Страницы истории. На заре века моторов.

[gp2]

Страницы истории.

На заре века моторов.



Столетие автомобиля, сыгравшего огромную роль в развитии человечества, отмечается в 1986 г. Отцами первых транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания считают немецких изобретателей Карла Бенца (1844–1929 гг.) и Готлиба Даймлера (1834–1900 гг.). Первый из них 29 января 1886 г. получил патент ДРП № 37435 на построенный им трехколесный автомобиль. Второй, имея ряд патентов на конструкции двигателей, в 1885 г. оборудовал одним из них мотоцикл, а в 1886 г. – автомобиль. Таким образом, независимо друг от друга Бенц и Даймлер не только выдвинули идею и оформили свой приоритет в виде патентов, но, в отличие от многих изобретателей, реализовали ее в металле, испытали и, что мало кому тогда удавалось, внедрили, как теперь принято говорить, в производство. Более того, в дальнейшем Бенц и Даймлер непрерывно совершенствовали конструкции автомобилей, расширяли масштабы их выпуска. Начатое ими дело после слияния в 1926 г. фирм «Даймлер» и «Бенц» продолжало развиваться.
Многие страны выдвигали своих кандидатов на звание «отца автомобиля». Французы Э. Делямар-Дебутевиль и Л. Маланден оформили в 1884 г. патент на свое изобретение, построили и испытали автомобиль, но дальше дело не двинулось. Американец Д. Сельдей в 1879 г. запатентовал свою конструкцию автомобиля, но так и не построил его. Австриец 3. Маркус, напротив, создал автомобиль, но не оформил должным образом свое авторское право. Доказательств его первых выездов в те годы нет. Сохранилась не запатентованная конструкция датчан А. Хаммеля и X. Юхансена 1886 г.
Какие бы ни были споры о том, «кто первый», оба немецких изобретателя являют пример редкой настойчивости и целеустремленности в реализации своих идей.
Готлиб Даймлер начал самостоятельную трудовую деятельность на машиностроительном заводе в Графенштадте. Проработав на этом предприятии два года, Даймлер приобрел не только полезные технические знания, но и большой практический опыт. Здесь он познакомился с особенностями работы паровой машины и впервые задумался над идеей создания транспортного двигателя.
В 1857 г. будущий изобретатель решил продолжить образование и поступил в политехническую школу Штутгарта. В 1861 г. Даймлер ненадолго посетил Париж, чтобы ознакомиться с устройством, работой и производством газовых двигателей Жана Этьена Ленуара (1822–1900гг.). Хотя двигатель несколько разочаровал его, поездка была, безусловно, полезной,
После этого он отправился в Англию, где проработал некоторое время в Ковентри и Бирмингеме на заводах знаменитого в то время Джозефа Витворта. Вернувшись в Германию, Даймлер в 1862 г, поступил на небольшую механическую фабрику в городе Ройтлинге, где встретился с Вильгельмом Майбахом (1846–1929 гг.) – будущим известным конструктором. С ним он впоследствии тесно сотрудничал до конца своей жизни.
Непосредственно работать с двигателями внутреннего сгорания Даймлер начал в 1872 г. на предприятии, принадлежащем известным тогда изобретателям Н. А. Отто и Э. Лангену, куда он поступил на должность технического директора и добился одновременного назначения Майбаха руководителем конструкторского бюро. На фабрике «Отто-Дойц» Даймлер и Майбах уже экспериментировали с небольшим четырехтактным двигателем. Более того, Даймлер неоднократно предлагал владельцам Фирмы основательно заняться транспортным двигателем, Эту инициативу поддерживал Э, Ланген, но Н.. Отто категорически возражал. В конце концов Даймлер и Майбах в начале 1882 г. покинули фирму.
