Предыстория самодвижущихся экипажей

Предыстория самодвижущихся экипажей

Экипажи, приводимые в движение мускульной силой животных

Первыми отдаленными предками автомобиля, который заимствовал у них в ранний период своего развития общую компоновку, раму, колеса, оси, подвеску и кузов, были экипажи, приводимые в движение мускульной силой животных. Человечество использует колесо в транспортных целях уже свыше 5 тыс. лет. Различные колесницы, парадные и военные, применялись в странах античной культуры — в Древней Греции и Риме. С отдаленных времен повозки, запряженные лошадьми и быками, использовались для перевозки грузов, но пассажирские экипажи еще в XV в. были редки, так как предпочтение отдавалось верховой езде. Лишь в XVI в. пассажирские экипажи становятся обычным средством передвижения. Но поскольку первоначально ими пользовались лица привилегированных сословий, то совершенствование пассажирских экипажей опережало совершенствование грузовых повозок. Эта же тенденция позже сохранилась и в случае с легковыми автомобилями. В это же время появился гужевой общественный транспорт — наемные экипажи и многоместные рейсовые омнибусы.

Эволюция конных экипажей происходила следующим образом. Ранние экипажи имели открытый кузов, который позже стали снабжать складным парусиновым или кожаным верхом. В 1599 г. в Париж из Италии была доставлена первая карета с закрытым кузовом и застекленными дверцами. Закрытые кареты с кузовом, подвешенным для амортизации на ремнях, получили широкое распространение лишь сотню лет спустя. В XVII в. после убийства французского короля Генриха IV стекла карет, предназначенных Для “сильных мира сего” , стали делать пуленепробиваемыми. Правда, место кучера оставалось открытым.

В XVIII в. центром производства пассажирских экипажей становится самая развитая в то время в экономическом отношении страна Европы—Англия. Там в 1704 г. впервые были применены листовые полностью эллиптические рессоры, а в 1792 г. Колридж изобрел “патентованные оси” , сделанные из технического железа и имеющие на концах резьбу для навинчивания гаек, крепящих колеса. Ступицы колес имели бронзовые втулки и камеры для смазки, а также колпаки, закрывающие гайки.

Обода колес и спицы делали из дерева. “Врезные” спицы вставляли в отверстия, высверленные в ступице. Позже нашли применение “артиллерийские” колеса, заимствованные от орудийных лафетов: нижние концы спиц зажимались между двумя половинками ступиц, которые имели разъем в вертикальной плоскости и стягивались болтами. На ободья колес надевали стальные шины (сплошные резиновые шины появились в 30-х годах XIX в., а пневматические еще позже, когда ими стали снабжать велосипеды).

В 1816 г. немецкий изобретатель, придворный кучер Ланкенш-пергер сконструировал переднюю экипажную ось с колесами, поворачивающимися на шкворнях, которая в 1818 г. была усовершенствована англичанином Аккерманом и впоследствии (как и другие перечисленные изобретения) перешла на ранние модели автомобилей.

Автомобиль заимствовал от конных экипажей типы их кузовов, а также обивку и отделку. Заимствованы были и названия кузовов: фаэтон, виктория, визави (’’лицом к лицу”), дозадо (’’спина к спине”), догкарт, ландоле и др. Подобные названия применительно к автомобилю сохраняются и теперь — кабриолет, брогам и т. п., а тип конного экипажа “багги” стал даже названием целого класса спортивных автомобилей, предназначенных для кросса. Нелишне отметить и такую особенность конного экипажа, как средства безрельсового транспорта, перешедшую на автомобиль, — способность доставлять грузы и пассажиров “от двери до двери” .

Конные экипажи положили начало безрельсовому общественному транспорту. При короле Людовике XIV (1638—1715) в Париже появились наемные экипажи — “фиакры” , ставшие прообразом современного такси. Там же в 1662 г. герцог де Роанес учредил регулярное движение 8-местных общественных экипажей для “чистой” публики, к которой не относились солдаты, лакеи и рабочие. Дело вскоре заглохло: народ встречал эти экипажи бранью и камнями. Только в 1819 г. в Париже прочно утвердились многоместные конные экипажи, названные латинским словом “омнибус” , которое означало “всем” или “для всех”.

Многие экипажные фабрики впоследствии занялись производством автомобилей. Ограничимся примером американской фирмы “Студебекер” , известной своими грузовиками времен второй мировой войны.

Экипажи, приводимые в движение мускульной силой человека

Наиболее совершенное воплощение экипажи, приводимые в движение мускульной силой человека, нашли в велосипеде как средстве индивидуального транспорта. Простота конструкции — вот основное качество, которое при всей ограниченности физических возможностей человека сделало велосипед жизнеспособным. Здесь велосипед рассматривается лишь как предшественник мотоцикла и в некоторой степени — автомобиля.

Идея создания “самодвижущегося экипажа” (т. е. приводимого в действие находившимся на нем человеком) витала в воздухе давно. В 1420 г. итальянец Джованни де Фонтан соорудил повозку, приводимую в движение человеком, который тянул за веревку, намотанную на барабан, расположенный на одной из осей экипажа. Около 1520 г. известный немецкий художник А. Дюрер сконструировал для императора Максимилиана I триумфальный экипаж с ручным приводом при помощи рычагов.

