Двигатель внутреннего сгорания кто изобрел

Первые попытки создать двигатель внутреннего сгорания относятся к началу XIX века. В 1807 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз построил первый прототип, работавший на водороде и кислороде. Устройство использовало электрическую искру для воспламенения смеси, но не получило широкого распространения из-за низкой эффективности и сложности эксплуатации. Ключевым недостатком ранних моделей была невозможность стабильной работы при высоких нагрузках.

Прорыв произошёл в 1860 году, когда бельгийский инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар запатентовал двухтактный двигатель, работавший на светильном газе. Его конструкция впервые использовала поршень, цилиндр и кривошипно-шатунный механизм, что позволило достичь КПД около 4%. Двигатель Ленуара был установлен на первом в мире автомобиле с ДВС – трёхколёсном экипаже Hippomobile, преодолевшем 9 км за три часа. Однако высокий расход топлива и частые поломки ограничили его применение.

Следующий этап связан с именем Николауса Отто, который в 1876 году представил четырёхтактный двигатель с искровым зажиганием. Цикл Отто – впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск – стал основой для большинства современных бензиновых двигателей. КПД его конструкции достигал 14%, что было революционным для того времени. Компания Deutz AG, основанная Отто, начала серийное производство двигателей, что заложило основу для автомобильной промышленности.

В 1893 году Рудольф Дизель запатентовал двигатель с воспламенением от сжатия, работавший на тяжёлом топливе. Его конструкция исключала необходимость в свечах зажигания, а КПД превышал 25%. Первый рабочий образец дизельного двигателя был создан в 1897 году на заводе MAN в Аугсбурге. Дизель рассчитывал на применение в стационарных установках, но уже к 1920-м годам его изобретение стало основой для грузового и морского транспорта.

К началу XX века двигатели внутреннего сгорания вытеснили паровые машины благодаря компактности, высокой удельной мощности и возможности быстрого запуска. Ключевыми факторами развития стали улучшение систем смазки, внедрение карбюраторов и разработка новых сплавов для поршней и цилиндров. Сегодня ДВС остаётся основным источником энергии для транспорта, несмотря на растущую конкуренцию со стороны электродвигателей.

Первые эксперименты с тепловыми машинами до XIX века

Идея преобразования тепловой энергии в механическую зародилась задолго до промышленной революции. В I веке н. э. Герон Александрийский описал эолипил – первую известную паровую турбину, где струя пара вращала полый шар с соплами. Устройство оставалось любопытным физическим опытом, но его КПД не превышал 1–2%, а практическое применение ограничивалось храмовыми механизмами. В 1679 году Дени Папен создал паровой котёл с предохранительным клапаном, доказав возможность контролируемого использования пара под давлением. Его работы легли в основу последующих разработок, включая атмосферные машины Томаса Ньюкомена (1712), где пар конденсировался в цилиндре, создавая разрежение и приводя в движение поршень.

Ключевым прорывом стала машина Джеймса Уатта (1769), оснащённая отдельным конденсатором, что снизило потери тепла на 75% и повысило КПД до 3–4%. Уатт ввёл центробежный регулятор для стабилизации оборотов и двойное действие поршня, удвоив эффективность. Однако до XIX века тепловые машины оставались стационарными: их вес достигал 5–10 тонн, а мощность – 10–20 л.с. при расходе угля 4–5 кг на л.с. в час. Для сравнения, современные ДВС той же мощности потребляют в 10 раз меньше топлива, что подчёркивает революционность последующих изобретений.

Роль паровых двигателей в формировании концепции ДВС

Паровые машины XVIII–XIX веков стали первым практическим воплощением идеи преобразования тепловой энергии в механическую работу. Их конструкция, основанная на внешнем сгорании топлива и передаче энергии через посредник (пар), заложила фундаментальные принципы термодинамики, которые позже легли в основу ДВС. Например, цикл Карно (1824) – теоретическая модель максимально эффективного теплового двигателя – был разработан именно для паровых машин, но его положения о КПД и рабочих температурах напрямую применимы к двигателям внутреннего сгорания.

Ключевым вкладом паровых двигателей стало формирование понятия «рабочего цикла». В машине Уатта (1776) уже присутствовали основные фазы: нагрев, расширение пара, выхлоп и сжатие. Эти этапы, адаптированные под внутреннее сгорание, легли в основу четырехтактного цикла Отто (1876). Разница заключалась лишь в переносе процесса сгорания внутрь цилиндра, что устраняло тепловые потери при передаче энергии через пар и повышало КПД с 5–10% (у паровых машин) до 15–20% (у первых ДВС).

