Справочник автолюбителя - Владимир Ярошенко

Хотя Кулибин создавал всего-навсего очередную «диковину», предназначенную для прогулок по аллеям парка, он поставил перед собой те же задачи, которые стоят и в наше время перед конструкторами автомобилей: сделать работу коляски плавной, обеспечить ее движение не только по ровным, но и по пересеченным дорогам и на подъемах.

На ровной дороге для движения коляски с «конной» скоростью достаточна сила в 20 кг. На подъеме же в 5–6° или на булыжной мостовой при той же скорости потребуется втрое большая сила. Это увеличение можно получить, если слуга будет работать с большим напряжением или если скорость уменьшится. Кулибин выбрал последнее. От оси маховика усилие сообщается парой шестерен продольному валу, вращение маховика и вала передается к одному из трех колец штифтов на барабане оси задних колес. Для этого шестерню на продольном валу можно передвигать. Колеса вращаются вдвое или втрое медленнее, соответственно получается и выигрыш в силе. Слуга нажимает на педали равномерно, не напрягаясь. Храповой механизм давал «самокатке» свободный ход, как у велосипеда. Когда она шла под уклон или после разгона на ровной дороге, тяги скользили по зубцам храповика и слуга мог отдыхать.

Рулевой привод кулибинской «самокатки» состоял из двух рычагов, тяг и обода, в котором установлено переднее колесо. При нажатии на один из рычагов тяга поворачивала обод, а с ним и колесо вправо или влево. Рулевой привод современного автомобиля устроен почти так же. Однако все эти хитроумные устройства не могли превратить «самокатку» в практически действующий самодвижущийся экипаж. Для его передвижения по булыжной дороге хотя бы со скоростью 10 км/ч требуется мощность около половины лошадиной силы (примерно 0,4 кВт). Один человек способен развить такую мощность, но очень недолго.

Мускульно-силовые самокаты на два и больше мест не получили распространения. Верное и оригинальное решение легкого самоката, на котором человек мог достаточно быстро передвигаться своими силами, было предложено немецким изобретателем Карлом Фридрихом Драйзом в 1816 году. Он заменил самокатом не экипаж, а верхового коня, построил машину, похожую на будущий велосипед.

Машину назвали «беговой», так как ездок отталкивался от земли ногами, бежал по земле. Для сохранения обуви на ноги надевали металлические «носки». Поистине, эта машина служила «продолжением человека»! Она была легкой и надежной, катилась со скоростью до 15 км/ч и не испытывала, как экипаж, перекосов на неровной дороге. Ее детали были легкими при достаточной прочности. Во второй половине XIX века беговую машину снабдили педалями и резиновыми бандажами (шинами), заменили деревянные колеса стальными с проволочными спицами, а сплошные деревянные и железные рамы – трубчатыми. Позже появились шарикоподшипники, цепная передача, пневматические шины, механизм свободного хода. На выпускавшихся для детей и пожилых людей трехколесных велосипедах, а также на спортивных двухместных стали монтировать изобретенный в 1877 году Джемсом Старлеем и почти одновременно французом Анри Пекером дифференциал – шестеренчатый механизм передачи усилия двум колесам одной оси, вращающимся при повороте с разными скоростями.

Усовершенствования велосипеда, особенно применение в его конструкции шарикоподшипников, пневматических шин и дифференциала, имели в дальнейшем большое значение и для автомобиля. Шарикоподшипники во много раз облегчали вращение колес и других деталей, уменьшая трение между подвижными и неподвижными частями. Пневматическая шина, изобретенная англичанином Уильямом Томсоном в 1845 году, а затем запатентованная Джоном Данлопом в 1888 году, смягчала удары колеса на неровностях дороги. С ее применением стало возможным делать все детали машины не такими прочными и тяжелыми – ведь вибрация машины заметно уменьшилась, меньше она и расшатывалась. Да и езда стала не такой изнурительной…

Что касается ветросиловых повозок, то их строили вплоть до середины XIX века. Правда, они могли двигаться лишь по очень ровной местности и при попутном ветре. Как средство транспорта они себя не оправдали. Если автомобиль получил от экипажей, мускульных «самокаток» и велосипедов почти все, кроме двигателя, то от ветросиловых повозок – ровным счетом ничего.