Принято считать, что велосипед “произошел” от построенного в 1817 г. немецким лесничим фон Драйсом двухколесного одноколейного экипажа в виде деревянной скамеечки, сидя на которой, можно было передвигаться, отталкиваясь от земли ногами. Изобретение по имени его создателя получило название “дрезина” , которое впоследствии приобрело другое значение. В 1836 г. англичанин Далсел приделал к Подобному экипажу подножки-педали. Прообраз современного велосипеда, производство которого имело коммерческий успех, был изобретен французом Muiuo в 1869 г. У этого велосипеда было огромное переднее колесо и маленькое заднее, чтобы человеку было удобно работать педалями, вращающими переднее колесо. В конструкцию этого велосипеда, названного впоследствии “пауком” , в дальнейшем были внесены усовершенствования: француз Мажи заменил деревянные детали стальными, а англичанин Каупер снабдил велосипед проволочными колесами. Примерно одновременно с Мишо англичанин Дж. Старлей построил “безопасный велосипед” с колесами одинакового диаметра. Велосипед имел стальную трубчатую раму и передачу — роликовую цепь на заднее колесо. Диаметр колес в 28 дюймов (примерно 700 мм) стал впоследствии стандартным. В 1883 г. в Германии специально для велосипедов было начато производство шариковых подшипников. Резиновые сплошные шины были заменены в 1888 г. англичанином Данлопом на пневматические (патент на которые был выдан еще раньше, в 1845 г. его соотечественнику Томпсону). В результате усовершенсувований при езде на велосипеде затрата энергии человеком была в 4 раза меньше, чем при ходьбе с той же скоростью, а при одинаковой затрате энергии скорость передвижения была примерно в 4 раза выше.

В последние два десятилетия прошлого века Англия становится центром производства велосипедов, которое было сосредоточено в г. Бирмингеме. В конце 80-х — начале 90-х годов XIX в. в Западной Европе и Северной Америке возник настоящий велосипедный бум. Велосипедные фабрики росли, как грибы, хотя большинство из них выписывало основные детали из Англии, изготовляя самостоятельно лишь рамы и некоторые другие несложные детали велосипеда. К сказанному можно добавить, что различные фирмы выпускали не только 2-колесные, но и 3-колесные велосипеды для взрослых — трициклы, и 4-колесные — квадрициклы (предки появившихся в наши дни “веломобилей” ).

Значение велосипеда для последующего развития моторных видов транспорта состояло в следующем. Мотоцикл “унаследовал” все конструктивные особенности велосипеда, вплоть до педального привода, который использовался в течение примерно трех десятилетий для пуска мотоцикла. Педали присущи и современным мопедам. Многие ранние автомобили с двигателями небольшой мощности получили от велосипеда раму из тонкостенных стальных труб, цепную передачу на ведущие колеса, подшипники, пневматические шины. И, как указывал специалист в области автомобильного дела А. Бодри де Сонье, автомобиль “заимствовал у велосипеда” расчет ходовой части.

Как и в случае с производителями конных экипажей, многие велосипедные фабрики превратились в солидные автомобильные фирмы. В Европе это были “Пежо” , “Даррак” , “Ришар” , “Клеман” , “Адлер” и другие, в США — “Пирс” .

Итак, нами были рассмотрены предшественники автомобиля, которые приводились в движение живой энергией. Их совершенствование шло в направлении повышения прочности, снижения собственной массы, повышения общей комфортабельности и касалось, естественно, лишь ходовой части и частично передаточного механизма(трансмиссии) в случае с велосипедом.

Теперь обратимся к тем видам транспорта, источником движения которых служит не ограниченная в своих возможностях мускульная сила живых организмов, а энергия, присущая неживой природе. Об ее использовании в транспортных целях люди мечтали уже в далеком прошлом. Так, английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон писал в XIII в., что “только с помощью науки и искусства будет возможно построить экипажи, которые будут двигаться с невероятной скоростью без помощи животных” . По-видимому, этот мыслитель предполагал, что источник движущей силы будет находиться на самых экипажах, поскольку в его время уже давно человечество использовало силу ветра и движущейся воды, в том числе и для транспортных целей (парусное судоходство и сплав по рекам). Для полноты изложения материала заметим, что идея передвижения по суше с помощью ветра имеет давнее происхождение. Письменные источники сообщают, например, что за 300 лет до н. э. во время войны с Персией Александр Македонский применил повозки с парусами. В XVI в. многоместную парусную повозку построил в Голландии, изобилующей ветрами, Симон Стевин. Такие источники энергии, как сила ветра и воды, находятся в прямой зависимости от географических и климатических (часто сезонных) условий, а для промышленности и особенно для транспорта требовалось создание автономной энергетической установки. Ею стала паровая машина.

Экипажи, приводимые в движение силой пара

Первыми настоящими “самодвижущимися” средствами транспорта стали экипажи, приводимые в движение силой пара. Они также прошли долгий путь своего развития, обусловленного изобретением устройств, способных преобразовывать энергию пара в механическое движение. Приблизительно в I в. до н. э. древнегреческий инженер и ученый Герон Александрийский предложил устройство, представляющее собой полый шар, свободно вращающийся на оси. В этот шар наливалась вода и нагревалась пламенем до кипения. Выходящий через Г-образные трубочки пар приводил шар во вращение. Пользуясь современной терминологией, такое устройство можно было бы назвать реактивной паровой турбиной. Идею применения силы пара для движения экипажа изобразил на рисунке, относящемся к 1663 г., великий английский ученый Исаак Ньютон (1642—1727). На тележке установлена реторта с водой. При ее нагреве образуется пар, который, выходя через отверстие в узком конце реторты, создает реактивную силу, толкающую тележку. Здесь мы имеем дело с прямоточным реактивным паровым двигателем. В 1672 г. фламандский иезуит Иоганн Вербист, миссионер в Пекине, построил для сына китайского императора небольшую тележку, которая была снабжена примитивным котлом и могла двигаться с помощью того, что можно было бы “окрестить” турбиной. Все описанные здесь изобретения не нашли практического применения, поскольку в то время в них не было общественной по1 требности. С технической точки зрения упомянутые изобретения реализовали простейшие идеи тепловых двигателей, которые можно охарактеризовать как “однотактные” .