В то время патент закреплял на определенный срок за автором изобретения монопольное право на его использование. Другие конструкторы или предприятия обязаны были выплачивать обладателю патента крупные суммы за «эксплуатацию» содержащихся в нем идей, Когда же срок действия патента истекал, воспользоваться изобретением мог уже каждый,
К 1882 г. четырехтактный рабочий процесс все еще охранялся патентом ДРП № 532 от 1 июля 1877 г., принадлежащим Николаю Августу Отто (1832–1891гг.), поэтому изобретатели ранних двигателей внутреннего сгорания вынуждены были использовать двухтактный или какой-либо другой рабочий процесс. Так, в частности, поступил Карл Бенц. Его первый двигатель, созданный в конце 1879 г., был двухтактным, И лишь после того, как в 1886 г. патент Отто утратил силу, инженеры и конструкторы, в том числе и К. Бенц, смогли приступить к разработке и постройке двигателей с четырехтактным рабочим процессом, Даймлер же сразу начал применять его в своих двигателях – он был совладельцем патента Отто.
Таким образом, Бенц и Даймлер начинали свою автомобильную деятельность в совершенно разных условиях и независимо друг от друга. Любопытно, что, несмотря на одинаковую цель, знакомства или даже просто встречи между ними никогда не было, Вот что писал в своих воспоминаниях К. Бенц по этому поводу: «Я за всю свою жизнь ни разу не имел случая разговаривать с Даймлером, Однажды я видел его издали в Берлине, Когда я протолкался к нему, желая познакомиться, он уже исчез в толпе.
Всякий, кто видел и знает наши первые экипажи, приводимые в движение моторами, отлично понимает, что мы шли к решению проблемы совершенно различными техническими путями, абсолютно самостоятельно и независимо один от другого». Наиболее сложной проблемой тех лет было создание надежной и достаточно простой системы для воспламенения рабочей смеси, приемлемой для будущего транспортного двигателя, Систему зажигания током высокого напряжения от катушки Румкорфа, питаемой гальваническими элементами, Даймлер отверг сразу же из-за ее ненадежности и недолговечности. Система зажигания перенесением пламени от постоянно горевшей «дежурной» горелки, применявшаяся на газовых двигателях «Отто-Дойц», была непригодна – она не позволяла увеличить частоту вращения коленчатого вала более 200 об/мин, Таким образом, из всех известных во второй половине XIX в, систем зажигания приемлемой оставалась лишь «управляемая» трубка накаливания Лео Функа – изобретателя из Аахена, запатентованная еще в 1879 г, Суть ее конструкции сводилась к следующему. В специальное отверстие головки цилиндров снаружи ввертывалась платиновая трубка с глухим концом. Между внутренней ее полостью и полостью камеры сгорания находился механически управляемый золотник, В конце такта сжатия он открывался и пропускал рабочую смесь из камеры во внутреннюю полость трубки, раскаленной снаружи добела с помощью специальной горелки. От соприкосновения со стенками трубки смесь воспламенялась и происходил рабочий ход,
После тщательного анализа Даймлер отказался от механически управляемого золотника. На свой упрощенный вариант трубки накаливания с «самовоспламенением от сжатия» 16 декабря 1883 г, он получил патент ДРП № 28022.