Материалы и технологии, отработанные на паровых машинах, стали критически важными для ДВС. Чугунные цилиндры, поршневые кольца и клапанные механизмы, впервые примененные в паровых установках, без изменений перешли в конструкцию двигателей внутреннего сгорания. Так, поршневые кольца, запатентованные Джоном Рамсботтомом в 1854 году для паровозов, использовались в ДВС Ленуара (1860) и Отто практически в том же виде. Это сократило время разработки новых двигателей на 20–30 лет.

Паровые машины стимулировали развитие систем управления и регулирования. Центробежный регулятор Уатта (1788), поддерживавший постоянные обороты за счет обратной связи, стал прообразом современных электронных систем впрыска топлива. В ДВС аналогичные задачи решали карбюраторы и позднее инжекторы, но принцип автоматической корректировки подачи топлива в зависимости от нагрузки был заимствован напрямую. Без этого опыта создание надежных ДВС задержалось бы минимум на десятилетие.

Экономические и производственные факторы, связанные с паровыми машинами, подтолкнули инженеров к поиску более компактных и мобильных решений. Паровые двигатели требовали громоздких котлов, запасов воды и топлива, что ограничивало их применение стационарными установками или крупными транспортными средствами (пароходы, паровозы). Стремление устранить эти недостатки привело к идее сжигать топливо непосредственно в цилиндре. Например, в 1807 году Франсуа Исаак де Риваз построил первый двигатель с внутренним сгоранием, работавший на водороде, но его КПД (3–4%) был ниже, чем у паровых машин, из-за отсутствия эффективной системы зажигания.

Несмотря на технологический прорыв, паровые машины выявили критические ограничения, которые ДВС удалось преодолеть. В таблице ниже приведены ключевые параметры, где ДВС показали преимущество:

Опыт эксплуатации паровых машин также подчеркнул важность стандартизации и унификации деталей. В 1850-х годах британские производители паровозов начали использовать взаимозаменяемые компоненты, что снизило стоимость ремонта на 40%. Этот подход был перенят автомобильной промышленностью в начале XX века, когда Генри Форд внедрил конвейерное производство для ДВС. Без предшествующей практики паровых машин массовое производство двигателей внутреннего сгорания было бы невозможно.

Изобретение и патентование первых рабочих прототипов ДВС

Первый функциональный двигатель внутреннего сгорания создал в 1860 году бельгийский инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар. Его одноцилиндровый агрегат мощностью 0,5 л.с. работал на светильном газе и имел электрическое зажигание – ключевое отличие от паровых машин. КПД составлял всего 4%, но конструкция доказала жизнеспособность принципа: топливо сгорало непосредственно в цилиндре. Патент №43624 был выдан во Франции 24 января 1860 года, став первым официальным документом, закрепляющим приоритет ДВС. Ленуар продал около 500 экземпляров, преимущественно для стационарных установок, однако низкая эффективность ограничила применение.

Прорыв совершил Николаус Август Отто в 1876 году, запатентовав четырёхтактный двигатель (патент DE532 от 4 августа 1877). Его прототип развивал 3 л.с. при 180 об/мин и КПД 14% – втрое выше, чем у Ленуара. Ключевые инновации Отто:

• четырёхтактный цикл (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск);
• предварительное сжатие смеси перед воспламенением;
• использование жидкого топлива (бензин) вместо газа.

Компания Gasmotoren-Fabrik Deutz AG, основанная Отто, выпустила более 5000 двигателей к 1889 году. Патент вызвал судебные споры: в 1886 году его аннулировали в Германии, признав приоритет французского инженера Альфонса Бо де Роша, описавшего четырёхтактный цикл в 1862 году. Однако именно реализация Отто стала промышленным стандартом.

В 1883 году Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах создали первый бензиновый двигатель с высокой частотой вращения (900 об/мин против 180 у Отто). Их патент DRP 28022 от 16 декабря 1883 года описывал компактный одноцилиндровый агрегат с карбюратором и воздушным охлаждением, пригодный для транспортных средств. Мощность – 0,5 л.с. при массе 60 кг. Ключевое отличие – использование трубчатого испарителя для бензина, позволявшее стабильно работать на высоких оборотах. В 1885 году Даймлер установил двигатель на деревянный велосипед (патент DRP 36423), создав первый мотоцикл, а в 1886-м – на карету, получив первый автомобиль с ДВС.

Ключевые фигуры: кто и как усовершенствовал двигатель в 1860–1880-х годах

В 1860 году бельгийский инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар запатентовал первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания, работавший на светильном газе. Его конструкция использовала электрическое зажигание и горизонтальное расположение цилиндра, но КПД не превышал 4% из-за отсутствия предварительного сжатия смеси. Ленуар продал около 500 таких двигателей, однако их низкая эффективность и высокий расход топлива ограничили применение стационарными установками.