К началу XVII в. в Европе уже имелись некоторые теоретические предпосылки для создания работоспособных паровых машин: были доказаны весомость воздуха и факт производимого им давления. Зная этот факт, итальянец Джованни делла Порта предложил в 1601 г. способ получения разрежения (вакуума) посредством конденсации пара в замкнутом сосуде. Впервые практически эту идею реализовал в 1698 г. англичанин Томас Севери в своей машине, предназначенной для откачки воды из шахт. Машина Севери (рис. 1) помещалась в шахте. Она имела резервуар с четырьмя трубами. Одна труба была опущена ниже уровня находящейся в шахте воды, а другая выходила на поверхность шахты. Обе трубы были снабжены клапанами. Работала машина вдва такта(что важно учесть для понимания последующей эволюции тепловых машин). Во время первого такта через третью трубу в резервуар из котла впускался пар. При этом клапан нижней трубы закрывался и открывался клапан трубы, выведенной на поверхность. По этой второй трубе вытесненная паром вода поднималась на поверхность, а резервуар заполнялся паром. Во время второго такта доступ пара в резервуар прекращали и по четвертой тонкой трубе в него впускали небольшое количество холодной воды. В результате конденсации пара в резервуаре создавалось разрежение и под действием атмосферного давления вода из шахты заполняла резервуар. Далее весь цикл работы машины повторялся. Эту машину можно охарактеризовать как двухтактную, атмосферную, беспоршневую. При этом следует отметить, что впуск пара и холодной воды в резервуар машины осуществлялся вручную; машина не обладала способностью к самоуправлению и саморегулированию. Подобная машина имелась и в Петербурге. Испытывавший ее там англичанин Кларк пришел к выводу, что 91% пара конденсировался в резервуаре бесполезно.

Возникла необходимость повысить коэффициент полезного действия (к. п. д.) паровой машины, сделать ее более экономичной. Одно из решений этой задачи было реализовано французом Дени Па-пеном, который в 1690 г. построил поршневую паровую машину (поршневые насосы были уже известны в странах древнего Востока, в Греции и Риме времен античности). В закрытом снизу и открытом сверху вертикальном цилиндре машины Папена был помещен поршень. На дно цилиндра наливали немного воды, которая закипала в результате подогрева цилиндра огнем. Образовывавшийся в цилиндре пар поднимал поршень вверх до “мертвой” точки. Поршень закрепляли штырем в этом положении вручную. Затем в цилиндр впускали немного холодной воды, что вело к конденсации пара и созданию вакуума. Затем штырь вынимали, и поршень под действием атмосферного давления и собственной массы двигался вниз, производя механическую работу. Эту работу можно было использовать, соединив, например, поршень канатом, переброшенным через блок с поднимаемым грузом. Машина Папена явилась прототипом для целого класса поршневых “атмосферных” паровых машин.


Использовав идею предшественника, англичанин Томас Ньюкомен с подручным Дж. Каули сконструировал в 1705 г. “атмосферную” паровую машину, также предназначенную для откачки воды из шахт. На ее улучшенном варианте выпуска 1711 —1712 гг. впервые было применено коромысло (балансир). В отличие от машины Папена Ньюкомен использовал для образования пара отдельный котел.

В 1718 г. англичанин Г. Бейтон заменил ручное управление впуском пара и воды в машине Ньюкомена автоматическим, при котором соответствующие краны приводились в действие самой машиной. Этим было положено начало автоматизации управления процессами в тепловых машинах, продолжающейся и в наши дни. Справедливости ради следует признать, что различные автоматы существовали и раньше, например такие, как часовой механизм с регулятором.

Усовершенствованием машины Ньюкомена занялся выдающийся английский изобретатель Джеймс Уатт (1736—1819). Инженерные достижения Уатта основывались на его теоретических обобщениях, которые состояли в установлении им зависимости между давлением, температурой и объемом, пара, а также в найденной им теплоте парообразования (т. е. количестве теплоты, необходимом для превращения единицы массы жидкости в пар той же температуры). В 1736 г. он пришел в выводу, что необходимо поддерживать цилиндр машины горячим, чтобы его температура была равной температуре поступающего в него пара. Для этого цилиндр должен быть изолирован от внешней среды, а машина должна быть снабжена конденсатором (холодильником), в котором, наоборот, следует поддерживать низкую температуру. Эти выводы были получены Уаттом из экспериментов с принципиально новой паровой машиной с конденсатором, построенной в 1765 г. и запатентованной тремя годами позже совместно с изготовителем машины Робаком.

В 1769 г. Уаттом был получен патент № 013, в котором наряду с другими требованиями к паровой машине указывалось также, что для получения полезной работы следует использовать упругое давление пара, а не атмосферное давление, как в старых “огненных машинах” . Таким образом, Уатт предлагал заменить “атмосферную” паровую машину машиной “прямого действия” . Нельзя не отметить, что известный “цикл идеальной тепловой машины” 1 был открыт Н. Л. Сади Карно только в 1824 г., т. е. через 5 лет после смерти Уатта.

1 Цикл Карно — циклический процесс, при котором тепло переносится от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой при помощи некоторого посредника — рабочего тела (водяного пара, газа), которое, расширяясь, производит работу. К- п. д. тепловой машины тем выше, чем больше перепад температур между горячим и холодным телами. Отсюда следует, что к. п. д. не может быть выше 100% (практически из-за тепловых и механических потерь он всегда ниже).


Вскоре паровая машина “прямого действия” нашла свое применение в транспортных целях. В том же 1769 г. французский военный инженер Никола Жозеф Кюньо (1725—1804) построил свой первый самодвижущийся трехколесный экипаж, предназначенный для перевозки орудий. Котел и двухцилиндровая паровая машина были расположены перед передним колесом. Усилие от поршней машины передавалось на это колесо при помощи зубчатых реек и храповиков. В 1770 г. (как считают историки) был построен второй подобный экземпляр экипажа, но больших размеров (рис. 2). Его испытания дали неудовлетворительные результаты, и в 1800 г. он был помещен в Музей искусств и ремесел в Париже, где хранится по сей день. Можно сказать, что это был отдаленный прототип переднемоторного и переднеприводного автомобиля.


