Вы – житель современного мегаполиса? Выгляните из окна! Что вы увидите в первую очередь? Ну, конечно же, где бы вы ни жили и где бы вы ни работали, вы, скорее всего, увидите автомобиль. Однако далеко не каждый знает, что своим появлением современные машины обязаны в первую очередь трем людям – «великой троице» автомобильного мира. Их имена — Отто Николаус Август, Карл Бенц и Рудольф Дизель. Все трое, как ни странно, — немцы. Наводит на размышления?
Вот уже около 120 лет человек не может представить жизни без автомобиля – этого, по удачному определению, «железного коня», заменившего лошадей настоящих, верой и правдой служивших европейцам много веков. Недавно мы уже рассказывали о человеке, изменившем мир – а сегодня попытаемся заглянуть еще дальше в прошлое, – к самому появлению основы основ современного автомобилестроения, четырехтактного двигателя.
За более чем столетний период, который по справедливости именуют «автомобильной эрой», менялось все – формы, технологии, решения. Исчезали одни марки и взамен приходили другие. Несколько витков развития прошла автомобильная мода. Неизменным осталось одно – число тактов, по которым работает двигатель. И в истории автомобилестроения это число навсегда связано с именем немецкого изобретателя-самоучки Отто Николауса Августа (Otto Nikolaus August).
Будущий конструктор родился 10 июля 1832 года в городе (по другим сведениям – в деревушке) Хольцхаузен. Рано оставшись без отца, Отто был вынужден прервать обучение в училище и начать работать – продавцом, в лавке колониальных товаров. Однако, несмотря на сложность внешних обстоятельств, он все же находил время для того, чтобы посещать прикладные научные курсы, связанные с техникой. Вынужденный по долгу службы проводить немало времени в разъездах, Николаус не мог получить систематического образования, однако врожденное любопытство, пытливый ум и одаренность делали свое дело.
Первые самостоятельные изыскания относятся к концу 50-х, когда французский изобретатель Ленуара представил миру первый двухтактный двигатель, имевший огромное количество недостатков – например, небольшой ресурс и склонность к возгоранию. Тщательно проанализировав его конструкцию, немец пришел к выводу, что технология нуждается в существенной доработке – и с тех пор все свободное время начал посвящать созданию газового мотора собственной конструкции. Результаты не заставили себя долго ждать – в 1863 г. молодой изобретатель получил патент на 2-тактный атмосферный газовый двигатель. Агрегат с поршнем от авиационного мотора и ручным стартером, работавшим уже на традиционной для современного автомобиля смеси: 1 кг горючего (использовался лигроин) на 15 кг окислителя – воздуха.
Хотя эта конструкция по КПД превосходила паровой двигатель и была приспособлена к эксплуатации, Отто не собирался останавливать исследований в этом направлении – на его взгляд, оптимальная конструкция еще не была спроектирована.
В 1864 г. совместно с видным промышленником Ойгеном Лангеном (Eugen Langen) изобретатель основал в Кёльне фирму «Отто и Ко» — и сосредоточился на поиске наилучшего решения. 21 апреля 1876 года он получил патент на очередную версию двигателя, который годом позже был представлен на Парижской выставке 1867 г., где и был отмечен Большой золотой медалью.
«Новая редакция» агрегата имела вертикальный цилиндр, открытый сверху. Усилие от поршня через зубчатую рейку и шестерни передавалось на рабочий вал. Двигатель был очень высоким и для самодвижущихся экипажей явно не подходил, но как стационарный получил широкое распространение. Примечательно, что аналогичный двигатель использовал в 1907 году Франсуа де Риваз при конструировании самодвижущейся машины со взрывным двигателем и электрическим зажиганием. А практически одновременно с Отто подобную идею воплотил в жизнь Альфонс Бо де Рош – однако французскому изобретателю не удалось пойти дальше чертежей и создать работающий агрегат.
