Еволюція автомобільних двигунів
Сучасний автомобіліст – на відміну від його «колеги» ще півстоліття тому – часто дуже погано уявляє собі, як працює його автомобіль, що відбувається під капотом і які процеси при цьому задіяні. Загальні слова ніби й зрозумілі – про робочий об`єм, потужність і витрату палива. Але для багатьох це вже не стільки технічні показники, скільки характеристика товару. Так, будь-який автовласник знає, на бензині чи на дизелі він їздить, але для переважної більшості ця інформація виключно про те, з якої колонки заправлятися. Інтерес до двигуна поступається увазі до всяким мультимедійним «фішок» і опцій, можливості підключити смартфон або почути голосові підказки навігації. Хоча сучасний автомобільний двигун – це одна з найбільш яскравих ілюстрацій технічного прогресу за останні століття. Тому говорити про знання еволюції автомобільних двигунів, годі й говорити, все покрите таємницею, яка в даному проєкті й буде розкрита.
Багато будуть здивовані, але одним з перших прообразів двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) стала колись... середньовічна гармата. Ну або який-небудь мушкет, як кому завгодно. Адже що таке по визначенню двигун внутрішнього згоряння? Це якийсь пристрій, всередині якого відбувається якась дія, що перетворює якусь енергію в механічну роботу. Власне цим ДВЗ і відрізняється, наприклад, від парової машини (всім відомого паровоза). Адже там пара утворюється «зовні» і подається до поршнів, змушуючи їх рухатися. Тобто подібну силову установку можна назвати двигуном зовнішнього згоряння. Але у ній є важливий недолік – величезні втрати енергії.
Ще один приклад двигуна – мушкет. В стрілецькій зброї порох вибухає, виділяється енергія, силою розширюються гази, які штовхають «поршень», в якості якого виступає ядро або куля. І саме на поросі намагалися створити свій двигун голландський фізик Християн Гюйгенс і французький винахідник Дені Папен. Була зроблена ця спроба ще в далекому 1690 році. Забезпечити стабільну і безпечну роботу такого двигуна на практиці не вдалося: порох все-таки занадто небезпечний. Але пізніше Папен на основі цього винаходу зробив суттєвий крок вперед – як раз в сторону парової машини. Також він залишив людству багато інших цікавих винаходів, наприклад, ту ж скороварку.
Наступні пошуки тривали ще понад півстоліття. За цей час британець Самюель Браун подарував світові (1825 рік) ідею водяного охолодження циліндра, де працював водень. Водночас, у 1826 році в Америці Самюель Морі отримав патент на ДВЗ, де в якості палива використовувалися спирт і скипидар. Америка в ці роки зробила серйозний ривок в цій області. Трохи пізніше винахідник Чарльз Дьюри вперше в Новому Світі використовував як паливо бензин (який тоді бензином ще не називався), а в 1833 році з`явився двигун Райта. Ні, не того, який «один з братів Райт» – до їх авіаційних експериментів залишалося ще понад 60 років. Лемюель Веллман Райт запатентував двигун, який працював на газі, але вже по двотактному циклу, і мав систему водяного охолодження.
Цікавим кроком стали двигуни британця Вільяма Барретта. Саме двигуни – в 1838 році він разом запатентував відразу три. Вони були двотактними, але принциповим тут було те, що суміш не просто подавалася в камеру згоряння – вона там стискалася перед займанням. До цього практично у всіх конструкціях паливо-повітряна суміш просто горіла і розширювалася. Попереднє її стиснення дозволяло значно підвищити як потужність, так і коефіцієнт корисної дії (ККД).
До 1863 року було побудовано робочий прототип запатентованого п`ятьма роками раніше двоциліндрового ДВЗ італійців Еуген Барзанті і Феліче Маттеуччі. Він був двоциліндровим, розвивав потужність 5 к. с. і мав дуже непоганим на той час ККД. Саме італійські винахідники могли стати першопрохідцями в створенні по-справжньому комерційно успішного двигуна – замовлення почали надходити досить активно. Але не судилося. В ході налагодження випуску свого дітища на заводі в Бельгії Барзанті захворів на тиф і помер, а Маттеуччі поодинці проєкт витягнути не зміг. Хоча і не раз бурчав потім, що той самий двигун Ніколаса Августа Отто (власне звідки і взялася назва «цикл Отто») – це фактично копія їх розробки.