Революционным шагом в развитии тепловых двигателей было создание Уаттом универсальной паровой машины, на которую в 1784 г. им был получен патент № 1432. Машина имела вертикальный цилиндр, в котором пар попеременно оказывал давление на поршень то с одной, то с другой его стороны (’’двойное действие”). Шток передавал усилие от поршня через “параллелограмм Уатта” на плечо расположенного сверху балансира (коромысла). От другого плеча балансира усилие при помощи шатуна передавалось на кривошип ведущего вала. Таким образом возвратно-поступа-тельное движение поршня превращалось во вращательное движение вала машины. Парораспределение (впуск и выпуск пара из цилиндра) осуществлялось при помощи скользящего золотника, приводимого в движение от эксцентрика, расположенного на коленчатом валу. Частота вращения этого вала поддерживалась в заданных пределах центробежным регулятором Уатта, работавшим по принципу отрицательной обработки связи. Все это можно видеть на фотографии (рис. 3).

Созданная Уаттом универсальная паровая машина освободила промышленные предприятия от зависимости их от физико-геогра-фических условий местности (наличия или отсутствия рек и постоянных ветров). Наряду с другими крупными изобретениями она стала одним из важнейших факторов становления Первого промышленного переворота последней трети XVIII — начала XIX вв. в Англии, а затем и в других странах северного полушария.

Существовавшие, до конца XVIII в. паровые машины имели низкий к.п.д., не превышавший 5—8%, работали при низком давлении пара (менее 12 кгс/см2), температура которого не превышала 120°С. Их удельная масса1 равнялась сотням килограммов на 1 л. с. Машины первоначально занимали много места: на 1 л. с. приходились метры полезной площади.


Но прогресс не замедлил последовать. Начала реализовываться тенденция получения максимальной мощности при минимальных массе и объеме. В 1797 г. американец Оливер Эванс получил патент на машину высокого давления (по современной классификации — среднего давления пара) от 12 до 60 кгс/см2. Это позволило увеличить к.п.д. до 10—11% и снизить удельную массу машины до 100 кг/л. с. За изобретением Эванса последовали другие, сделавшие паровую машину пригодной для использования в транспортных целях.

В 1802 г. англичанин Ричард Тревитик построил машину высокого давления и в том же году установил ее на дорожный экипаж, а в 1804 г. им был создан первый паровоз, предназначенный для передвижения вагонеток с углем по железным рельсам (с подобной целью металлические рельсы изготовлялись в Англии уже с 1767 г.). У этого паровоза усилие от поршня машины передавалось при помощи зубчатой рейки на зубчатое колесо, а оттуда — посредством шестерен на ведущие колеса. В такой сложной системе передачи не было никакой необходимости: паровая машина имеет большой крутящий момент, в результате чего усилие от поршня может быть передано на колеса без лишних опосредующих звеньев. Этим и занялся английский изобретатель Джордж Стивенсон, построивший в период с 1813 по 1825 г. несколько паровозов, из которых последний — “Роккет” ("Ракета”) оказался наиболее удачным. У паровоза Стивенсона, первого из работоспособных, шатуны паровых машин действовали непосредственно на кривошипы колес.

В 1825 г. в Англии была открыта первая в мире железная дорога Стоктон—Дарлингтон, по которой курсировали паровозы Стивенсона, а в 1831 г. было впервые организовано регулярное движение паровых омнибусов (дилижансов) по обычным дорогам на линии Лондон—Стратфорд. В результате последующей конкуренции между этими видами транспорта в Англии победили железные дороги. Для этого были две причины.

Одна из них носила технический характер: затрачивая ту же энергию, в железнодорожных вагонах можно перевозить гораздо больше груза, чем в безрельсовых экипажах, поскольку сопротивление движению поезда по рельсам составляет не более 1/200 его массы на горизонтальном участке пути.

Другая причина “вымирания” паровых дилижансов была социальная. В 1861 г. английский парламент принял в интересах владельцев железных дорог “Закон красного флага” , согласно которому перед каждым самодвижущимся безрельсовым экипажем должен был идти человек с красным флагом (ночью — с красным фонарем), предупреждая публику об “опасности” . Этот закон, ограничивающий скорость движения механических экипажей, делал их неконкурентоспособными не только по отношению к железным дорогам, но и к обычным конным экипажам, с которыми он разделял преимущество — способность доставлять пассажиров и грузы “от двери до двери” . Негативные последствия указанного законодательного акта для Англии очевидны. Страна, которая внесла большой вклад в развитие конных и паровых экипажей, а также велосипеда, окажется, как мы увидим, позади таких стран, как Германия и Франция, в автомобильном деле. “Закон красного флага” был отменен только в 1896 г.

Хотя между паровыми экипажами и автомобилями находится еще период развития двигателей внутреннего сгорания и попыток приспособить их к экипажам, есть смысл сказать о том, что заимствовал автомобиль от своих предшественников.

Прежде всего двигатель внутреннего сгорания автомобиля от паровой машины получил следующие системы: цилиндр—поршень, кривошипно-шатунный механизм и центробежный регулятор оборотов (в будущем родственный ему механизм опережения зажигания).

Заимствовал будущий автомобиль многое и от ходовой части и трансмиссии паровых экипажей. Стоит перечислить лишь некоторые конструкции, соблюдая хронологическую их последовательность. В 1825 г. англичанин Джеймс предложил конструкцию 4-ко-лесного парового тягача со всеми ведущими колесами, привод к которым осуществлялся валами с универсальными шарнирами. Эти шарниры были ранее изобретены итальянским математиком Дж. Кардано и предназначались для подвешивания компаса корабля. Вал с такими шарнирами впоследствии стал называться карданным валом. В 1828 г. француз Пеке построил грузовик с паровым двигателем (рутьер) и механизмом дифференциала. Англичане Гиббс и Чаплин взяли патент на паровой экипаж с независимой подвеской всех четырех колес и всеми управляемыми колесами.

