1. Введение
Кажется, нет в нашем современном лексиконе слов, которые не уходили бы корнями в языки Древней Греции, Римской империи и прочих стародавних государств и народов. Вот и автомобиль, которому не так давно исполнилось всего-то 120 лет, обязан своим названием слову «самодвижущийся», которое появилось в европейских языках от греческого «аутос» – «сам», и латинского «мобилис» – «подвижный», т. е. буквально «автомобильный». Этот термин относился ко всем предметам и механизмам, служащим человеку помощниками в его труде и развлечениях: часам, куклам-автоматам, фонтанам, качелям и т. п.
Вспомните сказки о коврах-самолетах, сапогах-скороходах и печи, на которой ездил Емеля. В них воплотились многовековые мечты человека о средствах передвижения, который не только во вселенском, но даже в планетарном масштабе «слаб, сир и убог».
Однако известно, что «сказка ложь, да в ней – намек». Следует отдать должное нашим предкам: намеки матушки-природы они понимали, учились старательно и всячески пытались придумать что-нибудь такое, что могло бы если и не полностью выполнять работу вместо них, то хотя бы облегчить ее. Научившись толкать впереди себя (а не волочить или тащить на плечах) валуны и бревна для постройки жилища, первобытные люди сделали открытие, создавшее необходимые предпосылки для изобретения колеса. Без сомнения, оно было бы изобретено раньше, если бы не наши четвероногие братья – домашние животные. Эти молчаливые помощники на протяжении многих веков безропотно тащили грузы волоком, а идея колеса ждала своего воплощения. И это вполне справедливо – ведь для колес нужны дороги, и вытоптать их должны были многие поколения людей…
Зато когда колесо наконец появилось (археологи утверждают, что в Месопотамии), по всему миру покатились разнообразные повозки, телеги, арбы и колесницы. Как правило, они приводились в движение животными, однако в эпоху Возрождения были созданы и такие повозки, в которых использовалась мускульная сила человека, умножаемая хитроумными механизмами и передаваемая на колеса с помощью рычагов и шестерен. Нам более других импонирует версия, согласно которой именно эти творения великого Леонардо да Винчи и его современников в наибольшей степени соответствуют понятию «автомобиль»: они не столько средство передвижения вообще, сколько передвижения автономного, когда путешественник сам выбирает маршрут, скорость и места остановок, ни на кого при этом не оглядываясь. Таким образом, понятия «свобода» и «автомобиль» оказались удивительно созвучными.
Именно эта независимость и отличает автомобиль, особенно личного пользования, от других видов транспорта. Железнодорожный локомотив – тоже самодвижущийся, однако его автомобилем не называют. Всю жизнь по рельсам – ни влево, ни вправо – какая там свобода! Мы не имеем возможности дословно цитировать формулу изобретения, патент на которое в 1886 году получил Карл Бенц, но энциклопедические определения автомобиля тех лет звучали так: «Экипаж для передвижения по обычным дорогам, приводимый в действие находящимся на нем двигателем» или «Машина для перевозки пассажиров и грузов по безрельсовым дорогам, приводится в движение установленным на ее раме двигателем внутреннего сгорания (обычно бензиновым, нефтяным или газовым), реже паровым или электрическим двигателем…»
В последнем определении не все точно, многое уже устарело (скажем, «установленный на раме двигатель»; на электромобиле он может находиться и в колесе, да и рама не обязательна, на многих автомобилях ее давно заменил несущий кузов), но ни одно из определений не распространялось на тип и конструкцию двигателя. Не все ли равно, какой двигатель? Лишь бы самодвижущийся экипаж соответствовал своему назначению.
Почему же «родословную» автомобиля исчисляют от первых «бензиномобилей» с двигателем внутреннего сгорания, изобретенных и построенных в 1885–1886 годах, забывая о паровых и аккумуляторных (электрических) экипажах (были и такие)? Дело в том, что двигатель внутреннего сгорания произвел подлинный переворот в транспортной технике. Именно он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил свое главенствующее положение.
