От Бенца к Отто: судьбоносный век двигателя внутреннего сгорания

От столетнего инженерного пути двигателя внутреннего сгорания - от четырёхтактного мотора Николауса Отто до Benz Patent-Motorwagen.
От столетнего инженерного пути двигателя внутреннего сгорания - от четырёхтактного мотора Николауса Отто до Benz Patent-Motorwagen.

Поделиться этой страницей

История двигателя внутреннего сгорания фактически начинается в 1876 году с четырёхтактного двигателя с компрессией Николауса Отто; а в 1886 году Карл Бенц превращает его в автомобиль своим Patent-Motorwagen, и последующее столетие становится инженерной гонкой через архитектуру цилиндров, кризисы эффективности и обходные пути вроде турбо и дизеля. Эта статья прослеживает то столетие в виде хронологического повествования на основе архивных источников.

Ключевые моменты

  • Патент на четырёхтактный цикл получил в 1862 году Альфонс Бо де Роша; первый практический двигатель построил Отто в 1876 году.
  • Первый автомобильный патент: 29 января 1886, Benz Patent-Motorwagen, номер патента 37435.
  • После отмены патента Отто в 1889 году более 50 компаний производили тот же дизайн.
  • Доля дизеля на рынке Европы, составлявшая 52% в 2015 году, к 2023 году упала до 18%.
  • BMW 2002 Turbo, за два года до Porsche 911 Turbo, стал первым серийным турбированным автомобилем Европы.

От Ленуара к Отто: Почему четырёхтактный двигатель был революцией?

Отправная точка повествования - на самом деле не Отто, а лучшее решение до него. В 1860 году Этьен Ленуар создал двухтактный двигатель внутреннего сгорания, работавший на светильном газе; но машина была и большой, и неэффективной: из объёма 18 литров получалось лишь 2 л.с. (примерно 1,5 кВт), а три четверти топлива уходили впустую. Коммивояжёр Николаус Отто узнал об этом двигателе из газетного объявления и в 1861 году испытал его копию. Чему научил его тест - просто, но решающе: сжатие топливной смеси перед сгоранием - ключ к эффективности. Первая попытка с компрессией в 1862 году провалилась, поскольку двигатель разрушился за несколько минут; но идея была верной.

Именно здесь происходит самый ироничный патентный случай в истории автомобилестроения. Патент на четырёхтактный цикл - впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск; четыре хода поршня за два оборота двигателя - получил в 1862 году французский инженер Альфонс Бо де Роша, но машину так и не построил. Поскольку двигатель впервые построил Отто, цикл сегодня носит его имя. Отто шаг за шагом прокладывал путь через компанию, которую основал с сыном и Eugen Langen в 1864 году - первую в мире компанию по производству двигателей внутреннего сгорания, NA Otto & Cie: на Всемирной выставке в Париже в 1867 году его атмосферный двигатель получил золотую медаль; эта машина, потреблявшая менее половины газа по сравнению с конкурирующими газовыми двигателями, давала КПД 12% и 0,5 л.с.. В 1869 году компания переехала в Дойц и получила название Gasmotoren-Fabrik Deutz - нынешняя Deutz AG является старейшим производителем двигателей в мире.

Настоящий скачок произошёл после 14 лет НИОКР: 9 мая 1876 года Отто создал четырёхтактный двигатель, работавший по принципу сжатого заряда. Эта конструкция, делавшая сгорание управляемым с помощью метода послойного заряда, к той же осени достигла коммерческой зрелости как двигатель Rings-Schumm и стала первой коммерчески успешной машиной, использовавшей сжатие внутри цилиндра. Благодаря надёжности, эффективности и сравнительно тихой работе за следующие 10 лет было произведено более 30 000 двигателей цикла Отто. Технический скачок, который отражает эта цифра, очевиден: переход к сжатию повысил эффективность в период 1880-1890 годов с 5% до 15%; трёхкратное улучшение по сравнению с двигателями эпохи пара с КПД ниже 5%. Четырёхтактный цикл с искровым зажиганием по-прежнему работает в большинстве автомобилей на дорогах и сегодня.