Мотоцикл тоже имел своих “паровых предков” . В 1818 г. в ряде западноевропейских журналов было помещено шутливое изображение парового велосипеда “Велосипедрейзивапориана” , а в 1869 г. француз Перро впервые установил небольшую паровую машину с котлом на велосипед своего соотечественника Мишо. Гибриду было присвоено имя “Мишо-Перро” .

Экипажи, приводимые в движение тихоходными двигателями внутреннего сгорания

Непосредственными предками автомобиля можно считать экипажи, приводимые в движение тихоходными двигателями внутреннего сгорания. Появление таких экипажей, которые можно назвать “проавтомобилями” , было обусловлено созданием двигателя нового типа, который в конечном счете одержал победу над паровыми машинами, несмотря на имеющиеся у них достоинства: относительную простоту конструкции, возможность пуска под нагрузкой (что не требовало при установке их на экипаж сложной трансмиссии), “всеядность” (способность работать на любых видах топлива, в том числе и на твердом — угле, дровах, торфе), долговечность и легкость регулировки хода. Основным преимуществом же нового двигателя, сокращенно обозначаемого д.в.с., было то, что процесс сгорания топлива происходил внутри цилиндра, не требуя наличия промежуточного рабочего тела (пара), генерируемого отдельным агрегатом — котлом. В результате снижалась удельная масса всей энергетической установки. Однако реализовать это преимущество двигателю внутреннего сгорания удалось не сразу. Одной, хотя и не единственной, причиной задержки создания, а затем и внедрения в производство такого двигателя было отсутствие подходящего топлива, которое можно было бы легко вводить в цилиндр, равно как и удалять продукты его сгорания. Кроме того, в отличие от паровой машины в цилиндре д.в.с. создавались высокие давления и температуры, что повышало требования к конструкционным материалам и удорожало их.

Отдаленной предпосылкой создания д.в.с. было изобретение в средневековом Китае черного или дымного пороха (смеси калийной селитры, серы и угля). В Европе порох был открыт заново в XIV в. В отличие от созданных позже бризантных взрывчатых веществ (у которых быстрое выделение газов и тепла происходит одновременно по всей их массе, т. е. в виде детонации) порох был способен к устойчивому постепенному сгоранию с выделением большого объема газа. Поэтому он как метательное взрывчатое вещество и нашел применение в огнестрельном оружии.

В 1673 г. выдающийся голландский механик, физик и математик Христиан Гюйгенс (1629—1695), долгое время живший в Париже, предложил конструкцию “пороховой машины” , предназначенной для подъема воды для полива садов в Версале. Идея пороховой машины (рис. 4) состояла в следующем. На дно вертикального цилиндра,закрытого снизу и открытого сверху, должны были засыпать порох, поджигаемый фитилем. Находящийся в нижнем положении поршень под действием пороховых газов, преодолевая атмосферное давление, должен был подниматься вверх. Отработавшие газы предполагалось выводить наружу через окна в верхней части цилиндра (как это показано на рисунке). В цилиндре под поршнем образовывался вакуум, в результате чего под действием атмосферного давления и собственной массы поршень должен был возвращаться в нижнее положение, производя полезную работу. Построен этот двигатель не был, но сохранилась его идея, запечатленная в чертеже, но не только...


Это была первая идея двигателя внутреннего сгорания, который можно охарактеризовать как двухтактный и атмосферный, и была также предвосхищена идея газораспределения, осуществляемого поршнем машины (в данном случае выпускные окна должны были открываться и закрываться как у более поздних двухтактных двигателей, например, мотоциклетных). Можно добавить, что на примере Гюйгенса мы видим, что все большую роль в развитии техники начинают играть не самоучки, а профессиональные ученые-теоретики.

В 1688 г. бывший ассистент Гюйгенса, француз Дени Папен (1647—1710), с 1687 г. профессор Марбургского университета построил пороховую машину, отличающуюся от гюйгенсовской в частности тем, что отработавшие газы выходили не через окна в цилиндре, а через специальный клапан. Опыты показали непригодность пороха в качестве топлива: температура его горения достигала 3000°С, что примерно на одну треть превышает температуру сгорания бензина в цилиндре двигателя. Потерпев неудачу с порохом, Папен построил в 1690 г. паровую машину, основанную на том же принципе (об этой машине уже говорилось ранее). Опыт не дал положительных результатов: парообразование внутри цилиндра происходило медленно — поршень не мог делать больше одного хода в минуту. Любопытно, что практические опыты с двигателем внутреннего сгорания опережали опыты с поршневой паровой машиной.


В 1794 г. англичанин Роберт Стрит предложил конструкцию двигателя внутреннего сгорания, работающего на жидком углеводородном топливе. Принцип работы этого двигателя состоял в том, что поршень, проходя полхода, всасывал в цилиндр горючую смесь, которая затем воспламенялась через специальное отверстие открытым пламенем. Остальную часть хода поршень совершал в результате давления образовавшихся газов. В металле двигатель не был реализован, но идея замены “атмосферного” двигателя на двигатель “прямого действия” оказалась плодотворной.

Важным событием явилось открытие в 1799 г. французским инженером, профессором механики Филиппом Лебоном (1769— 1804), способа получения светильного газа путем сухой перегонки древесины, а затем и каменного угля. Как показывает данное газу название, он стал использоваться в Западной Европе для освещения. Первый двигатель, работавший на светильном газе (смеси метана с водородом), сконструировал сам Лебон в 1801 г. По устройству двигатель был похож на паровую машину двойного действия. Смесь газа с воздухом подавалась попеременно с одной и другой стороны цилиндра отдельным поршневым насосом. Так говорится в описании патента, сведений же о постройке этого двигателя не имеется. В будущем, когда в Западной Европе было налажено производство светильного газа, наибольшее распространение получили и газовые двигатели внутреннего сгорания (в отличие от России, богатой нефтью, где распространение получили двигатели внутреннего сгорания, работающие на жидком топливе).