В XX веке автомобильное «население» Земли увеличилось в 10 тысяч раз, а людское – лишь втрое, за последнюю треть века (когда в ряде стран один автомобиль приходится уже на 2–5 жителей), соответственно, в 6 раз и вдвое. Трудно представить себе отрасль народного хозяйства или вид деятельности человека, в которых не использовался бы автомобиль. Автомобили – самая мощная энергетическая база человечества: суммарная мощность их двигателей достигает 20–25 млрд кВт, а вырабатываемая ими ежегодно энергия – примерно 30 млрд кВт ч. Мировая автомобильная промышленность выпускает ежегодно до 40 млн машин.
Однако распространение автомобилей несет людям не только пользу. Массовость их применения вызвала угрозу истощения энергетических ресурсов, загрязнение атмосферы городов, многочисленные случаи дорожно-транспортных происшествий. Не слишком ли дорого обходятся человечеству автомобили? Не изжили ли они сами себя, не пора ли им уступить место более безопасным средствам транспорта? Для ответа на эти и другие подобные вопросы требуется обстоятельный анализ.
Важнейшее условие дальнейшего существования и развития автомобиля – это верность всех участников его создания и использования – конструкторов, эксплуатационников, бизнесменов – автомобильной идее, безошибочное прогнозирование и верное определение направлений ее развития в меняющихся условиях. Для этого придется еще не один раз обратиться к прошлому, чтобы в нем найти ключ к пониманию и решению старых и новых проблем и задач…
Этот, и без того трудный, поиск осложняется еще и тем, что каждый человек – это личность, которой присущи собственные амбиции и даже капризы. Автомобиль – личный экипаж, и стандартизация (читай – обезличивание) этого экипажа вызывает у владельца внутренний протест. Не случайно сегодня столь успешно и, главное, прибыльно работают тюнинговые ателье, а самые дорогие автомобили, стоящие бешеных денег, изготовляются под заказ, и ждать исполнения этого заказа приходится едва ли не годами. К слову сказать, личных автомобилей во всех странах втрое – впятеро больше, чем всех прочих, и примерно втрое больше, чем это необходимо для обеспечения реальной потребности в транспорте. Поэтому дальнейшее развитие автомобиля будет происходить в борьбе между фантазией носителей новых идей и консерватизмом основной массы потребителей. Впрочем, такая борьба – неотъемлемая часть любой революции: социальной или технической.
2. Немного истории…
Говорят, все началось с колеса. Оно известно примерно с середины IV тысячелетия до н. э. До этого человек знал, кроме пешего хождения и плавания по воде, еще два вида передвижения – верховую езду и перемещение тяжестей на волокушах из шестов, веток или шкур. Возможно, что конструкцию колеса подсказали людям покатившийся моток шерсти или веретено, но вернее всего – бревна-катки, с помощью которых перемещали каменные блоки пирамид и прочие тяжелые грузы. Но колесо, каким его иногда изображают, вряд ли отпиливали от бревна. Для этого потребовались бы инструменты, которых еще не существовало. Кроме того, даже отпилив диск, убедились бы в его непрочности, поскольку распил шел поперек волокон древесины. Все древнейшие колеса – составные, из двух-трех сегментов, соединенных планками. Позднее для облегчения колеса в сегментах стали делать вырезы или составляли диск в виде решетки из брусьев, располагая их лучеобразно или крест-накрест. Так пришли к спицам, ступице (центральной части колеса) и ободу, либо также составному из брусьев, либо гнутому из дерева в распаренном состоянии.
Что общего между автомобильными колесами и находками археологов? Оказывается, общего много. Достаточно сказать, что на автомобиле дисковые колеса (конечно, не бревенчатые, а стальные) появились гораздо позже спицованных (экипажных). Колеса же со спицами крест-накрест – это прямо-таки самое архисовременное колесо, «находка» дизайнеров 80-х годов XX века! Не подскажет ли нам еще что-нибудь древний транспорт?