Вначале Даймлер предполагал, что после разогрева трубки накаливания и пуска двигателя горелку можно погасить, если свести к минимуму тепловые потери через стенки камеры сгорания и днище поршня. Поэтому в чертеже к патенту (рис. 1), все стенки камеры сгорания и цилиндра в зоне его рабочего объема (в данной конструкции он располагался в съемной головке) окружены толстым слоем теплоизоляционного материала. Цилиндр, примыкавший к головке справа, служил лишь направляющей втулкой для поршня,
Для экспериментальной проверки такого варианта трубки накаливания Даймлер и Майбах построили небольшой стационарный двигатель. Отливки для его основных деталей заказали известному в Штутгарте мастеру по литью колоколов Генриху Курцу. Очевидно, поэтому все они были изготовлены из бронзы. В августе 1883 г, двигатель был готов. Его конструкция представляет исключительный интерес. Она показывает, с какими проблемами и трудностями приходилось сталкиваться создателям первых двигателей внутреннего сгорания и какими, с современных позиций, необычными, порой парадоксальными, способами они их решали, Отдельные механизмы и системы этого двигателя были затем использованы изобретателями и в конструкции силового агрегата для мотоцикла,
Горизонтальный, одноцилиндровый двигатель по своему внешнему виду (напоминал паровую машину с открытым кривошипным механизмом (рис. 2). Цилиндр, его головка и поршень полностью соответствовали чертежу названного выше патента Г. Даймлера. Но головка не имела теплоизоляционного покрытий. Забегая вперед, скажем, что надежды изобретателя на «самовоспламенение от сжатия» и возможность работы двигателя при потушенной горелке не оправдались - необходим был постоянный нагрев трубки накаливания. Видимо, поэтому теплоизоляция с головки цилиндра была снята. Поскольку основное тепло при сгорании
смеси передавалось головке, а не цилиндру, последний не имел никакого охлаждения.
Клапаны помещались в боковом объеме камеры сгорания горизонтально друг против друга, причем впускной действовал автоматически – он открывался в результате разрежения в цилиндре при такте впуска. Выпускной клапан имел механический привод совершенно необычной конструкции.
На коленчатом валу находился диск с сообщающимися в определенных точках кольцевыми пазами на внешней плоскости. По ним скользил небольшой заостренный по концам ползун, в отверстие которого входил штифт, закрепленный в тяге привода выпускного клапана. При скольжении ползуна по внутреннему пазу тяга оставалась неподвижной, и выпускной клапан при вращении коленчатого вала оставался закрытым. При переходе ползуна во внешний паз тяга перемещалась влево и открывала выпускной клапан. Такая система привода позволяла выключать выпускной клапан, чтобы ограничить максимальную частоту вращения коленчатого вала при работе на холостом ходу или малых нагрузках. Поскольку регулировка поступления горючей смеси в цилиндр, применяемая в настоящее время, была принципиально невозможна при зажигании трубкой накаливания, оставался лишь один путь: временного прекращения работы двигателя исключением из его рабочего процесса какого-либо такта.
Таким образом, при переводе ползуна из внешнего паза во внутренний работа двигателя прекращалась, а во внешний – сразу же возобновлялась. Такая конструкция привода выпускного клапана позволяла регулировать частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу и при малых нагрузках.
Как уже было сказано, этот двигатель был построен в целях экспериментальной проверки и поэтому имел довольно скромные размеры: диаметр цилиндра 45 мм, ход поршня – 72 мм, Предназначался он для работы на достаточно проверенном в то время топливе – светильном газе. Первые удачные пуски показали, что двигатель очень быстро набирает максимальную частоту вращения коленчатого вала. В 1884 г. после девяти месяцев работы Даймлера и Майбаха над совершенствованием трубки накаливания частота вращения коленчатого вала достигала 600 об/мин. Это была неслыханная для того времени величина – ведь двигатели Отто развивали всего 150...200 об/мин. Доводка трубки накаливания вылилась в тяжелые и напряженные исследования. В итоге была найдена очень важная величина — необходимое конечное давление сжатия, обеспечивающее устойчивое и бесперебойное воспламенение горючей смеси. Эта величина составляла 3,0 кгс/см2, что соответствовало степени сжатия порядка 2,5...3,0.
Решая проблему зажигания, Даймлер параллельно занимался проектированием следующего варианта двигателя, на который получил патент ДРП № 28243 от 23 декабря 1883 г. Хотя этот двигатель, так же как и первый, был стационарным, он уже имел вертикальное расположение цилиндра. Его диаметр – 100 мм, ход поршня –188 мм, что соответствовало рабочему объему 1,4 л, мощность 1,6 л. с. при 400 об/мин. Как сам двигатель, так и вся документация, на него, очевидно, погибли при пожаре на заводе в Штутгарте в 1903 г.
