Сгорающие изнутри

Скорость и колоссальные масштабы — вот что дали двигатели внутреннего сгорания мировой промышленности, сделав ее глобальной

Иван Измайлов

До XVIII века все человеческие потребности обслуживала мускульная сила людей и животных. Было лишь одно исключение — мельницы, вращаемые силой ветра или воды. Этого явно не хватало растущей промышленности, и множество ученых пытались использовать энергию пара, вырывающегося из котла. В 1765 году 28-летний английский механик Джеймс Уатт объединил их изобретения, создав универсальный паровой двигатель. Но только через 20 лет Уатт сумел довести свою машину до ума и тут же пустил ее в дело. В 1785 году паровой двигатель был установлен на пивоваренном заводе Сэмюела Уитбреда в Лондоне, где он стал размалывать солод вместо 24 лошадей. С тех пор и повелось измерять мощность двигателей в лошадиных силах.

Изобретение Уатта стало главной пружиной промышленного переворота, который сделал европейцев хозяевами мира. Паровоз, в 1814 году приведенный в действие англичанином Джорджем Стефенсоном, стал популярнейшим видом транспорта — равно как и пароход, построенный чуть раньше, в 1807-м, американцем Робертом Фултоном.

Не меньшее распространение паровой двигатель получил в промышленности. В 1839 году англичанин Джеймс Несмит изобрел паровой молот, способный выковывать металлические детали с силой 60 кузнецов.

В целом же за первую половину XIX века производительность труда в промышленности выросла в 12 раз. К концу XIX века мировая мощность паровых машин достигала 25 млн лошадиных сил, не считая 105 тыс. паровозов с мощностью еще 3 млн л. с.

Роскошь и средство передвижения

Однако паровые двигатели были чересчур громоздкими и потребляли много топлива — в основном угля, который сильно загрязнял воздух, хотя о таких "пустяках" тогда не думали. Главным было другое — сделать двигатель более мощным и одновременно компактным. В 1860 году француз Этьен Ленуар изобрел двигатель, где поршень перемещался не паром, а горючим газом, смешанным с воздухом. Эту смесь поджигала электрическая искра, создаваемая индукционной катушкой. Машина Ленуара стала первым двигателем, работавшим за счет сгорания горючих веществ, что обеспечивало более высокий КПД, чем у пара. Однако она была неэффективной — лишь 4% теплоты газа тратилось на полезную работу, остальное уходило в "свисток". Чтобы двигатель работал, его требовалось постоянно охлаждать, на что требовалось 120 литров воды в час.

Усовершенствовать мотор удалось двум соперникам-немцам — Готлибу Даймлеру и Карлу Бенцу. Первый из них совершил поездку в Россию, где ознакомился с переработкой нефти. Одной из ее фракций был легкий бензин, который в то время просто выливался — ценным сырьем считался только керосин. Между тем бензин хорошо испарялся, быстро сгорал и был удобен для транспортировки. В 1883 году находчивый Даймлер создал двигатель, который мог работать как на газе, так и на бензине. В отличие от Ленуара, двигатель которого был двухтактным, Даймлер использовал двигатель с четырехтактным ходом, который в 1876 году изобрел еще один немец, инженер Николаус Отто. В двигателе Отто за один рабочий цикл осуществлялись соединение горючего с воздухом, сгорание смеси и выпуск отработанных газов в атмосферу, после чего поршень возвращался в исходное положение. Такой двигатель был установлен на двухколесном "моторном велосипеде" — прообразе будущего мотоцикла.

Готлиб Даймлер (снизу) был первым, кто догадался использовать бензин в качестве моторного топлива, а Карл Бенц (сверху) — первым, кто приспособил даймлеровский двигатель для автомобиля, тоже первого

Двигатель внутреннего сгорания, сконструированный Николаусом Отто, ничего серьезнее велосипеда стронуть с места не мог

Создателя двигателя "имени себя" Рудольфа Дизеля обвинениями в плагиате конкуренты довели до самоубийства

Это устройство оказалось не слишком удобным для езды, чем и воспользовался Бенц, создавший в 1886 году первый настоящий автомобиль. Его трехколесная "самоходная коляска" проехала по улицам Мангейма около километра на скорости 15 км в час. Дальнейшие испытания запретила полиция, уверенная, что немилосердно тарахтящий двигатель вот-вот взорвется. Публика отнеслась к автомобилю с недоверием, преодолеть которое удалось жене изобретателя Берте. Тайком от самого Бенца она вывела его автомобиль из гаража и совершила на нем автопробег на расстояние 180 км. Все неисправности она чинила сама, а бензинопровод прочищала булавкой от шляпы. Благодаря этой самоотверженной женщине машины начали завоевывать мир.