Есть такие подсказки! Во многих городах мира автобусам и такси теперь выделена особая полоса движения, и они беспрепятственно катят мимо томящихся в уличных пробках автомобилистов. Готовится еще один логичный шаг: оградить автобусную полосу бордюром, превратить ее в некий желоб, который давал бы направление движению даже без участия водителя. Потребовались годы дискуссий о достоинствах и недостатках «независимости» автомобиля, пока не стало ясно, что общественному транспорту в городах должны быть предоставлены привилегии. И вот теперь, вкусив от этой победы разума, пассажиры туристского автобуса быстро выбираются, например, к окраине Неаполя и прибывают в Помпеи. Первое, что попадает в поле их зрения, – это улицы мертвого города. Довольно высокие тротуары образуют направляющие, предвосхитившие на два тысячелетия автоматизированную трассу автобусов! Движение уже тогда было односторонним, иначе две повозки, встретившись, попросту не разъехались бы. Но самое примечательное – это перекрестки. Там, где мы привыкли видеть переходы типа «зебра», из плит мостовой выступают камни-островки, образующие три-четыре промежутка: крайние – для колес, средние – для коней. В размерах островков и промежутков между ними соблюден определенный стандарт, из чего можно заключить, что и колея, и дорожный просвет колесниц были унифицированы и что многоконные коляски на улицы города не допускались. Помпейским возницам волей-неволей приходилось замедлять ход перед перекрестками, а пешеходы ступали по островкам, не сходя на мостовую и сохраняя чистыми сандалии. Такой переход, пожалуй, безопаснее нынешней «зебры» и как две капли воды схож с новейшим экспериментальным, опробованном в Голландии, где тоже применены «островки», но теперь уже резиновые. И впрямь, все уже было!
Каковы были колесницы? Напомним, что им предшествовали запряженные быками одноосные арбы. Иногда их сцепляли по две, в результате получалась двухосная повозка, обладавшая, однако, худшей проходимостью, чем одноосная. Когда быков заменили конями, родились колесницы. Сначала они предназначались для торжественных выездов, прогулок и соревнований, затем их приспособили и для других целей: земледельцы – для вывоза урожая, кочевники – в качестве походных жилищ. Армии захватчиков не могли обойтись без обозов. А обозы – без дорог. Расширявшуюся территорию Римской империи покрыла сеть из 372 каменных магистральных дорог общей протяженностью 60 тыс. км. Магистрали соединяли Рим с его провинциями.
Колесницы были весьма разнообразными: двух– и многоместными, двух– и четырехколесными, открытыми и с балдахином, простыми и роскошно отделанными… Последние подобны еще более древним колесницам времен Троянской войны, у которых, если верить Гомеру, были восьмиспицевые колеса, окованные медью, которые свободно вращались на железных осях. Ободья колес были золочеными, а ступицы покрывались серебром. Кузов подвешивался на крепких ремнях, тоже отделанных драгоценными металлами. Дальше – «силовой» агрегат, то есть быстрые кони, а «трансмиссией» служило опять-таки посеребренное дышло…
Обратите внимание, уважаемый читатель: колеса независимо вращались на неподвижной оси. Это очень важный момент. На более древних повозках, да и на более поздних, вплоть до железнодорожных локомотивов и вагонов, применялись так называемые колесные пары – оба колеса жестко крепились на общей оси. При такой компоновке на крутых поворотах ближнее к центру поворота колесо совершает меньший путь, чем внешнее. Одно колесо просто проскальзывает, и в результате – раздается скрежет от трения обода о дорожное покрытие и происходит неравномерный износ ободьев. В конечном итоге принцип независимого вращения колес на одной оси стал обязательным и для конных повозок, и для автомобилей, то есть там, где колея достаточно широка, а разница в скорости колес может быть значительной.
Еще одна идея, которой нынешние конструкторы автомобилей обязаны древним колесницам, – несущий кузов. Сегодня он прочно обосновался в автомобильной технике: уже не только легковые автомобили, но и солидные автобусы имеют такие кузова.
