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.
Но прежде чем конструировать и строить самодвижущуюся повозку, нужно было создать для нее двигатель.
В опубликованной в 1935 году биографии одного из основателей фирмы "Даймлер – Бенц" сказано: "В 1881 году Даймлер объездил Россию, чтобы на месте познакомиться с нефтью, ему уже тогда продукты нефти представлялись топливом для транспортного двигателя… 1882 год стал поворотным в жизни Даймлера. Этот год можно считать годом рождения автомобильного двигателя, хотя сам двигатель был готов только в следующем году".
Почему именно путешествие в Россию понадобилось Даймлеру для осуществления его замыслов? Дело в том, что в России уже работал завод по перегонке сырой нефти в керосин. ХимикА. А. Летний провел эксперименты и доказал, что перегонка нефти и ее остатков через раскаленные железные трубы дает различные продукты, в частности такое горючее, как бензин. Это было как раз то, что искал Даймлер для экипажного двигателя: легкое нефтяное топливо хорошо испаряется, быстро и полно сгорает, удобно в транспортировке.
Первый двигатель Даймлера годился и для транспортного, и для стационарного применения, работал на газе и на бензине. Последующие конструкции Даймлера были рассчитаны исключительно на жидкое топливо. Булыиую частоту вращения вала двигателя, обеспечиваемую, в частности, интенсивным воспламенением смеси, Даймлер справедливо считал главным показателем работы двигателя на транспортной машине. Частота вращения вала двигателя Даймлера была в 4–5 раз больше, чем у газовых двигателей, и достигала 450–900 об/мин, а мощность в расчете на 1 л рабочего объема – вдвое больше. Соответственно, могла быть уменьшена масса. К этим штрихам "транспортной специфики" добавим закрытый картер (кожух) двигателя, заполненный смазочным маслом и защищавший подвижные части от пыли и грязи. Охлаждению воды в окружающей двигатель "рубашке" способствовал пластинчатый радиатор. Для пуска двигателя служила заводная рукоятка. Теперь имелось все необходимое для создания легкого самодвижущегося экипажа – автомобиля. От своих предков автомобиль унаследовал многое. "Автомобиль… нужно считать сыном паровоза, давшего ему душу, и велосипеда, снабдившего его телом", – так образно писал в 1902 году один из журналов. Механическая повозка для своей работы не требовала каких-либо наземных устройств, кроме дороги. В отличие от конных повозок, механическая не требует для своего движения приложения живой силы, кроме небольших, как это казалось, усилий водителя по управлению ею. Подчеркнем, что идея автомобиля была поначалу четко направлена на замену лишь легкого экипажа личного пользования. Возможность его использования для грузовых и массовых пассажирских перевозок была реализована намного позже.
Вряд ли можно сказать, что отношения автомобиля и двигателя внутреннего сгорания с самого начала носили характер любви с первого взгляда и на всю жизнь. Желая добиться наилучших результатов, автомобильные конструкторы испробовали на своих детищах самые разнообразные двигатели, в том числе паровую машину, КПД которой еще ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания, и электропривод от гальванических батарей, который даже в наши дни представляется весьма перспективным. Возможно, эти автомобили вызывают у сегодняшних автолюбителей лишь снисходительные улыбки, но специалисты отчетливо понимают, что без этих "гадких утят" не было бы современных лимузинов. Поиски оптимальной конструкции могли бы продолжаться еще долго, если бы не К. Бенц и Г. Даймлер, которые, испытав свои силы сначала в одиночку, затем объединили таланты и финансовые средства, создав совместную фирму по производству автомобилей "Даймлер – Бенц". За сравнительно короткий промежуток времени, совершенствуя конструкции и дизайн своих машин, им удалось сделать автомобиль необычайно популярным. Конечно, такой прорыв был бы невозможным без эффективных бензиновых двигателей.
Бензиновые двигатели за короткое время были доведены до высоких кондиций. Уже в первые десятилетия XX века они дали крылья авиации, электроэнергию морякам и полярникам, создали почву для целого ряда выдающихся изобретений.
Что же касается традиционного тяжелого и транспортного машиностроения, то оно пока довольствовалось, в основном, паровыми машинами, до поры лишь мечтая о мощных двигателях, способных работать на относительно недорогом топливе и имеющих приемлемые габариты.
Создать подобный двигатель, названный дизелем по имени его изобретателя Рудольфа Дизеля, удалось только в начале XX столетия. Первый его дебют на автомобиле в 1908 году оказался неудачным, и автомобилисты на время забыли о дизеле, вынудив его искать "взаимности" (и, следует заметить, не безнадежно) у моряков, железнодорожников и прочих "тяжеловесов". Другими словами, дизелям отвели роль "тихоходов", в которой они и выступали вплоть до 1920-х годов минувшего столетия, когда эти двигатели появились на грузовых автомобилях.
Нельзя сказать, что дизелями вообще не занимались. Вспомните хотя бы детище моторостроителей из Харькова – 500-сильный дизель В-2, первоначально предназначавшийся для тяжелого бомбардировщика и нашедший подлинное бессмертие в лучшем танке Второй мировой войны Т-34. Отметим также установленный в 1936 году на легковой "Мерседес-Бенц" дизельный двигатель, успешно прошедший все положенные испытания. И, наконец, обратим внимание на построенные в середине прошлого столетия в Советском Союзе дизельные двигатели мощных тракторов и тягачей, в названиях которых почти никогда не отображались фамилии или имена их создателей, а были только сухие цифры и непонятные буквы. Поклонимся этим скромным и гениальным труженикам, которые в самые сумеречные годы не опустили рук и в условиях закрытых КБ творили двигатели прогресса.