Следующий двигатель, проектировавшийся специально для транспортных целей, Даймлер построил в 1884 г. На него выдали патент № 34 926 от 3 апреля 1885 г. У этой вертикальной одноцилиндровой конструкции (рис. 3) оказалось мало общего со своими предшественниками. Цилиндрический полностью закрытый картер состоял из двух разъемных по вертикальной плоскости половин. Такая схема сохранилась до настоящего времени и применяется на большинстве современных мотоциклетных двигателей.
Разборный коленчатый вал состоял из двух маховиков с полуосями, соединенных между собой кривошипным пальцем. Эта конструкция также характерна для большинства современных мотоциклетных двигателей. Головка цилиндра — несъемная, сверху имелись лишь круглая крышка и отделяющийся патрубок с седлом и автоматическим впускным клапаном, под которым размещался выпускной клапан. Его механический привод, как и у предыдущего двигателя, имел центробежный регулятор, расположенный так же, как и кольцевые пазы в одной из половин маховика, внутри картера. Для быстрой раскрутки коленчатого вала при пуске двигателя (необходимость этого диктовалась зажиганием от трубки накаливания) предусматривался декомпрессор, который позволял удерживать выпускной клапан в открытом состоянии. Кроме указанных двух клапанов, был еще и третий, в днище поршня. Он перепускал сжатый воздух в цилиндр при каждом обороте коленчатого вала во время прохождения поршнем нижней мертвой точки, как в современных двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой. В конце такта впуска этот воздух доводил до требуемого состава обогащенную смесь, поступавшую через основной впускной клапан, тем самым увеличивая весовое наполнение цилиндра. При следующем обороте в конце рабочего хода и начале такта выпуска цилиндр продувался воздухом, как в наших широко известных дизелях ЯМЗ-204 и -206, что способствовало значительному снижению коэффициента остаточных газов, Открытие этого клапана происходило в известной степени механически. При подходе поршня к нижней мертвой точке тарелка его пружины садилась на упоры, расположенные в нижней части цилиндра. При этом пружина сжималась и открывала клапан. Необходимо отметить, что идея такого «наддува», как и сама конструкция клапана в днище поршня, не являлись приоритетом ни Даймлера, ни Майбаха. Они заимствовали ее из утратившего к тому времени силу патента 1878 г. немецкого изобретателя Конрада Ангеле из Ганновера. Введение этого клапана говорит о том, что Даймлер и Майбах, конструируя транспортный двигатель, все время пытались улучшить характер протекания процессов четырехтактного цикла. Клапан, судя по всему, работал ненадежно и конструкторы от него отказались уже в 1892 г.
Важная особенность двигателя 1884 г. – применение полностью закрытого картера, который использовался и как резервуар для масла. При вращении маховиков, частично погруженных в масло, они создавали масляный туман, и он проникал в стыки всех трущихся деталей. Смазка поршня и цилиндра производилась из кольцевой ванны, расположенной под цилиндром в верхней части картера. Такие усовершенствования являлись приоритетом Майбаха – в практике мирового двигателестроения они нашли применение впервые. Двигатель 1884 г. работал уже на жидком топливе – сначала на керосине, а затем бензине.
Для непосредственной установки на будущее транспортное средство был изготовлен еще один, четвертый двигатель аналогичной конструкции, но с другими параметрами:
Диаметр цилиндра, мм – 58
Ход поршня, мм – 100
Рабочий объем, см3 – 264
Степень сжатия – 2,61
Максимальная мощность, л. с. – 0,5
Литровая мощность, л.с./л – 1,9
Максимальный крутящий момент, кгс х м – 0,51
Номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин – 600…700
Масса (с оборудованием), кг – 40

Сравнительно небольшая мощность двигателя предопределила его установку на очень легком транспортном средстве – двухколесном велосипеде.