Надо сказать, что древние римляне умели и любили строить дороги, но вот об удобстве путешественников пеклись гораздо меньше. Однако с транспортной тряской боролись, хотя бы в целях продления жизни экипажам: кузова колесниц были массивными и очень крепкими. Ведь рессор не было, эластичных шин – тем более. Огромный по нашим меркам диаметр колес (1,5–2 м) тоже имел целью смягчать толчки при переездах через неровности дороги.
Упадок Римской империи и деление Европы на мелкие феодальные княжества затормозили развитие безрельсового колесного транспорта на целое тысячелетие. В этот период знатные люди путешествовали большей частью верхом или на носилках (ручных либо конных), а крестьяне использовали повозки, запрягая в них кто лошадей, кто быков, а кто – себя. Некий безвестный умелец тех времен изобрел поворотный шкворень, через который передняя ось крепилась к кузову. Это был прорыв, значение которого оценили не сразу…
Наконец, в XV веке повозку превратили в экипаж: кузов подвесили на ремнях, как люльку, к загнутым концам рамы. В таком «салоне» уже не трясло так сильно, но зато укачивало. Тем не менее, титулованные и коронованные особы избрали карету своим основным средством передвижения.
Два последующих столетия были посвящены преимущественно усовершенствованиям пассажирских салонов. Со временем в них стало возможным не только преодолевать значительные расстояния, но даже спать. Это было важно, так как проехать без сна до постоялого двора мог не каждый путник.
К концу XVII столетия стальные рессоры сменили ремни, в это же время лошадь получила хомут, чуть ли не вдвое увеличивший ее тягловую силу. Однако кареты на высоких колесах и с тяжелыми кузовами, которые к тому же раскачивались на рессорах, были опасными: на поворотах кренились, иногда опрокидывались. На крутых спусках лошади не могли их удержать. Так пришло понимание необходимости тормозов. Поначалу это были просто деревянные клинья, подкладываемые под колеса перед спуском, впоследствии на карете появился рычаг с закрепленной на его конце кожаной подушкой. Нажимая на рычаг, кучер с силой прижимал подушку к ободу колеса и замедлял его вращение.
Не описывая в подробностях сложный путь развития экипажного (прежде всего – каретного) ремесла, напомним, что именно каретным мастерам прошлых веков мы обязаны изящными формами современных автомобилей. Ведь трудолюбивые предшественники современных дизайнеров отделывали каждый кузов, как драгоценную шкатулку: выпиливали или гнули из дерева сложные детали, соединяли их в прочный каркас, обшивали планками и кожей. Краска и лак служили не только для красоты, они оберегали деревянные и металлические части экипажа от дождя, снега и солнца. Малейшие впадины и выпуклости заравнивали несколькими слоями шпатлевки и грунтовки, затем наносили 12–15 слоев краски и лака. Каждый слой сушили несколько дней, шлифовали (пемзой), а последний слой полировали до зеркального блеска. Кстати, автомобильная терминология во многом обязана каретному делу. Так, рессоры, амортизаторы и пружины автомобиля мы называем подвеской, обтекаемые панели над колесами – крыльями, много сходных терминов и в деталях кузовов. А названия кузовов – купе, фаэтон, кабриолет, ландо – заимствованы из каретного прошлого. Термин «седан» – еще более древний. И вообще, у автомобиля с экипажем есть то главное, что их роднит. Это отношение человека к этим средствам передвижения. Когда читаешь великих писателей прошлого, еще не знавших автомобиля, начинает казаться, что они предвидели и предсказали нынешнюю систему «человек – дорога – автомобиль». В качестве примера можно привести гениальные строки Н. В. Гоголя из «Мертвых душ»:
«…В дорогу, в дорогу… Какое странное, и манящее, и несущее, и чудесное в слове: дорога!…Боже! как ты хороша подчас, далекая, далекая дорога!.. Сколько родилось в тебе чудных замыслов, поэтических грез, сколько перечувствовалось дивных впечатлений!.. И какой же русский не любит быстрой езды?.. Ее ли не любить, когда в ней слышится что-то восторженно-чудное? Кажись, неведомая сила подхватила тебя на крыло к себе, и сам летишь, и все летит…»
Одно лишь коренным образом отличает потомков от предков – механический двигатель. Прошли столетия, пока он стал пригодным для транспортной машины. Но сама эта машина могла появиться значительно позже, если бы в процессе развития конных экипажей не были подготовлены кузов и многие ее механизмы.