Юридический финал этой истории тоже поучителен. В 1886 году патент Отто был аннулирован из-за обнаружения более раннего патента Бо де Роша; Deutz не смог доказать суду, что его собственная стратифицированная система нагрузки отличается от французского патента. Результат с инженерной точки зрения оказался освободительным: к 1889 году более 50 компаний производили двигатели конструкции Отто. Это классическое противостояние между практическим изобретением и патентным приоритетом открыло дверь для всей промышленности той эпохи. Одна сторона спора жива до сих пор: Во Франции цикл иногда называют «циклом Бо де Роша», а некоторые указывают на заслуги Райтманна - вклад трёх изобретателей не является взаимоисключающим, а взаимодополняющим.

Путь к автомобилю: Даймлер, Майбах и Patent-Motorwagen Бенца

Отто хотел большие и стационарные двигатели; а его технический директор в Deutz Готлиб Даймлер и главный конструктор Вильгельм Майбах стремились сделать двигатель мобильным, то есть достаточно компактным, чтобы устанавливать его на транспортные средства. Это различие в производственной философии привело к тому, что в 1882 году дуэт покинул компанию. Плоды ухода пришли быстро: В 1883 году - небольшой и эффективный двигатель мощностью 0,5 л.с., а в 1885 году - первый высокооборотный бензиновый двигатель с прозвищем «Дедушкин часы». Созданный вокруг этого двигателя Daimler Reitwagen стал первым транспортным средством с двигателем внутреннего сгорания.

А вот свидетельство о рождении автомобиля было выписано не в Кёльне, а в Мангейме. Карл Бенц вошёл в историю с патентом номер 37435, заявленным 29 января 1886 года на «транспортное средство с газовым двигателем». Завершённый в 1885 году Benz Patent-Motorwagen; был лёгким трёхколёсным транспортным средством с одноцилиндровым бензиновым двигателем и нёс сразу два титула: первый настоящий автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания и первый автомобиль, запущенный в серийное производство. Разумеется, до Бенца страница не была пустой - попытки создать самодвижущиеся транспортные средства продолжались уже почти столетие, включая паровую машину Николя-Жозефа Кюньо в 1769 году; но линия, ведущая от 4-процентной машины Ленуара к компрессорному циклу Отто, вышла на дорогу только с бензином и лёгким шасси Бенца.

Стоит отметить и вклад Deutz в эту цепочку: Карбюратор и надёжная система низковольтного зажигания, разработанные в 1884 году, впервые позволили использовать жидкое нефтяное топливо в двигателях. Топливо для автомобиля родилось как технический побочный продукт. Линия же Даймлера и Майбаха увенчалась в конце 1890-х годов автомобилем, разработанным для Эмиля Еллинека: Двигатель мощностью 35 л.с. разгонял автомобиль примерно до 90 км/ч, и он носил имя Мерседес - дочери Йеллинека. Оценка той эпохи была беспощадной - первый автомобиль Benz в 1880-х годах был плохой заменой лошади; но начатый им прогресс углублялся непрерывно на протяжении столетия.

Архитектура цилиндров: О чём говорят рядная, V-образная и оппозитная компоновки?

Пока цикл Отто оставался неизменным, вековое соперничество во многом вращалось вокруг того, как располагаются цилиндры. Существует три основные компоновки, и каждая отвечает своей инженерной задаче:

  • Рядная: цилиндры расположены в один ряд. Проста и сбалансирована; цена - длина: при одинаковом числе цилиндров блок занимает заметно больше места, чем V-образный.
  • V-образная: цилиндры расположены в два ряда под углом; V8 обычно строится с углом развала 60°–90° и блоками по четыре цилиндра. Она сокращает длину и обеспечивает компактный моторный отсек.
  • Оппозитная: угол между блоками составляет 180°. Благодаря низкому центру тяжести и балансу вибраций она предлагает иной профиль баланса и производительности в ориентированных на динамику применениях.

