консервных банок.
В 1908 году Генри Форд начал массовое производство двигателей для Model T. Литейный цех использовал сплав алюминия с медью, сократив вес мотора на 30%.
В 1913 году Renault внедрила V-образные 8-цилиндровые двигатели для авиации. Моторы перегревались, но их мощность (300 л.с.) позволила создать первые бомбардировщики.
В 1924 году Chrysler выпустил двигатель с алюминиевыми поршнями и верхним расположением клапанов. Инновация повысила КПД, но потребовала дорогого высокооктанового бензина.
В 1927 году BMW создала авиационный мотор BMW VI. Он развивал 750 л.с. и устанавливался на рекордные самолёты, но при отказе часто взрывался, убивая пилотов.
В 1930-х Rolls-Royce разработала двигатель Merlin для истребителей Spitfire. Мотор мощностью 2000 л.с. с турбонаддувом стал символом победы в Битве за Британию.
В 1938 году Volkswagen начал производство оппозитных двигателей для «Жука». Воздушное охлаждение снижало надёжность, но упрощало конструкцию.
В 1951 году Rover представила газотурбинный автомобильный двигатель. Расход топлива достигал 50 л/100 км, и проект закрыли, хотя мотор разгонял машину до 240 км/ч.
В 1955 году Citroën DS получил двигатель с гидропневматической подвеской. Система позволяла поднимать кузов для замены колеса, но утекающая жидкость оставляла пятна на дорогах.
В 1964 году Ferrari выпустила 12-цилиндровый двигатель Colombo V12. Мотор звучал как «оперный хор», но перегрев свечей зажигания часто выводил его из строя.
В 1967 году Mazda начала производство роторных двигателей Ванкеля. Лёгкие и мощные, они страдали от износа уплотнений, прозванных «дьявольскими когтями».
В 1972 году BMW M10 стал первым серийным двигателем с электронным впрыском. Система Bosch Jetronic снизила расход топлива, но ремонт требовал навыков программирования.
В 1981 году Fiat разработал турбодизель для Uno Turbo. Давление наддува достигало 2 бар, а ресурс мотора не превышал 100 000 км из-за трескающихся поршней.
В 1997 году Toyota выпустила гибридный двигатель Prius. ДВС работал в паре с электромотором, но владельцы жаловались на «роботизированные рывки» при переключении режимов.
В 2004 году Bugatti Veyron получил двигатель W16 с четырьмя турбинами. Мотор мощностью 1001 л.с. потреблял 40 л/100 км, а замена масла стоила $20 000.
В 2010 году Koenigsegg представила двигатель с бескулачковым газораспределением. Клапаны управлялись пневматикой, но система выходила из строя при -10°C.
В 2015 году Tesla объявила о смерти ДВС, но в 2020-м Илон Маск признал: «Батареи не заменят дизель в грузовиках ещё 20 лет».
В 2021 году Toyota создала водородный ДВС, выбрасывающий только воду. Мощность 300 л.с., но заправки есть только в Японии и Калифорнии.
В 2023 году Porsche испытала синтетическое топливо для старых двигателей. Цена $10 за литр делает его «бензином для миллионеров», но энтузиасты довольны.
Двигатель внутреннего сгорания прошёл путь от взрывоопасных экспериментов с порохом до космических технологий. Он пережил паровых гигантов и атомную эру, но теперь уступает место батареям. Впрочем, даже если электромобили захватят мир, ДВС останется в сердцах механиков — как напоминание, что иногда лучший звук прогресса это рёв мотора, а не тихое жужжание. И кто знает: может, через век наши правнуки будут заводить ретро-авто, шепча: «Слышишь? Это музыка поршней!».