Как было бы замечательно, если бы экипаж стал самодвижущимся, безлошадным! Над этой проблемой люди ломали голову с давних пор. Какую силу, какой механизм применить к повозке?
Начиная с XV века появились десятки самодвижущихся (развлекательных или военных) экипажей и их проектов. Тут и конструкции великого итальянца Леонардо да Винчи, которые приводились в действие слугами, шагающими рядом с повозкой или находящимися на ней самой; и повозка немецкого художника Альбрехта Дюрера со всеми приводными колесами – если одно попадает в грязь и скользит, то другие продолжают катить повозку (прообраз полноприводного автомобиля повышенной проходимости); и русская «самобеглая коляска» Леонтия Шамшуренкова со счетчиком пробега, успешно испытанная в Петербурге.
Заслуживает внимания трехколесная «самокатка» придворного механика Екатерины II – Ивана Петровича Кулибина (1735–1818). Слуга, который приводил ее в движение, находился сзади – «на запятках». Наступая на педали, он толкал тяги, они передавали усилие на зубчатое колесо храпового механизма, насаженного на ось маховика.
Хотя Кулибин создавал всего-навсего очередную «диковину», предназначенную для прогулок по аллеям парка, он поставил перед собой те же задачи, которые стоят и в наше время перед конструкторами автомобилей: сделать работу коляски плавной, обеспечить ее движение не только по ровным, но и по пересеченным дорогам и на подъемах.
На ровной дороге для движения коляски с «конной» скоростью достаточна сила в 20 кг. На подъеме же в 5–6° или на булыжной мостовой при той же скорости потребуется втрое большая сила. Это увеличение можно получить, если слуга будет работать с большим напряжением или если скорость уменьшится. Кулибин выбрал последнее. От оси маховика усилие сообщается парой шестерен продольному валу, вращение маховика и вала передается к одному из трех колец штифтов на барабане оси задних колес. Для этого шестерню на продольном валу можно передвигать. Колеса вращаются вдвое или втрое медленнее, соответственно получается и выигрыш в силе. Слуга нажимает на педали равномерно, не напрягаясь. Храповой механизм давал «самокатке» свободный ход, как у велосипеда. Когда она шла под уклон или после разгона на ровной дороге, тяги скользили по зубцам храповика и слуга мог отдыхать.
Рулевой привод кулибинской «самокатки» состоял из двух рычагов, тяг и обода, в котором установлено переднее колесо. При нажатии на один из рычагов тяга поворачивала обод, а с ним и колесо вправо или влево. Рулевой привод современного автомобиля устроен почти так же. Однако все эти хитроумные устройства не могли превратить «самокатку» в практически действующий самодвижущийся экипаж. Для его передвижения по булыжной дороге хотя бы со скоростью 10 км/ч требуется мощность около половины лошадиной силы (примерно 0,4 кВт). Один человек способен развить такую мощность, но очень недолго.
Мускульно-силовые самокаты на два и больше мест не получили распространения. Верное и оригинальное решение легкого самоката, на котором человек мог достаточно быстро передвигаться своими силами, было предложено немецким изобретателем Карлом Фридрихом Драйзом в 1816 году. Он заменил самокатом не экипаж, а верхового коня, построил машину, похожую на будущий велосипед.