Двигатель для автомобиля, как и сам автомобиль, непременно должен был появиться в последней четверти XIX века. И он появился, и вот уже в течение 120 лет безраздельно господствует на автомобилях. Разговор идет о поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС), работающем на бензине по четырехтактному циклу. О конструкциях ДВС других типов будет рассказано позже.

Создатели первых транспортных ДВС отталкивались от конструкции паровой машины. Самые объемные ее элементы, к тому же еще и самые опасные – топка и котел. Значит, их-то и нужно заменить, считали изобретатели. Чем? Ответ на этот вопрос казался простым: нужен резервуар с горючим газом, например светильным. Газ надо смешать с воздухом, ввести в цилиндр машины и там воспламенить. Горение и расширение смеси произведут силу, которая заменит пар. И тогда топка и котел больше не понадобятся.

Еще в 1860 году французский механик Этьен Ленуар (1822–1900) построил газовый двигатель, напоминавший паровую машину. Однако сама по себе смесь светильного газа и воздуха, в отличие от пара, не давит на поршень, ее нужно поджечь. Для зажигания служили две электрические свечи, ввернутые в крышки цилиндра. Двигатель Ленуара – двусторонний (или, как принято говорить, двойного действия; рабочий процесс происходит с двух сторон поршня) и двухтактный, т. е. полный цикл работы поршня длится в течение двух его ходов. При первом ходе происходят впуск, воспламенение и расширение смеси в цилиндре (рабочий ход), а при втором – выпуск отработавших газов. Впуском и выпуском управляет задвижка-золотник, а золотником – эксцентрик, смонтированный на валу двигателя.

Преимущества нового двигателя перед паровой машиной не ограничивались ликвидацией котла и топки. Газовые двигатели не требовали разведения пара, обслуживать их было нетрудно. Однако масса нового двигателя оставалась почти такой же, как и у паровой машины. Единица выработанной мощности двигателя (л. с. или кВт) обходилась в 7 раз дороже, чем у паровой машины. Только четверть теплоты сгоревшего газа совершала полезную работу, т. е. коэффициент полезного действия (КПД) двигателя составлял 0,04. Остальное уходило с отработавшими газами, тратилось на нагрев корпуса и отводилось в атмосферу. Когда частота вращения вала достигала 100 об/мин, зажигание действовало ненадежно, двигатель работал с перебоями. На охлаждение расходовалось до 120 (!) м3 воды в час. Температура газов доходила до 800 °C. Перегрев вызывал заедание золотника. Несгоревшие частицы смеси засоряли каналы впуска-выпуска.

Причина низкой производительности двигателя заключалась в самом принципе его действия. Давление воспламененной смеси не превышало 5 кг/см2, а к концу рабочего хода снижалось втрое. Простой расчет показывает, что одноцилиндровый двигатель с рабочим объемом 2 литра при таком давлении, частоте вращения вала 100 об/мин и КПД 0,04 развивал мощность не более 0,1 кВт. Другими словами, ленуаровский двигатель в тысячу раз менее производителен, чем двигатель современного автомобиля.

Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 году коммерческому служащему из Кельна Николаю-Августу Отто (1832–1891) совместно с Евгением Лангеном (1833–1895).

Наблюдая работу газового двигателя, похожего на конструкцию Ленуара, Отто пришел к выводу, что сможет добиться его более производительной работы, если будет зажигать смесь не на середине хода поршня, а в его начале. Тогда давление газов при сгорании смеси действовало бы на поршень в течение всего его хода. Но как наполнить цилиндр смесью до начала хода? Отто попробовал следующее: вращая маховик вручную, он наполнил цилиндр и включил зажигание в тот момент, когда поршень вернулся в исходное положение. Маховик резко «взял» обороты, а до этого сгорание смеси давало ему лишь слабый толчок. Отто не придал значения тому, что смесь была сжата перед зажиганием, он считал улучшение процесса результатом продолжительного расширения смеси в процессе сгорания.

Изобретателю понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, достигающим 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 циклу работает подавляющее большинство автомобильных двигателей. Ниже приведено краткое, схематичное его описание.