результатом продолжительного расширения смеси в процессе сгорания.
Отто понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, равным 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 принципу работает подавляющее большинство автомобильных двигателей.
Итак, 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. При втором такте закрыты оба отверстия. Поршень, толкаемый шатуном, идет вверх и сжимает смесь. Третий такт – рабочий ход. В начале его происходит зажигание сжатой смеси. Движение поршня через шатун 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 закрыто.
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 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 до 180 в минуту приводило к перебоям в работе и быстрому износу золотника. Давление в цилиндре требовало мощного кривошипного механизма и стенок цилиндра, поэтому масса двигателя достигала 500 кг на 1 кВт/ч. 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, однако получил широкое распространение в стационарных условиях.
Двигатель внутреннего сгорания стал пригодным для применения на транспорте, после того как изобрели жидкое топливо, он приобрел быстроходность, компактность и легкость.
Наибольший вклад в его создание внесли технический директор завода Отто в Дойце Г. Даймлер и его ближайший сотрудник В. Майбах, позднее основавшие собственную фирму.
Поначалу Даймлера увлекало конструирование машины. Потом возникла мысль о постройке второго, третьего вариантов машины, исходя из опыта работы над предыдущей, и о ее продаже.
Но прежде чем конструировать и строить самодвижущуюся повозку, нужно было создать для нее двигатель.
Первый двигатель Даймлера годился и для транспортного, и для стационарного применения. Работал на газе и на бензине. Все позднейшие конструкции Даймлера рассчитаны исключительно на жидкое топливо. Скорость вращения вала двигателя, обеспечиваемую, в частности, интенсивным воспламенением смеси, Даймлер справедливо считал главным показателем работы двигателя на транспортной машине. Скорость вращения вала двигателя Даймлера была в 4–5 раз выпе, чем у газовых двигателей, и достигала 450–900 об/мин, а мощность на 1 л рабочего объема – вдвое больше. Соответственно могла быть уменьшена масса. Появился 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 необходимые составляющие для создания легкого самодвижущегося экипажа – автомобиля.
Первые двигатели Бенца имели скорость вращения вала, не превышающую 400 об/мин. Кривошипный механизм был открытым, как у стационарных двигателей. Электрическое зажигание в двигателе было сходным с зажиганием современных двигателей.
Было сложно наращивать мощность двигателя: увеличение диаметра цилиндра влекло за собой возрастание сил, действующих на его стенки и на детали кривошипного механизма. А при увеличении длины хода поршня росли размеры кривошипа, и цилиндр было трудно разместить на автомобиле. Все это влекло за собой увеличение массы двигателя.
И у конструктора возникла мысль увеличить количество цилиндров. Даймлер сконструировал двухцилиндровые (V-образными) двигатели. В 1891 г. он построил первый 4-цилиндровый двигатель.
Количество цилиндров обеспечивало не только компактность двигателя при увеличении его мощности, но и обеспечивало плавность хода. Вместе с тем возрастала сложность конструкции двигателя.
К концу XIX в. 1-, 2-, 4-цилиндровые двигатели выпускались многими фирмами. Каждая фирма стремилась сделать свои цилиндры взаимозаменяемыми. Это позволило бы наладить массовое производство и упростить замену в случае повреждения. Головку цилиндра пытались сделать съемной, но трудно было обеспечить герметичность зазора. Тогда цилиндры стали отливать заодно с головкой, а для доступа к клапанам делали лючки с пробками. Рубашка водяного охлаждения была съемной.
Важную роль в двигателе играла система распределения, наполняющая цилиндры горючей смесью и очищающая их от газов. У первых двигателей впуск смеси в цилиндр осуществлялся автоматическим клапаном на стержне. Он открывался благодаря разрежению в цилиндре при впуске смеси, а все остальное время удерживался в закрытом положении пружиной и давлением в цилиндре. Выпускной клапан управлялся при помощи эксцентрика. Увеличение числа цилиндров привело к созданию кулачкового вала с приводом от коленчатого вала. В нужный момент кулачки приподнимали стержни клапанов, а при дальнейшем движении кулачка пружина удерживала клапан закрытым.
Хотя автомобильный двигатель можно охлаждать и потоком встречного воздуха, более эффективным оказалось водяное охлаждение. Долгое время были популярны змеевиковые радиаторы, часто опоясывавшие капот двигателя. В 1901 г. на «мерседесе» впервые был установлен сотовый радиатор с большой поверхностью охлаждения. В конце XIX в. появились водяные насосы, вращавшиеся от коленвала. Для продувки воздуха через радиатор применили радиатор.
Смазка двигателя осуществлялась при помощи разбрызгивания. Черпачки на нижних головках шатунов взбалтывали масло в картере и смазывали им цилиндры и подшипники.
Для распыления бензина применялись хитроумные приспособления, такие как карбюратор Маркуса. Его работа напоминала процесс стряхивания краски со щетки. А во взбалтывающем карбюраторе Бенца воздух проходил через бензин в баке. По мере расходования бензина смесь становилась беднее.
В конце концов остановились на карбюраторе, работавшем по принципу пульверизатора. Пульверизационный карбюратор Бенца и Майбаха состоял из поплавковой и смесительной камер. В поплавковой камере автоматически поддерживался постоянный уровнень топлива. Благодаря разрежению бензин выходил из жиклера смесительной камеры распыленной струей. Схожая конструкция применяется и до сих пор.
Большие сложности были с зажиганием. На первом автомобиле Бенца были установлено ленуаровское зажигание, и он работал на ровной дороге в сухую погоду с запасом сухих элементов. Динамо-машина при малых оборотах не работала, поэтому для запуска двигателя было необходимо сильно раскрутить вал или разогнать автомобиль. Кислотный аккумулятор был тяжелым, заряд был малым.
До конца XIX в. на «Даймлерах» устанавливались платиновые калильные трубки, несмотря на их дороговизну и пожароопасность. Позже Даймлер применил на своих автомобилях магнитоэлектрическую машину инженера Боша. Она вырабатывала ток благодаря движению якоря в электрическом поле между полюсами магнита. В момент наибольшей силы тока электрическую цепь разрывала тяга, соединенная с якорем. Разрыв происходил в камере сгорания, вызывая искру, воспламенявшую смесь. Машину Боша назвали «магнето высокого напряжения».
Пуск двигателя имел не меньшее значение, чем зажигание. Вращая рукоятку, нужно было преодолевать давление в цилиндрах двигателя. Обратные удары рукоятки травмировали руки водителей.