Машину назвали «беговой», так как ездок отталкивался от земли ногами, бежал по земле. Для сохранения обуви на ноги надевали металлические «носки». Поистине, эта машина служила «продолжением человека»! Она была легкой и надежной, катилась со скоростью до 15 км/ч и не испытывала, как экипаж, перекосов на неровной дороге. Ее детали были легкими при достаточной прочности. Во второй половине XIX века беговую машину снабдили педалями и резиновыми бандажами (шинами), заменили деревянные колеса стальными с проволочными спицами, а сплошные деревянные и железные рамы – трубчатыми. Позже появились шарикоподшипники, цепная передача, пневматические шины, механизм свободного хода. На выпускавшихся для детей и пожилых людей трехколесных велосипедах, а также на спортивных двухместных стали монтировать изобретенный в 1877 году Джемсом Старлеем и почти одновременно французом Анри Пекером дифференциал – шестеренчатый механизм передачи усилия двум колесам одной оси, вращающимся при повороте с разными скоростями.
Усовершенствования велосипеда, особенно применение в его конструкции шарикоподшипников, пневматических шин и дифференциала, имели в дальнейшем большое значение и для автомобиля. Шарикоподшипники во много раз облегчали вращение колес и других деталей, уменьшая трение между подвижными и неподвижными частями. Пневматическая шина, изобретенная англичанином Уильямом Томсоном в 1845 году, а затем запатентованная Джоном Данлопом в 1888 году, смягчала удары колеса на неровностях дороги. С ее применением стало возможным делать все детали машины не такими прочными и тяжелыми – ведь вибрация машины заметно уменьшилась, меньше она и расшатывалась. Да и езда стала не такой изнурительной…
Что касается ветросиловых повозок, то их строили вплоть до середины XIX века. Правда, они могли двигаться лишь по очень ровной местности и при попутном ветре. Как средство транспорта они себя не оправдали. Если автомобиль получил от экипажей, мускульных «самокаток» и велосипедов почти все, кроме двигателя, то от ветросиловых повозок – ровным счетом ничего.
Двигатель для автомобиля, как и сам автомобиль, непременно должен был появиться в последней четверти XIX века. И он появился, и вот уже в течение 120 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 позже.
Создатели первых транспортных ДВС отталкивались от конструкции паровой машины. Самые объемные ее элементы, к тому же еще и самые опасные – 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, ввести в цилиндр машины и там воспламенить. Горение и расширение смеси произведут силу, которая заменит пар. И тогда топка и котел больше не понадобятся.
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, ее нужно 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 – 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. Однако 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 четверть 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 °C. 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 с рабочим объемом 2 литра при таком давлении, частоте вращения вала 100 об/мин и КПД 0,04 развивал мощность не более 0,1 кВт. Другими словами, ленуаровский двигатель в тысячу раз менее производителен, чем двигатель современного автомобиля.
Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 году коммерческому служащему из Кельна Николаю-Августу Отто (1832–1891) совместно с Евгением Лангеном (1833–1895).
Наблюдая работу газового двигателя, похожего на конструкцию Ленуара, 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 попробовал следующее: вращая маховик вручную, он наполнил цилиндр и включил зажигание 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.
Изобретателю 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. Ниже приведено краткое, схематичное его описание.
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 отверстие. При втором такте закрыты оба отверстия. Поршень, толкаемый шатуном, идет вверх и сжимает смесь. 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 кривошипно-шатунный механизм 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 при этом остается закрытым.
Инерции маховика хватает 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 приводило к перебоям в работе и быстрому износу золотника. Большое давление в цилиндре требовало усиления прочности криво-шипно-шатунного механизма и стенок цилиндра, поэтому масса двигателя в расчете на 1 кВт ч достигала 500 кг. 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, хотя и получил широкое распространение в стационарных условиях.
Двигатель внутреннего сгорания стал годным для применения на транспорте, после того как заработал на жидком топливе, стал быстроходным, компактным и легким.
Наибольший вклад в его создание внесли инженеры-машиностроители – технический директор завода Отто в городе Дойц 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 сообщают, что изобретатели, мол, сознавали ее вероятное социальное и экономическое значение. В действительности дело обычно обстояло иначе. Но вот у Готлиба Даймлера и Вильгельма Майбаха и впрямь биографии «образцовых» изобретателей. Даймлер с юных лет посвятил себя машинам, с успехом закончил Высшее политехническое училище в Штутгарте. Во время продолжительной службы в Эльзасе и работы 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.