Немецкий изобретатель Николаус Август Отто в 1864 году основал компанию NA Otto & Cie (позже Deutz AG) и уже через три года представил атмосферный двигатель, работавший по четырёхтактному циклу без сжатия. КПД вырос до 11%, но настоящий прорыв произошёл в 1876 году, когда Отто запатентовал четырёхтактный двигатель с предварительным сжатием смеси. Этот принцип – впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск – стал основой для всех последующих ДВС. Патент Отто (DRP 532) был оспорен в 1886 году, когда суд признал приоритет Альфонса Бо де Роша, описавшего аналогичный цикл в 1862 году.

Готтлиб Даймлер, работавший в компании Отто до 1882 года, сосредоточился на повышении оборотов двигателя. В 1883 году он создал первый бензиновый двигатель с вертикальным расположением цилиндра и частотой вращения 600 об/мин – вдвое выше, чем у моделей Отто. Даймлер использовал трубчатое зажигание (калильную трубку), что позволило отказаться от громоздкой электрической системы Ленуара. В 1885 году этот двигатель был установлен на деревянный велосипед, став первым мотоциклом, а годом позже – на четырёхколёсную повозку, положив начало автомобилестроению.

Вильгельм Майбах, ближайший соратник Даймлера, разработал в 1885 году карбюратор с распылением топлива, заменивший неэффективные испарительные системы. Его конструкция с поплавковой камерой и жиклёром обеспечила стабильное смесеобразование при разных режимах работы. Майбах также предложил использовать радиатор с водяным охлаждением, что решило проблему перегрева высокооборотных двигателей. Эти инновации позволили Даймлеру к 1889 году создать первый V-образный двухцилиндровый двигатель мощностью 1,5 л.с.

Карл Бенц, независимо от Даймлера, в 1885 году построил трёхколёсный автомобиль с одноцилиндровым четырёхтактным двигателем (0,75 л.с.), оснащённым электрическим зажиганием и дифференциалом. В отличие от Даймлера, Бенц сделал ставку на низкооборотный двигатель (250 об/мин) с большим крутящим моментом, что улучшило тяговые характеристики. Его патент DRP 37435 от 1886 года стал первым официальным документом, закрепляющим конструкцию автомобиля с ДВС. Бенц также первым применил цепной привод на задние колёса, отказавшись от ремённой передачи.

Джеймс Аткинсон, британский инженер, в 1882 году запатентовал двигатель с изменяемой степенью сжатия, где ход поршня на такте сжатия был короче, чем на рабочем ходе. Это достигалось за счёт сложной кинематики кривошипно-шатунного механизма. Двигатель Аткинсона имел КПД до 20%, но из-за механической сложности не получил широкого распространения. Однако его идея легла в основу современных гибридных силовых установок, где цикл Аткинсона используется для повышения топливной экономичности.

Зигфрид Маркус, австрийский изобретатель, в 1870 году построил первый автомобиль с бензиновым двигателем, опередив Даймлера и Бенца. Его конструкция включала магнето для зажигания и механический карбюратор, но из-за отсутствия патентной защиты и финансовых проблем Маркус не смог коммерциализировать разработку. В 1888 году он создал второй прототип с двухцилиндровым двигателем, однако к тому времени лидерство уже захватили немецкие конкуренты.

Джордж Брайтон, американский инженер, в 1872 году запатентовал двухтактный двигатель с постоянным давлением сгорания, где топливо впрыскивалось в камеру сгорания под давлением. Его конструкция использовала отдельный компрессор для нагнетания воздуха, что предвосхитило дизельные двигатели. Брайтон также предложил использовать керосин вместо бензина, что снизило пожароопасность. Хотя его двигатели применялись в стационарных установках и на первых подводных лодках, они уступили место более простым и надёжным четырёхтактным моделям Отто и Даймлера.

Появление четырехтактного цикла Отто и его влияние на промышленность

В 1876 году Николаус Август Отто запатентовал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, работающий по циклу «впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск». Конструкция с горизонтальным расположением цилиндра и золотниковым газораспределением обеспечивала КПД до 14% – вдвое выше, чем у предшественников. Ключевым новшеством стало сжатие топливно-воздушной смеси перед воспламенением, что увеличило мощность при меньшем расходе топлива. Двигатель развивал 3 л.с. при 180 об/мин и весил 700 кг, что делало его пригодным для стационарного применения.

Первые серийные образцы, выпущенные на заводе Deutz AG в 1877 году, стоили 2000 марок – эквивалент 15 годовых зарплат квалифицированного рабочего. Однако уже к 1880 году цена снизилась на 40% благодаря оптимизации производства. Двигатели Отто заменили паровые машины в мелких мастерских, типографиях и насосных станциях: их установка не требовала котельной, а запуск занимал минуты вместо часов. К 1890 году Deutz AG продал 5000 двигателей, а конкуренты – ещё 3000.