На рубеже ХХ века случились еще три изобретения, сделавшие двигатель внутреннего сгорания эффективным. Для увеличения его мощности можно было либо наращивать вес, либо увеличивать число цилиндров. Даймлер выбрал второе и разработал вначале двухцилиндровый, а потом, в 1891 году, четырехцилиндровый двигатель, который и вошел в широкое употребление. Четырьмя годами позже Бенц изобрел карбюратор — прибор для распыления бензина в двигателе. В первом карбюраторе горючее разбрызгивалось щетками, которые быстро слипались. Только через десять лет появился карбюратор, где бензин выходил из жиклера (от французского gicler — "брызгать") в виде мельчайших капель.

Для охлаждения двигателя вначале употреблялся неудобный трубчатый змеевик, но в 1901 году инженеры "Мерседеса" разработали компактный водяной радиатор, ставший привычной деталью автомобиля. (Эта компания была основана в 1899 году Даймлером и Майбахом, но деньги на нее дал состоятельный немецкий дипломат Еллинек. В честь его дочери Мерседес была названа первая машина компаньонов.

Человек имени машины

По другому пути пошел немецкий инженер Рудольф Дизель, создавший в 1897 году двигатель, названный его именем. В нем топливо воспламенялось струей сжатого воздуха из баллона; высокая температура (до 800°С) позволяла использовать вместо бензина более дешевые тяжелые фракции нефти — мазут и солярку. Новый двигатель оказался прост в эксплуатации и обеспечивал КПД в 25% — вдвое больше, чем у тогдашних бензиновых моторов. "Я иду во главе технического прогресса", — утверждал Дизель. Этим явно были недовольны его конкуренты, обвинившие инженера в плагиате и разорившие его судебными исками. В 1913 году измученный борьбой Дизель прыгнул ночью с борта парохода, плывшего через Ла-Манш. Впрочем, не исключено, что ему "помогли" убийцы, подосланные теми же конкурентами. А дизели и сегодня вращают винты пароходов, колеса грузовиков, роторы электрогенераторов. У них, правда, есть два серьезных недостатка — большой вес и обилие вредных выбросов.

Последнее в эпоху борьбы за экологию стало "фактором риска" для многих двигателей. Уже сорок лет конструкторы борются за уменьшение выбросов, очищая горючее и устанавливая в моторах специальные фильтры. Многие предлагают еще более радикальное решение — отказаться от бензина в пользу газа или электричества. Газовые и электрические двигатели существуют уже давно, но пока не смогли сравниться с бензиновыми по мощности и тем более по цене эксплуатации. Поэтому эпоха ДВС (двигателей внутреннего сгорания) будет продолжаться еще долго — по крайней мере, до истощения нефтяных кладовых планеты.

Быстрее, выше, сильнее

К идее приспособить реактивные двигатели для ракет в фашистской Германии и в Советском Союзе пришли почти одновременно — в 1930-е годы

Используя двигатели для передвижения по земле, люди стали задумываться — а нельзя ли с их помощью подняться в воздух? Первый самолет братьев Райт, поднявшийся в небо в декабре 1903 года, имел бензиновый двигатель мощностью 16 л. с. Позже главным топливом для самолетов стал керосин, имевший более низкую температуру застывания. В первые годы был популярен ротативный двигатель, вращавшийся вместе с пропеллером вокруг неподвижного вала — это обеспечивало хорошее охлаждение. Скоро родилась идея многомоторных самолетов — они были мощнее, к тому же при отказе одного из моторов машина не падала, а могла дотянуть до аэродрома. Первым таким самолетом стал "Русский витязь" Игоря Сикорского, построенный в 1913 году. В том же году Сикорский построил еще более крупный четырехмоторный самолет "Илья Муромец" с размахом крыльев 32 метра.