Историческое отражение этого треугольника тоже проясняется: в довоенный и послевоенный периоды объёмы двигателей и число цилиндров росли; к 1970-м годам стандартным двигателем американского рынка был практически исключительно V8. Нефтяные кризисы, которые мы увидим ниже, породили давление, в одночасье перевернувшее эти архитектурные предпочтения.

Послевоенная эпоха компактных автомобилей: Beetle, Fiat 500 и Mini

После двух мировых войн история двигателя писалась не в гигантском, а в малом масштабе. Семейный автомобиль послевоенной Европы Volkswagen Beetle - официально Type 1 - выпускавшийся непрерывно в период с 1938–2003, со своей схемой с воздушным охлаждением и задним расположением двигателя определил шаблон малого автомобиля той эпохи. Эта схема оказалась прямым источником влияния: оригинальный Fiat 500 вдохновился архитектурой Beetle 1938 года и, продав 3,4 млн экземпляров в период с 1957–1975, стал иконой. Mini присоединился в 1959 году. Общим знаменателем этой троицы была не дешевизна, а надёжность и простота; малые европейские автомобили классической эпохи когда-то считались вершиной простоты и низких эксплуатационных расходов. В инженерном языке это название периода, когда уменьшение числа цилиндров и объёма при повышении надёжности стало более продаваемым, чем наращивание мощности.

Как нефтяной кризис 1973 года изменил конструкцию двигателей? Даунсайзинг и турбо-революция

1973 petrol krizinin ardından turboşarj devrimini başlatan BMW 2002 Turbo, Avrupa'nın ilk seri üretim turboşarjlı yol otomobili olarak tarihe geçti.

В 1973 году эмбарго ОПЕК сначала удвоило, а затем учетверило цену барреля и во всей наготе показало, насколько уязвим был американский автопарк, голодный до топлива. Терминология конструирования двигателей родилась из этого шока: определяющая эпоху концепция Malaise era начинается с резкого роста стоимости бензина; производители закрывают эпоху чрезмерно крупных кузовов и двигателей и обращаются к эффективности. В США объёмы стандартных V8 были сокращены почти вдвое; корень идеи, которую мы сегодня называем "downsizing", уходит именно сюда - прямо в нефтяной кризис ОПЕК. Корпоративная история Toyota подтверждает ту же боль: падение поставок нефти и рост цен еще больше усугубили дефицит материалов и продукции того периода.

Ответом на давление эффективности в части производительности стал возврат энергии выхлопных газов: турбонаддув. Три имени считаются пионерами этой революции, и хронология такова:

  1. BMW 2002 Turbo - представлен на 1973 Франкфуртском автосалоне после трех лет разработки; оснащенный турбокомпрессором KKK двигателем 2,0 литра (1990 см3) SOHC рядный-4 M10 и впрыском Kugelfischer, он стал первым в Европе серийным легковым автомобилем с турбонаддувом, на два года опередив похожее решение Porsche.
  2. Porsche 911 Carrera Turbo (930) - поставил турбонаддув в центр_performance-идентичности марки.
  3. Saab 99 Turbo - в 1978 году перенес турбо в обычный семейный седан, создав армию энтузиастов на десятилетия вперед; Volvo 240 Turbo последовал той же практичной линии.

Сбалансированное прочтение таково: если 2002 Turbo и 911 Turbo сделали турбонаддув символом производительности, то 99 Turbo и 240 Turbo превратили его в роскошь повседневного использования. Суммарный эффект пионерской троицы - перенос турбонаддува из нишевой гоночной технологии в массовый инструмент эффективности - это изящный ответ на необходимость, которую нефтяной кризис навязал инженерии.