К осени 1885 г. был построен «моторный велосипед» (рис. 4) с деревянными рамой и колесами. Так как конструкторы не могли быть уверены в достаточной его устойчивости, а падать с горящей горелкой и бачками, заполненными бензином, не представляло особого удовольствия, то по бокам установили специальные опорные катки-ролики, как у современных детских велосипедов.
На рисунке достаточно четко видна общая компоновка машины и ее; механизмы. Трансмиссия состояла из двух пар шкивов и плоского ремня, управление которым осуществлялось рычагом, расположенным на раме, сразу за рулем. Он же приводил в действие и единственный тормоз – небольшую деревянную колодку, прижимавшуюся к внешней поверхности бандажа заднего колеса. За рычагом «сцепление – тормоз» находился рычаг управления краном-смесителем карбюратора. Между передними стойками рамы были расположены карбюратор и глушитель. За цилиндром двигателя слева, в небольшом защитном кожухе (он предохранял от ветра) помещалась трубка накаливания с горелкой, а резервуар для бензина находился сзади седла.
Поскольку двигатель (рис. 5) работал все время с постоянной частотой вращения коленчатого вала, то двухступенчатая ременная передача обеспечивала мотоциклу две скорости – 6 и 12 км/ч. Передача от промежуточных шкивов на зубчатый венец, прикрепленный к спицам заднего колеса, осуществлялась шестерней. Колеса имели металлические шины-бандажи. Масса мотоцикла составляла 90 кг.
Описанный проект в основном был выполнен Вильгельмом Майбахом и защищен патентом ДРП № 36423 от 29 августа 1885 г., выданным, однако, Даймлеру.
Первый выезд на мотоцикле состоялся 10 ноября 1885 г., причем основным испытателем был Майбах и реже старший сын Даймлера – Пауль. Максимальная скорость во время пробных поездок достигала 18 км/ч. Несмотря на вполне удовлетворительную устойчивость и безопасность езды, некоторые его механизмы оказались недостаточно надежными. Поэтому после нескольких испытаний дальнейшие работы по усовершенствованию его конструкции не производились, так как мотоцикл не был самоцелью для Даймлера и Майбаха. Основная задача – практическое опробование первого транспортного двигателя внутреннего сгорания – была достигнута.
Двухколесное транспортное средство стало для изобретателей трамплином к четырехколесному автомобилю. Хотя, справедливости ради, надо отметить, что Даймлер, создавая транспортный двигатель внутреннего сгорания, никогда не проявлял интереса к разработке конструкций самих транспортных средств. Постройка его первого четырехколесного экипажа произошла так.
В связи с приближением дня рождения жены, 29 апреля 1886 г., Даймлер объявил о своем желании покатать ее по городу на моторном экипаже, который он специально по этому случаю построит. С целью быстрейшей реализации своей идеи Даймлер обратился к экипажной фабрике «В. Вимпфф и Сын» в Штутгарте с просьбой изготовить легкий, прочный экипаж открытого типа, указав, что на него будет установлен бензиновый двигатель. Вимпфф предложил Даймлеру пролетку-«американку», поскольку она, по его мнению, наиболее подходила для установки двигателя между рядами сидений. Предложение понравилось Даймлеру.
Хотя Вимпфф и обещал выполнить заказ к 29 апреля 1886 г., но слова не сдержал. Только 28 августа экипаж был доставлен в Каннштадт. По бокам темно-синей пролетки помещались фонари со стеариновыми свечами и рефлекторами, сиденья были обиты черной кожей с прошивкой. Оси, колеса, рессоры, поворотный круг и другие детали ходовой части изготовил поставщик Вимпффа – специализированная фирма «Цур и Бобзин» в Гамбурге. Любопытно, что на свою продукцию фирма дала двухлетнюю гарантию. Экипаж без двигателя весил 305 кг и обошелся, по тому времени, в довольно солидную сумму – 795 марок. Учитывая слишком необычное назначение экипажа, Вимпфф одинакового диаметра,
каждый из которых мог быть блокирован с валом специальным рычагом с места водителя. Два плоских кожаных ремня соединяли их с ведомыми шкивами, закрепленными на промежуточном валу. Разные диаметры ведомых шкивов обеспечивали автомобилю две передачи, а точнее – две скорости, так как двигатель имел неизменную частоту вращения коленчатого вала. Промежуточный вал вращался в подшипниках, закрепленных непосредственно на нижних половинах полностью эллиптических задних рессор. Внешние концы этого вала несли ведущие звездочки, которые соединялись с ним при помощи размещенных в их ступицах механизмов свободного хода: они выполняли функции дифференциала. Ведущие звездочки находились в постоянном внешнем зацеплении с зубчатыми венцами, прикрепленными непосредственно к спицам задних колес.