За рубежом преимущество долго отдавалось более дешевым одномоторным машинам, но в 30-е годы американские компании "Дуглас" и "Боинг" открыли эпоху гигантских многомоторных лайнеров. Герметичный фюзеляж и компрессоры, подающие воздух к двигателям и в салоны, позволили самолетам подниматься на безопасную высоту. Оставалась проблема скорости — самые быстрые "Боинги" летали на скорости 400 км в час. На помощь пришло реактивное движение, изобретенное гораздо раньше самолетов. Еще в 1863 году француз Жан Делувриер разработал проект "аэрошара" с реактивным мотором — нагретый пар в нем выходил через разные трубки, сообщая прибору поступательное движение. С появлением самолетов несколько инженеров (в основном французов) разработали реактивные устройства, но первыми применили их на практике немцы. В 1928 году Фриц Стамер впервые поднялся в воздух на планере "Утка" с реактивным приводом. Планер летел быстро, но нырял в воздухе, как настоящая утка; к тому же пилот мог маневрировать только при посадке.

Постепенно конструкторы остановились на идее турбореактивного двигателя. С одной стороны в него поступал нагретый воздух, сжатый компрессором, с другой — топливо, которое, сгорая, образовывало газы, толкающие самолет вперед. Попутно они приводили в действие турбину, которая поддерживала работу компрессора. Долгое время колебались, выбирая между твердым и жидким топливом: первое давало большую скорость, но не позволяло управлять работой двигателя, а второе делало двигатель более сложным и громоздким. В 1930-е годы реактивные двигатели применялись на первых ракетах Оберта (Германия) и Цандера (СССР), причем их конструкторы пришли к идее соединения жидкого и твердого топлива — такие двигатели назвали гибридными. В самолетах, однако, возобладало жидкое топливо — на нем работал первый почти серийный реактивный двигатель, который в 1935 году разработал немец Ганс Пабст фон Охайн. На его основе авиаконструктор Хейнкель в 1939 году построил первый настоящий реактивный самолет — истребитель He-178. Правда, реактивные машины так и не успели по-настоящему поучаствовать в мировой войне.

Первый в мире реактивный самолет He-178 был построен в Германии в 1939 году. К счастью, принять участие в воздушных битвах Второй мировой эта машина по-настоящему не успела

Новая эра наступила в 1949 году, когда в воздух поднялся первый пассажирский реактивный лайнер "Комета" американской компании "Де Хэвиленд". При вместимости 36 пассажиров он развивал скорость 700 км в час. Первые опыты, впрочем, были трагическими — две "Кометы" разбились со всеми пассажирами. Оказалось, что корпус самолета не выдерживает высоких нагрузок во время полета. В 1958 году обновленная "Комета", сделанная из сверхпрочных материалов, вернулась на авиалинии. Вскоре компании-конкуренты "Боинг" и "Дуглас" запустили в производство лайнеры со скоростью до 800 км в час, вмещавшие до 180 пассажиров. Они открыли новый период в истории пассажирских перевозок — через десять лет половина дальних рейсов (свыше 500 км) осуществлялась реактивными машинами, а к 1980 году эта доля достигла двух третей. Авиаперевозки стали самым рентабельным видом транспорта, а доходы крупных авиакомпаний США росли на 30-50% в год.

В 1976 году начал регулярные рейсы первый сверхзвуковой лайнер "Конкорд", развивавший скорость 2130 км в час. Правда, в широкое употребление он так и не вошел — слишком дорогим оказалось обслуживание. Воспользовавшись недавней катастрофой, владельцы сняли "Конкорд" с эксплуатации, а проблема — сочетание максимальных размеров лайнеров с высокой скоростью — пока остается нерешенной.

Возможно, ее помогут решить "космические самолеты", которые могут стать реальностью уже в ближайшие годы. Эти машины, напоминающие космические шаттлы, смогут почти мгновенно выходить на орбиту и снижаться, достигая любой точки земной поверхности всего за час или два. Пока неясно, какой тип двигателя будет в них применяться. Не вызывает, однако, сомнения, что история двигателей внутреннего сгорания, начавшаяся чуть больше века назад, далека от завершения и обещает человечеству еще много сюрпризов.

статья из журнала № 4 [5] Апрель 2006