Следующую страницу истории техники открывает майор швейцарской армии Франсуа Исаак де Риваз (1752—1829), который 30 января 1807 г. получил во Франции первый патент на экипаж, приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания. Этому предшествовали следующие обстоятельства. Де Риваз находился по приглашению в Высшей военной школе Сен-Сир во Франции в то время, когда там демонстрировал свои изобретения знаменитый итальянский физик Алессандро Вольта. Одним из них был “вольтов столб” — первый в мире гальванический элемент (впоследствии этот источник постоянного тока послужил прототипом для “сухих элементов” , широко использовавшихся в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания). Вторым изобретением был “пистолет Вольта” , зарядом для которого служила смесь водорода с кислородом (гремучий газ). Заряд поджигался электрической искрой от упомянутого источника тока.

За год до получения своего патента де Риваз обратился к Наполеону с предложением построить по принципу “пистолета Вольта” самодвижущийся экипаж для передвижения артиллерийских орудий, аналогичный по назначению паровому экипажу Кюньо (как уже отмечалось, с 1800 г. экспонирующемуся в музее Парижа).


Самодвижущийся экипаж де Риваза (рис. 5) представлял собой 4-колесную повозку, на которой был помещен большой вертикальный цилиндр, закрытый снизу и открытый сверху (как в пороховой и паровой машинах Папена). Во время первого такта работы двигателя вручную открывали отверстие для впуска в цилиндр воздуха, который всасывался в цилиндр поршнем по прохождении половины хода. Затем в цилиндр впускали заряд водорода, который поджигали электрической искрой от столба Вольта. Отверстие для впуска воздуха перед этим закрывали. В результате взрыва поршень двигался вверх остальную часть хода, противодействуя атмосферному давлению. Под действием последнего во время второго такта поршень двигался вниз, вращая при помощи связанной с ним рейки зубчатое колесо, прикрепленное к установленному наверху барабану. От верхнего барабана усилие при помощи каната передавалось на барабан передней ведущей оси экипажа. (Передающий механизм близок к механизму, примененному в 1420 г. Джованни де Фонтандом на его повозке с ручным приводом. По-видимому, здесь мы имеем дело с совпадением, а не с заимствованием). Историки техники отмечали, что патент не полностью описывает функционирование и устройство экипажа де Риваза. Двигатель же его можно охарактеризовать как двухтактный, “атмосферный” без предварительного сжатия рабочей смеси. Некоторые современные авторы утверждают, что экипаж де Риваза был построен и испытывался в швейцарском городе Веве в 1813 г., хотя и не приводят свидетельств современников. Тем не менее читатель увидит, что изобретение этого экипажа не прошло бесследно.


Следуя хронологическому принципу изложения материала, нам придется прервать рассказ о двигателях внутреннего сгорания, чтобы упомянуть еще об одном изобретении. В 1816 г. шотландский священник Роберт Стирлинг предложил конструкцию поршневой тепловой машины, получившей впоследствии название двигателя внешнего сгорания. Головка цилиндра этого двигателя все время поддерживалась в горячем состоянии каким-либо внешним источником тепла. Специальным поршнем-вытеснителем в нагретую часть цилиндра подавался холодный воздух, который, нагреваясь, расширялся и давил на рабочий поршень, производя полезную работу. Затем нагретый воздух вытеснялся в холодильник, охлаждался и вновь поступал в нагретую часть цилиндра и так далее. Теоретически цикл работы двигателя Стирлинга (или как теперь его называют — “стирлинг” ) ближе всего подходит к описанному нами ранее циклу “идеальной” тепловой машины Карно. Отсутствие в те дни жаропрочных материалов (нержавеющей стали и т. п.) не позволило поднять к.п.д. таких двигателей выше 1%. Несмотря на это, такие “стирлинги” в силу их “всеядности” и бесшумности получили некоторое распространение. Но к концу прошлого века были вытеснены более совершенными паровыми машинами и двигателями внутреннего сгорания. В настоящее время к ним снова возник интерес, и последние разработки позволили поднять их к.п.д. почти до 50%. Сведения о современных экспериментах с двигателями Стирлинга и их применении к автомобилю можно почерпнуть из литературы.

Но вернемся к двигателям внутреннего сгорания. В 1820 г. англичанин У. Сесил демонстрировал Кембриджскому философскому обществу действующую модель “атмосферной” газовой машины. Эта машина была в 1823 г. усовершенствована Сэмьюэлом Брауном и даже имела некоторый коммерческий успех. 1826 г. ознаменовался созданием первого самодвижущегося экипажа с двигателем внутреннего сгорания — “летающей газовой машины” С. Брауна (рис. 6). Конечно, этот экипаж еще нельзя назвать автомобилем. Он был примитивным и двигался по рельсам. О его испытании имеются свидетельства современников, опубликованные в двух номерах журнала “Попюлер Микеникс”. Испытания проводились в Лондоне. Они показали, что экипаж способен преодолевать подъемы 1:10. В 1827 г. машину Брауна ради опыта устанавливали даже на судно.

На рисунке видно, что двигатель “летающей газовой машины” по своей компоновке напоминает паровую машину Уатта с балансиром и имеет два отдельно расположенных цилиндра, закрытых снизу и открытых сверху (как в машинах Папена и де Риваза). В то время как поршень проходил полхода вверх, в цилиндр всасывалась смесь светильного газа с воздухом. Затем смесь поджигалась открытым пламенем (как у фитильного ружья), и на оставшемся пути под действием расширяющихся газов поршень совершал работу по преодолению атмосферного давления. Под действием последнего поршень двигался вниз и через коромысло, шатун, кривошип и шестерни приводил в движение экипаж: Двигатель оставался двухтактным, “атмосферным” без предварительного сжатия рабочей смеси. Новым в двигателе Брауна были водяная “рубашка” цилиндров и поршневая помпа, создающая циркуляцию воды в системе охлаждения. Из-за неэкономичности и громоздкости производство таких двигателей прекратилось.