Рулевое управление этого экипажа осуществлялось 1поворотом всей передней оси, как у конных экипажей, с той лишь разницей, что на правление движения изменял водитель, а не лошадь. Для этого часть поворотного круга, связанная с передней осью, была снабжена внутренним зубчатым венцом, С ним зацеплялась шестеренка вертикального рулевого вала, имевшего на верхнем конце крестообразную рукоятку. Наконец, экипаж снабжался одним тормозом. Он приводился в действие ручным рычагом, который через систему тяг и коромысел прижимал облицованные кожей колодки непосредственно к поверхности задних колес.
Осенью 1886 г. начали опробование экипажа. Сразу же выяснилось, что воздушное охлаждение цилиндра двигателя недостаточно. Это вынудило Даймлера и Майбаха срочно переделать его на водяное, правда, только для головки цилиндра. Первоначально Даймлер предполагал развить на этом двигателе мощность 2 л.с., однако, по неизвестным причинам, был использован другой, меньших размеров: диаметр цилиндра – 70 мм, ход поршня –120 мм, рабочий объем – 0,462 л, масса с оборудованием – 92 кг. Водяное охлаждение, как и у предыдущего, только для головки цилиндра. Для охлаждения воды впервые применялся пластинчатый радиатор, установленный наклонно в задней части экипажа. Все эти изменения, а также усовершенствование органов управления отняли достаточно много времени, и первые дорожные испытания состоялись только 4 марта 1887 г. (кстати, годом позже первого выезда К. Бенца) на шоссе между Эсслингеном и Каннштадтом. В ходе их моторный экипаж показал реальную эксплуатационную работоспособность: его максимальная скорость с одним пассажиром достигала 18...20 км/ч. Майбах собрал и систематизировал много ценных наблюдений и результатов, которые послужили исходным материалом для создания будущих конструкций.
Этот один из первых в мире четырехколесных экипажей с бензиновым двигателем внутреннего сгорания, на который Даймлер почему-то не сделал патентной заявки, сохранился до наших дней и находится в Штутгарте в музее фирмы «Даймлер-Бенц». В 1960 г. с экипажа был снят двигатель и испытан в научно-исследовательском центре фирмы профессором В. Каммом. При испытаниях он развил мощность 1,11 л. с. при 690 об/мин. Любопытно, что по данным самого Даймлера мощность двигателя равнялась 1,0...1,5 л, с.
Позже Даймлер поставил немало опытов по применению своего двигателя не только на сухопутном дорожном экипаже, но и на дрезине, моторной лодке, дирижабле.
В 1889 г. он изготовил несколько автомобилей типа «Штальрадваген», один из которых экспонировался в 1973 г. в Москве на большой выставке «Даймлер-Бенц». Что касается Бенца, то он с 1888 г. начал производить на продажу трехколесные, а с 1893 г. четырехколесные автомобили. Один из них, «Бенц-Вело», также был представлен в Москве на выставке. Другой экземпляр этой модели можно увидеть в экспозиции филиала Музея истории Ленинграда – в комендантском доме Петропавловской крепости.

В. Беляев, "Автомобилист", 1986.

***

На заре века моторов. Иллюстрированная версия.