Двигун Отто, який дійсно став основоположником серійних ДВЗ, з`явився на світ в 1862 році і був змушений витримати серйозну конкуренцію за місце на ринку з ще однією передовою на той час конструкцією – двигуном Жана Жозефа Етьєна Ленуара. Ленуар вперше представив свій двигун трохи раніше, в 1860 році, але бельгійцю знадобилося декілька років на доведення систем охолодження і змащення. Проте в результаті 12-сильний агрегат був доведений до розуму, і його комерційний тираж в Старому Світі склав майже півтори тисячі одиниць – на ті-то часи! Автомобільна версія з`явилася на світ в 1862-1863 роках і теж використовувала для роботи замість вугільного газу рідке паливо – гас.
Приблизно в той же час був розроблений і чотиритактний двигун (один такт відповідає за впуск робочої суміші, другий – за стиснення, третій – це власне робочий хід після займання, а четвертий – прочистка циліндра і викидання відпрацьованих газів), однак у француза Альфонса Бо де Роша справа далі патенту (1861 рік) не пішла. Точніше, пішла – але про це трохи пізніше.
Так що офіційним предком всіх сьогоднішніх чотиритактних ДВЗ став все-таки двигун Отто і його партнера Карла Ойгена Ланге, який з`явився в 1862-1863 роках. За кілька років він був удосконалений настільки, що удостоївся найвищої нагороди Всесвітньої виставки в Парижі (1867 рік) і пішов в серійний випуск, навіть незважаючи на те, що Отто і Ланген встигли в 1872-му пережити банкрутство своєї крихітної фірми N. A. Otto & Cie. Втім, на сьогоднішній день ця компанія не просто жива, але і чудово себе почуває. Це Deutz AG – великий виробник, як неважко здогадатися, газових і дизельних двигунів. Варто відзначити, що в той час слово «дизельний» ще не існувало: Рудольфу Дизелю на той час ледь минуло 12 років.
Карл Бенц, який запатентував в 1879 році двотактний двигун внутрішнього згоряння, а в наступні роки поєднав його з геніальним «комплектом» рішень. Тут були і електричне запалювання через високовольтний трансформатор з іскрою на свічці, і карбюратор з дросельною заслінкою. Було передбачено і основне зовнішнє обладнання: виносний радіатор охолодження, коробка передач і зчеплення. А до 1886 року Бенц запатентував і чотиритактний двигун по циклу Отто, але своєї – природно, теж дуже досконалою на той час – конструкції. Ось вона – практично готова основа автомобіля! Довго чекати не довелося, Benz Patent-Motorwagen ( «Запатентований автомобіль Бенца») з`явився на світ в тому ж 1886 році.
Цікавою і конкуруючої з «моторвагеном» Бенца конструкцією міг би стати автомобіль англійця Едварда Батлера. Він навіть показаний був двома роками раніше на виставці. Але повноцінних випробувань винахідник провести не зміг через безглузді як на теперішній час британських законів про обмеження швидкості «безкінних екіпажів» ( «Закон червоного прапора»), за що прототип і був знищений автором. Але саму концепцію двигуна винахідник передав для розробок силових установок для малих човнів. Хоча в історії Батлер залишив слід, в першу чергу він відомий тим, що дав бензину саме таку назву – бензин.
Ну і, звичайно, Рудольф Дизель... У 1892-1893 роках він запатентував ідею двигуна, в якому необхідну для займання паливної суміші температуру забезпечувало стиснення повітря. Справа в тому, що, хоча різні види палива (вугільний пил, газ, гас, нафту, бензин) запалювали при різних температурах, в будь-якому випадку вона була досить низька, щоб забезпечити високу ефективність – той самий коефіцієнт корисної дії. Ідея Дизеля була в тому, що поршень спочатку стискав повітря, і той нагрівався при стисненні до температури, яка істотно перевищувала температуру займання палива. А вприскування палива здійснювалося вже в момент максимального стиснення – при значно більшій температурі, ніж потрібно було раніше, до стиску. Більше стиснення – сильніша і віддача. До речі, з паливом німецький інженер теж награвся вдосталь: спочатку в його якості виступав вугільний пил, потім гас, а до початку ХХ століття – нафта.