Взлет дизеля и падение с Dieselgate

К концу двадцатого века дизель был одним из путей эффективности; в первой четверти двадцать первого века он превратился в кризис доверия. Поворотный момент - сентябрь 2015 года: в скандале Dieselgate Volkswagen установил на миллионы дизельных автомобилей мошенническое ПО, так называемое "defeat device", чтобы обманывать emissions-тесты по всему миру. По данным Агентства по охране окружающей среды США, компания нарушила Закон о чистом воздухе на примерно 590.000 дизельных автомобилях модельных лет 2009-2016. Научная литература подтверждает, что мошенническое ПО незаконно выдавало фальшивые результаты по выбросам NOx. Скандал - не только дело одной компании; считается общеизвестным в отрасли, что многие производители занижали тестовые значения CO2 и расхода топлива. После скандала VW приостановил продажи актуальных дизелей, пока не появится технология, соответствующая новым стандартам.

Результат измерим и суров. Доля дизельных автомобилей на европейском рынке упала с уровня 52% в 2015 году, когда разразился скандал, до 18% в 2023; за тот же период доля электромобилей быстро выросла. Хотя говорить, что дизель "умер", - преувеличение, несомненно, что на европейских дорогах закрылась целая эпоха - и это закрытие создало главный пробел, открывший путь электричеству.

Обочина: Роторный двигатель Ванкеля и 45-летнее упрямство Mazda

Самое любимое ответвление в стороне от магистрали - роторный двигатель немецкого инженера Феликса Ванкеля; его истоки восходят к концепции 1929 года, а зрелости она достигла в 1950-х. Эта элегантная идея - рабочий цикл не с поршнем и цилиндром, а с вращающимся ротором - нашла своего самого верного поклонника в Японии: Mazda уже в 1959 году подписала с NSU договор о разработке, взяв ранние и долговременные обязательства. Роторное путешествие началось в 1967 году с модели Cosmo Sport (Mazda 110S); с такими моделями, как R100, оно продолжилось до конца 1960-х, а в течение последующих 45 лет двигатель совершенствовался за счёт увеличения рабочего объёма и добавления турбонаддува. Несмотря на то, что Ванкель оставался вне мейнстрима, он живёт в инженерной памяти как самая долгоживущая экспериментальная линия, показавшая, что цикл Отто - не единственная альтернатива.

Японский взрыв: Как нефтяной кризис изменил владельца эпохи?

Последний великий слом столетия произошёл в географии производства. В 1970-х годах японские автомобили в старших поколениях всё ещё считались своего рода табу, и вопрос о том, спровоцировал ли нефтяной кризис 1973 года этот взрыв, остаётся предметом споров и сегодня. Оба полюса дискуссии ясны: с одной стороны, кризис в одночасье сделал экономичные автомобили с малолитражными двигателями самым востребованным товаром в мире; с другой стороны, взлёт японских производителей нельзя свести лишь к одному подорожавшему нефтяному шоку. Toyota описывает свой ответ на первый нефтяной кризис как отдельную главу своей корпоративной истории - то есть утверждает, что это была не случайная удача кризиса, а поворотный момент, системно отражённый в стратегии компании. С точки зрения инженера уравнение сходится: эффективность стала входным параметром проектирования, и с 1973 года культура, лучше всех управлявшая этим параметром, унаследовала рыночную арену эпохи. То, что среди пионеров турбонаддува были и ориентированные на эффективность европейские производители, такие как Saab и Volvo, - это европейское проявление той же логики.

Итог: Сегодня 150-летнего цикла

Линия, ведущая от машины Отто 1876 года к опустевшему после Dieselgate моторному отсеку, читается единой логикой: ограничение каждой эпохи диктовало конструкторский приоритет следующей. КПД в 4% у Ленуара заставил искать сжатие; сжатие породило автомобиль; послевоенная нужда уменьшила его; нефтяной кризис навязал эффективность и турбо; эмиссионные нормы сначала возвысили дизель, а затем низвергли его. Четырёхтактный цикл с искровым зажиганием всё ещё работает на дорогах - но дело читателя истории добавить, что финишная черта этого 150-летнего забега теперь прочерчена электричеством.

Источники