Четырехтактный цикл стал стандартом для транспортных средств после адаптации Готтлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом в 1885 году. Их компактный двигатель мощностью 1,1 л.с. при 600 об/мин весил всего 60 кг и устанавливался на первый мотоцикл и автомобиль. Это позволило снизить массу транспортных средств на 70% по сравнению с паровыми аналогами. К 1900 году в Европе и США работало 10 000 автомобилей с двигателями Отто, а к 1910-му – уже 500 000.

Промышленный эффект проявился в росте производительности: фабрики получили возможность размещать оборудование без привязки к паропроводам, а сельское хозяйство – использовать мобильные насосы и молотилки. В 1893 году в Германии на двигатели Отто приходилось 60% всей вырабатываемой механической энергии в малом и среднем бизнесе. В США компания Fairbanks-Morse наладила выпуск двигателей по лицензии, снизив зависимость фермеров от ручного труда: одна машина заменяла 15 рабочих при обмолоте зерна.

Экономия топлива и простота обслуживания сделали цикл Отто основой для дальнейших усовершенствований. К 1920 году КПД двигателей вырос до 25% за счёт повышения степени сжатия и применения карбюраторов. Стандартизация деталей позволила снизить стоимость ремонта на 80% по сравнению с 1880-ми. Сегодня 95% легковых автомобилей используют четырехтактные двигатели, а их принцип работы остаётся неизменным с 1876 года.

Развитие дизельных и бензиновых двигателей в начале XX века

К 1900 году бензиновые двигатели уже прошли этап экспериментальных образцов, но их массовое внедрение сдерживалось низкой степенью сжатия (4–5:1) и несовершенством систем зажигания. В 1902 году Роберт Бош представил магнето высокого напряжения, что позволило повысить надежность искрообразования при 1500–2000 об/мин. К 1908 году компания Ford начала серийное производство Model T с двигателем объемом 2,9 л и мощностью 20 л.с., который работал на бензине с октановым числом не выше 50. Параллельно в Европе Daimler и Benz разрабатывали двигатели с верхним расположением клапанов, что увеличивало литровую мощность на 15–20% по сравнению с нижнеклапанными конструкциями.

Дизельные двигатели в начале века оставались нишевым продуктом из-за сложностей с воспламенением топлива. В 1908 году MAN выпустила первый серийный дизель для грузовых автомобилей мощностью 40 л.с. при 400 об/мин, но его масса превышала 1,5 тонны. Ключевым прорывом стало внедрение предкамерного смесеобразования в 1910 году компанией Benz & Cie., что снизило требования к качеству топлива и позволило поднять обороты до 800–1000 об/мин. К 1912 году дизели уже устанавливались на суда и локомотивы, но в легковых автомобилях их применение ограничивалось из-за высокой шумности и вибраций.

• 1903 год: Wright Flyer оснащен бензиновым двигателем мощностью 12 л.с. с водяным охлаждением и цепным приводом.
• 1905 год: появление первого V-образного 8-цилиндрового двигателя (De Dion-Bouton) с углом развала 90°.
• 1910 год: дизель-генераторная установка на электростанции в Киле (Германия) мощностью 200 л.с. продемонстрировала КПД 30%.
• 1913 год: Packard представила первый серийный 12-цилиндровый двигатель объемом 6,8 л для легковых автомобилей.

Бензиновые двигатели развивались по пути увеличения литровой мощности и снижения удельного расхода топлива. В 1912 году Peugeot EX3 с двигателем объемом 7,6 л и четырьмя клапанами на цилиндр выиграл Гран-при Франции, развив 148 км/ч. Для сравнения, дизели того же периода имели удельный расход 180–200 г/л.с.·ч против 250–300 г/л.с.·ч у бензиновых аналогов. Однако дизели компенсировали это дешевизной топлива: в 1914 году стоимость солярового масла составляла 30–40% от цены бензина.

Конструкторы дизелей сосредоточились на проблемах холодного пуска и снижения массы. В 1914 году компания Sulzer разработала систему электрического подогрева впускного воздуха, что позволило запускать двигатель при температуре до −10°C. К 1916 году дизели стали компактнее: двигатель Junkers мощностью 50 л.с. весил 450 кг против 800 кг у аналогичных моделей 1910 года. В бензиновых двигателях приоритетом стало повышение степени сжатия: к 1918 году она достигла 5,5–6:1 у серийных моделей, что потребовало перехода на бензин с октановым числом 60–65.

Первая мировая война ускорила развитие двигателестроения. Бензиновые моторы применялись в авиации и легких танках, где требовалась высокая удельная мощность. Дизели нашли применение в подводных лодках и стационарных установках благодаря экономичности. К 1919 году дизельные двигатели достигли КПД 35–38%, а бензиновые – 25–28%. После войны оба типа двигателей продолжили совершенствоваться, но дизели оставались прерогативой тяжелой техники, а бензиновые – легкового и авиационного транспорта.