Конструкція Дизеля попутно робила зайвою електричну систему запалювання: іскра тут просто не була потрібна. Зате цей двигун вимагав більш міцних матеріалів (через більш високий ступінь стиснення) і системи подачі палива під дуже високим тиском. Власне, ці конструктивні особливості нікуди не поділися і понині, часом роблячи дизельні двигуни складнішими і дорожчими бензинових. Але зате ККД! Уже найперший зразок, побудований Дизелем (до речі, робота виконувалася на заводі компанії, нині відомої під назвою MAN), мав ККД мінімум на чверть кращий, ніж двигуни конструкції Отто – 26, 2%. Такий показник і сьогодні для бензинових двигунів, які стали більш досконалими, був би непоганий! В середньому ККД сучасних бензинових ДВЗ знаходиться в межах 30% (не будемо заглиблюватися в особливо просунуті приклади з ККД майже до 40% – таких одиниці, і це технічні шедеври навіть за нинішніми мірками). А сучасні дизелі мають цей показник на рівні вже 35-40%.
Автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння відвоювали право на існування і лідерство у парових конструкцій і перших електромобілів – так-так, не тільки вони, але навіть гібридні установки вже створювалися. І спочатку було далеко не очевидно, хто переможе в боротьбі за ринок. Однак ДВЗ залишався все-таки екзотикою – для особливо просунутих багатіїв. Навіть зовні автомобілі Даймлера і Бенца – розглянемо їх як найбільш відомі, хоча вже з`явилося і чимало інших виробників – не особливо нагадували сучасні авто. Все-таки це були ще якісь вози, коляски. Вважається, що перший «автомобільний» автомобіль на вже спеціально розрахованому і сконструйованому шасі, з продуманою компоновкою з`явився в 1900 році. Це був Mercedes все тієї ж фірми Daimler, і саме він поставив основні риси цього інноваційного транспортного засобу як мінімум на три-чотири десятиліття.
Все змінилося з появою в США моделі Ford T – знаменитої «бляшанки Ліззі». І справа тут зовсім не в якихось проривних технічних рішеннях. Ні, в технічному плані Ford T був досить скромний – з 20-сильним 2, 9-літровим двигуном, планетарною трансмісією і примітивними гальмами, з підвіскою навіть без амортизаторів (тільки ресори). Справа в тому, що його з самого початку розраховували на масове виробництво. Автомобіль могли купити не тільки багатії – він був доступний навіть робітникові, який збирав його на конвеєрі.
В кінці 1950-х почало розвиватися японське автомобілебудування, що справило значний вплив на всю світову індустрію. Зараз без японських автомобілів уявити собі світ неможливо. Але японський автопром дійсно молодий за історичними мірками. Перший омнібус Шінейтаро Іошіда з`явився ще в 1905-му, через два роки цей же інженер представив свій легковий автомобіль, а в 1911 році був заснований автомобільний завод Кайшінша (пізніше – DAT, «прабатько» нинішнього бренду Datsun). Однак до Другої світової війни японці в основному виробляли двигуни і автомобілі за ліцензіями. А після Другої світової через санкції і репарації індустрія Імперії фактично була знищена. Вона відродилася лише в роки «японського економічного дива», яке як раз припало на шістдесяті. Одним з локомотивів цього відродження стала прекрасно відома всім компанія Toyota.
Такий «власний шлях» визначив неабияку самобутність японської автоіндустрії. Тут велися власні розробки і була можливість використовувати кращий досвід інших країн вже в основі власних пошуків. ГТВ, пластик – багато з цих компонентів, що використовуються при виробництві двигунів і автомобілів, мали і мають свої особливості. І це необхідно було враховувати виробникам масел. Зокрема, з урахуванням цих особливостей і з`явився стандарт ILSAC. Таким чином, в середині ХХ століття остаточно оформилися три основні «школи» світового автомобілебудування – європейська, американська та японська. Корейці приєдналися до них набагато пізніше.