Не останавливаясь на существовавших тогда двигателях других систем, как не имевших отношения к будущему автомобилю, рассмотрим двигатель внутреннего сгорания, впервые получивший довольно широкое применение. Изобретен этот двигатель был в 1858 г. люксембуржцем по происхождению, работавшим официантом в Париже, Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром (1822—1900). По своей компоновке двигатель Ленуара был подобен горизонтальной паровой машине двойного действия: рабочий процесс протекал в цилиндре по обе стороны поршня. Проходя полхода, поршень всасывал газовоздушную смесь. Затем она поджигалась электрической искрой, и результирующий взрыв на оставшемся отрезке пути поршня производил полезную работу. То же самое происходило и по другую сторону поршня. Г азораспределение (открытие и закрытие впускных и выпускных каналов) осуществлялось при помощи скользящих золотников, приводимых в действие от эксцентриков, находящихся на коленчатом валу. Патент на этот двигатель Ленуар получил в 1860 г.

Своего завода у изобретателя не было, и его двигатель стали строить французские фирмы “Маринони” , “Лефевр” и “Готье” , а также немецкая “Кун” . О том, что Ленуар знал о двигателях своих предшественников, свидетельствует рекламный проспект Лефев-ра: “В машине Ленуара применен поршень по патенту Стрита. Она двойного действия, как двигатель Лебона, воспламенение электрической искрой, как у машины Риваза, она обязана Сэмьюэлу Брауну охлаждением цилиндра водой...” .

В 1862 г. во французском журнале “Иллюстрасьон” были опубликованы чертеж (рис. 7) и описание 3-колесного 8-местного омнибуса Ленуара, снабженного двигателем его системы. Интересно отметить, что у омнибуса было предусмотрено рулевое колесо, а не длинный рычаг, получивший впоследствии распространение на автомобилях выпуска до 1898 г. и названный во Франции “коровьим хвостом” . Много лег спустя Ленуар утверждал, что его автомобиль был построен и уже в 1863 г. работал на бензине. Документально это утверждение не было подтверждено.

Рассмотренные конструкции двигателей свидетельствуют о тенденции перехода от “атмосферных” двухтактных двигателей к двигателям прямого действия, но остающимся двухтактными без предварительного сжатия рабочей смеси. На последнее обстоятельство следует обратить особое внимание, так как без его уяснения трудно будет понять значение вклада, внесенного отечественными конструкторами в развитие двигателя внутреннего сгорания. Отсутствие предварительного сжатия рабочей смеси приводило к тому, что на начальном процессе сгорания топлива происходило бесполезное расширение газов, не успевавших оказывать давление на поршень. В результате к.п.д. двигателя оставался невысоким. Напротив, он возрастал с повышением степени сжатия (отношения полного объема цилиндра к объему камеры сгорания). Об ограничениях, накладываемых на степень сжатия, будет сказано в свое время.

Новую эру в развитии двигателей внутреннего сгорания открыл выдающийся немецкий конструктор Николаус Аугуст Отто (1832— 1891). В 1860 г. он познакомился с двигателем Ленуара, а в 1863 г. сам получил патент на 2-тактный “атмосферный” двигатель. Хотя это и было шагом назад, но практика показала, что возможности “атмосферных” двигателей еще не были полностью исчерпаны. В 1864 г. Отто совместно с Ойгеном Лангеном основал в Кёльне фирму “Отто и Ко” для производства таких двигателей. Наиболее удачной оказалась модель двигателя 1867 г., который имел вертикальный цилиндр, открытый сверху (как у двигателей де Риваза и Брауна). Усилие от поршня через зубчатую рейку и шестерни передавалось на рабочий вал. Двигатель был очень высоким и для интересующих нас самодвижущихся экипажей явно не подходил, но как стационарный получил широкое распространение. Для производства подобных двигателей в 1872 г. предприятие Отто и Лангена было переведено в г. Дойц, и фирма получила новое название “Гасмоторен-фабрик Дойц” , сокращенно “Дойц” .

В конце 1875 г. Отто закончил разработку проекта принципиально нового двигателя и 5 июня 1876 г. подал на него патентную заявку. Немецкий патент ДРП № 532 был получен 4 августа 1877 г. Срок действия патента истекал 5 июня 1891 г.: по существовавшему тогда законодательству длительность действия патентов ограничивалась 15-ю годами.


Сконструированный Н. А. Отто и построенный в 1876 г. фирмой “Дойц” двигатель (рис. 8) работал по хорошо известному теперь 4-тактному циклу: всасывание рабочей смеси, ее сжатие, воспламенение и рабочий ход, выпуск отработавших газов. Хотя этот цикл и совершался за два оборота коленчатого вала, и из четырех тактов лишь во время одного производилась полезная работа — двигатель имел ряд существенных преимуществ перед двухтактным: хорошее наполнение цилиндра свежей рабочей смесью, которая к тому же охлаждала его внутреннюю поверхность и поршень; сжатие рабочей смеси, ведущее к повышению к.п.д; полная очистка цилиндра от продуктов сгорания.

Двигатель Отто имел горизонтальное расположение цилиндра (подобно многим паровым машинам и двигателю Ленуара). Параллельный цилиндру распределительный вал приводил в действие два скользящих золотника (один из них контролировал впускной канал, другой — отверстие, через которое пламенем производился запал смеси) и тарельчатый выпускной клапан. Топливом для двигателя служил светильный газ. Позже стали применять жидкие углеводородные топлива — керосин, бензин и другие. Первый двигатель Отто развивал 3 л. с. при 180 об/мин, т. е. был тихоходным.