Признание послужило хорошим стимулом для продолжения работы – в1872 г. предприятие Отто и Лангена переехало в г. Дойц, а фирма получила новое название Gasmotorenfabric Deiz AG (сокращенно – «Дойц»). К слову сказать, буквально с первых же дней основания в компании «Дойтц» начинали карьеру в качестве главного инженера Готлиб Даймер, а в качестве главного конструктора – Вильгельм Майбах.
В конце 1875 г. Отто закончил разработку проекта принципиально нового первого в мире 4-тактного двигателя. Конечно, эксперименты по созданию такого агрегата производились и раньше, но авторы сталкивались с рядом проблем, в первую очередь с тем, что вспышки горючей смеси в цилиндрах происходили в настолько неожиданных последовательностях, что обеспечить ровную и постоянную передачу мощности было невозможно. Но именно немцу удалось найти единственно верное решение. Опытным путем он установил, что неудачи всех прежних попыток были связаны как с неправильным составом смеси (пропорции горючего и окислителя), так и с ложным алгоритмом синхронизации системы впрыска топлива и его сгорания.
Рабочий цикл четырёхтактного двигателя
Из названия ясно, что рабочий цикл четырёхтактного двигателя – это четыре основных этапа (такта).
1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки в нижнюю мёртвую точку. При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь. 2. Сжатие. Поршень идёт из нижней точки в верхнюю, сжимая рабочую смесь. Температура смеси растет. Здесь же возникает отношение рабочего объёма цилиндра в нижней мертвой точки и объёма камеры сгорания в верхней – так называемая «степень сжатия». Чем больше эта величина, тем больше топливная экономичность двигателя. Для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо́льшим октановым числом, которое дороже. 3. Сгорание и расширение (или рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из верхней точки в нижнюю топливо сгорает, и под действием тепла рабочая смесь расширяется, толкая поршень.
4. Выпуск. После нижней мертвой точки рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. Когда поршень достигает верхней точки, выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.
Для старта следующего шага не нужно ждать окончания предыдущего – в реальности у двигателя открыты оба клапана (впускной и выпускной). В этом и состоит отличие от двухтактного двигателя, где рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. Понятно, что двухтактный двигатель при том же объёме цилиндра будет мощнее – в среднем, в полтора раза. Однако ни большая мощность, ни отсутствие громоздкой системы клапанов и распределительного вала, ни дешевизна при изготовлении не способна перекрыть преимущества четырехтактных двигателей – больший ресурс, бо́льшую экономичность, более чистый выхлоп и меньший шум.
Буквально сразу после изобретения практичный немец решил запатентовать новинку, которая имела громадный коммерческий потенциал. И ему это удалось – около 10 лет Отто единолично наслаждался славой первопроходца бензиновой эры. Новый двигатель продавался очень хорошо: за 15 лет он разошелся тиражом в 30 000 экземпляров. Однако действие патента было приостановлено раньше срока – Альфонс Бо де Роша по праву мог бы претендовать на соавторство этого изобретения. Все бы ничего, да немецкий конструктор слишком активно отстаивал свои авторские права у фирм, начавших производство двигателей внутреннего сгорания, в результате чего и лишился возможности получать огромные гонорары.
Однако от творческой и изобретательской деятельности за все это время Отто не отказался – в 1884 г. он предложил использовать электрическое зажигание, благодаря чему началось активное внедрение жидкого топлива. Вероятно, именно благодаря этому обстоятельству трепетное отношение к изобретателю сохраняется и сегодня. Не желая почивать на лаврах, трудолюбивый инженер продолжал фантазировать, мыслить и изобретать. Впрочем, в преддверии Детройтского автосалона, который довольно четко наметил тенденцию к поиску новых технологий и идей, связанных с альтернативными источниками энергии, в вечной жизни четырехтактного двигателя внутреннего сгорания можно и усомниться. Увы, ничто материальное не вечно.