Шістдесяті роки були ознаменовані і ще однією подією: в світ автомобільних двигунів прийшов турбонаддув. Патент на цю систему швейцарець Альфред Бюхи отримав ще в 1911 році (і, до речі, в США). Наддув дозволяв збільшити потужність двигуна більш ніж удвічі – на 120%. Але технічна база автомобілебудування була ще не готова: матеріали не дозволяли зробити такий двигун надійним. Тому ще кілька десятиліть турбіни використовувалися в більш габаритних двигунах – корабельних і навіть авіаційних. А автомобілісти задовольнялися менш вимогливим до якості матеріалів механічним компресором. Єдиним реальним автомобільним двигуном з турбонаддувом до Другої світової війни став швейцарський турбодизель Swiss Machine Works Sauer для вантажівок.
До кінця ХХ століття в історії створення автомобільних двигунів раптово назріла революція. Її «батьками» стали зовсім не автомобільні інженери та конструктори. Звичайно, саме їх зусилля, винаходи і пошуки рішень стали паливом цього перевороту, саме їм довелося шукати відповіді на нові питання. А задавали ці питання зовсім інші люди – екологи, маркетологи і політики. Ну а турбот перепало не тільки інженерам, які займалися безпосередньо розробкою двигунів, а й тим, хто створював матеріали, деталі і «витратні матеріали». Їм тепер доводилося враховувати набагато більше аспектів і нюансів.
Звичайно ж, як така офіційна дата початку нової епохи в автомобілебудуванні ніким не відзначається, але неофіційно вважається, що відлік можна вести від появи в 1970 році в США поправки до Clean Air Act – Закону про чисте повітря. Саме вона диктувала автовиробникам нові вимоги: значно знизити шкідливі викиди їх продукції. У США це стало радикальною зміною напрямку розвитку: там звикли до багатолітрових двигунів, хоч в дні нафтових криз вони вже мали приводи задуматися про економічність автомобілів.
На шляху до економічності і екологічності двигунів їх розробники використовували і нові матеріали. Адже ще один з ресурсів поліпшення цих показників – зниження втрат всередині самого двигуна. Наприклад, полегшення багатьох деталей. Адже маса деталей безпосередньо впливала на інерцію і пов`язані з нею втрати і можливості поломки. В індустрію автомобільних двигунів стали приходити легкі сплави.
Третє десятиліття XXI століття має стати вирішальним в історії світового автомобілізму, в історії розвитку двигунів. І це не пафосна заява: складається занадто багато факторів. Інженери довели двигун внутрішнього згоряння практично до досконалості, але цього виявилося мало. Екологи і політики чинять на автоіндустрію серйозний тиск, буквально змушують до переходу на використання електроенергії. Розгорнулося чи не змагання – у кого процес буде йти швидше. У початкових планах формулювався глобальний перехід «на електротягу» до середини століття, але зараз все більше країн будують «зустрічні плани». Буквально на днях оголосила про усунення дати «бана» традиційних двигунів одна з цитаделей світового автомобілізму – Великобританія: тут перехід до електромобілів планується вже в 2030 році.
Ініціативу беруть на себе і місцева влада, заявляючи про плани заборонити в`їзд до центрів міст, а то і в принципі на їх територію автомобілів з традиційними – в першу чергу дизельними – двигунами.
Як не дивно, перехід на електричну енергію зовсім не виглядає кінцем світу для тих, хто працює зараз в автомобільній галузі. Крім екологічної чистоти, він несе в собі і нові можливості для конструкторів, інженерів і дизайнерів. Зайняті зараз створенням традиційних автомобілів фахівці чекають змін з ентузіазмом. Адже навіть сама компоновка автомобіля може радикально змінитися, припустимо, при використанні «мотор-коліс». Все більше і більше компаній розробляють і показують спеціалізовані платформи – основу для майбутніх електромобілів.
Рано чи пізно електромобілі все-таки візьмуть гору – сумніватися в цьому не доводиться. Власний бензиновий (або тим більше дизельний) автомобіль – та ще без автопілоту – взагалі стане атрибутом розкоші! Так-так, саме такі припущення були висловлені в ході футурологічного дослідження, проведеного Bentley спільно з одним з найпрестижніших британських університетів. До кінця ХХI століття автомобілі з ДВЗ можуть повернутися в статус «дорогої іграшки не для всіх» – зовсім як на зорі автомобілізації, в кінці XIX століття. Такий ось виток еволюції автомобільних двигунів.