Многие фирмы приобрели патент Отто на 4-тактный двигатель. Среди первых были английская “Кросслей” и американская “Дойц” , находившаяся в Филадельфии (здесь и далее будут упоминаться преимущественно те фирмы, на которые придется ссылаться впоследствии).

Сам Н. А. Отто широко трактовал свой патент на 4-тактный двигатель и возбуждал судебное преследование даже тех фирм, которые строили 2-тактные д.в.с. с предварительным сжатием рабочей смеси. Этим был вызван грандиозный судебный процесс, в ходе которого выяснилось, что уже в 1862 г. французский инженер Альфонс Бо де Роша опубликовал брошюру, в которой достаточно точно был изложен принцип работы 4-тактного двигателя, а с 1873 г. двигатель такого типа практически использовал мюнхенский придворный часовщик Христиан Райтман. В целях подтверждения своего приоритета Отто утверждал, что еще в 1860 г. он проводил опыты с 4-тактным, 4-цилиндровым двигателем, оказавшимся неудачным из-за попытки применить свободно движущиеся поршни. Чертеж этого двигателя был изготовлен во время судебного процесса 1885 г. Постановлением суда от 30 января 1886 г. патент Отто на 4-тактный двигатель был ликвидирован (правда, в Англии и, возможно, в России он продолжал действовать до 1891 г.).

Для реального процесса развития техники важно, чтобы новая идея была правильно понята, стала известной и была внедрена. Поэтому пусть даже с опозданием, но Н. А. Отто был первым, кто дал жизнь двигателю, наиболее распространенному и в наши дни.

Вернемся к ранним экипажам с двигателями внутреннего сгорания, развитие которых началось с патента де Риваза 1807 г. и продолжалось до того времени, когда начался коммерческий выпуск автомобилей. Период первоначального экспериментирования с такими экипажами длился около 80-ти лет, в течение которых изобретателями разных стран делались разрозненные малоизвестные попытки использовать д.в.с. в транспортных целях. О них становилось известно лишь “постфактум” . Несмотря на малую достоверность имеющихся сведений, упомянем некоторые из них.

В конце прошлого века Зигфрид Маркус демонстрировал фотографию повозки с вертикальным “атмосферным” двигателем, которая была якобы построена им в Вене в 18б4 г. Там же общественности был представлен в 1898 г. автомобиль Маркуса, изготовление которого относили к 1875 г. На автомобиле был установлен 4-тактный двигатель с горизонтальным цилиндром. Усиление от поршня передавалось на коленчатый вал при помощи шатунов и балансира. Зажигание включало в себя магнето с качающимся якорем. Поскольку такой тип магнето был изобретен Симмсом в 1895 г., вызывает сомнение дата постройки. Несмотря на это, австрийцы считают изобретение Маркуса первым автомобилем в мире. Во время захвата Австрии нацисты пытались уничтожить автомобиль Маркуса на том основании, что его изобретатель — “неариец” . Но австрийские патриоты замуровали автомобиль в стену музея, чем спасли его от уничтожения.

К 1875 г. относят также постройку немцем Ю. Зёнлайном экипажа с бензиновым 2-тактным двигателем с предварительным сжатием рабочей смеси и кривошипно-камерной продувкой, аналогичной современному мотоциклетному. Есть и в Венгрии свой предок автомобиля — карета с двигателем, созданная как будто в 1875 г. Дьердем Бессели. Фактом этого является то, что в 1877 г. американец Джордж Селден подал заявку на экипаж с двигателем внутреннего сгорания (об этом будет рассказано позже). Сообщают, что в немецком городе Шёнхайде в 1883 г. эксплуатировался автомобиль с 2-тактным двигателем, построенный J1. Тухшерером. В том же году французами Э. Деламарр-Дебутевилем и Маланденом был якобы построен газовый трицикл, который взорвался при испытании, а в 1884 г. — 4-колесный автомобиль. Тогда же в Лондоне на выставке велосипедов был показан рисунок Батлера, на котором был изображен 3-колесный экипаж с 2-тактным двигателем и пульверизационным карбюратором. Построен он был в 1887 г. Бельгийцы считают, что их первый автомобиль “де ла О” [de la Hault] с 2-тактным двигателем был построен в 1886 г. К этому же году относят в Дании постройку автомобиля Хаммеля с 4-тактным двигателем. Как мы увидим, были и свои претенденты на постройку автомобиля в России.

Подводя итог предыстории автомобиля, отметим, что основной предпосылкой его возникновения было создание двигателя внутреннего сгорания, который прошел в своем развитии путь, аналогичный пути, пройденному паровой машиной. Эволюция паровой поршневой машины выражалась в переходе от “атмосферных” машин к машинам прямого действия. Все паровые машины работали по 2-тактному циклу. Первые двигатели внутреннего сгорания также были 2-тактными, сначала — “атмосферными” , а позже — прямого действия, но без предварительного сжатия рабочей смеси. Затем был создан 4-тактный двигатель, в цикл работы которого входило предварительное сжатие рабочей смеси, повышавшее его к.п.д.

Компоновка двигателя внутреннего сгорания также была заимствована от паровой машины. Существовали две основные компоновочные схемы. Согласно первой из них закрытый снизу и открытый сверху цилиндр располагался вертикально, а коленчатый вал помещался над ним. При второй компоновке цилиндр был расположен горизонтально.

Подобно самым первым паровым машинам, парораспределение у которых осуществлялось вручную, двигатели внутреннего сгорания также имели ручное газораспределение. Затем газораспределение было автоматизировано. Впоследствии автоматизацию претерпели и другие процессы (смесеобразования, зажигания и т. д.).

Первые двигатели внутреннего сгорания были “тихоходными” — частота вращения коленчатого вала колебалась в пределах от 100 до 250 об/мин. Это и сдерживало создание автомобиля.

Дубовской В. И.